基于有限元的深海采油树支架安装过程分析
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我国深水海域辽阔且蕴含丰富的油气资源，尤其是有＂第二个波斯湾＂之称的南海，其石油地质储量约占到中国总资源量的三分之一，但中国在南海的开发却极为有限，主要原因是我国没有先进的海洋技术和海洋装备。永久导向基座（水下井口装置）和采油树（采油装备）是海洋油气田开发中的重要单元装备，也是水下生产系统的关键设备。其中在安装海底采油装备的过程中，会对永久导向基座以及承载采油树本体以及各个设备装置的支架结构有较高的强度要求。研究采油树支架以及导向基座的结构受力特点对安装采油树设备具有重要的意义。
一、安装过程力学模型构建
本文以美钻（PY34-1/35-2）为例，如图1所示。通过大型通用有限元软件MSC.Patran/ Nastran建立相关结构物的有限元模型并进行静力学强度计算，研究其在吊装降入海底这一安装过程中，采油树支架以及导向基座受力特点，并校核其结构强度是否符合《ANSI/API Spec 6A》的规范要求。
1.过程模型
安装过程，是指采油树通过采油树下入海底的工具，依靠吊具和导向绳，将采油树下入安装至井口的过程，如图2所示。该过程主要考虑两个关键时刻点的情况。其一为在海上将采油树整体吊起悬空的状态，主要研究对象为采油树支架。其二为采油树整体下降至海底500米处，采油树支架的导向柱与导向基座的导向柱相接触时，主要研究对象为位于海底的永久导向基座。根据上述两种状况，分别建立采油树支架以及永久导向基座的有限元模型。如图3与图4所示。
2. 模型单元
支架模型中有限元网格划分主要以100mm×100mm为主，在结构复杂处加密为50mm ×50mm。网格单元采用shell板单元。有限元模型中共划分10092个单元，13968个节点。由于计算重点在于支架的结构强度因此通过加载的方式来等效替代支架上承载的设备，并对其他一些用于系固设备的开孔以及结构件进行省略，通过添加均布质量点与调节密度的方式以模拟被省略的次要构件，使支架模型总质量为 22250kg，与设计质量保持一致。
导向基座模型中有限元网格划分主要以100mm x 100mm 为主，在结构复杂处加密为50mm x 50mm。网格单元采用shell板单元。有限元模型中共划分11016个单元，11212个节点。计算重点在于导向柱以及基座主结构的连接部分，因而建模时对其他部分的构件的形状以及开孔等进行了适当的简化。
二、参数设置
1.材料参数
采油树整体支架以及导向基座的材料为Q345D，其属性见表1。
其最小抗拉强度为450-630 Mpa ；弹性模量为206 GPa ；密度为7750Kg/m3 ；泊松比为0.3。
2. 工况参数
1.水上起吊状态参数
吊装过程中，采油树本体通过将卡牙吊具固定在设备上端的卡槽中进行单吊点的吊装作业，吊机拉力通过采油树本体以及连接器传递至支架上。该工况条件下，主要考察由于中部竖直向上的拉力与支架整体分散的设备重力之间对支架整体板架结构的弯曲与剪切作用。
通过MPC单元对支架上承载的设备质量进行等效，此外，同样通过MPC单元将通过采油树本体传递下来的吊具拉力，添加至支架中部设备与支架联接位置处。此处对吊具作用点进行全约束，使得模型静力平衡，以等效整体匀速起吊以及悬空状态时的情况。
另外在全局坐标系范围内添加9.81m/s?的重力场，以模拟支架自重。
该工况下的采油树支架有限元模型加载情况如图5所示。
2. 水下接入导向基座状态参数
本体在下降至海底500m处，主要承受由于洋流作用于吊具上的侧向力影响。由于吊具为一直径等于114.3mm的圆柱体，可借由有限深度均匀水流中圆柱横向阻力的计算方法将圆柱体的所受的阻力计算得出以等效为吊具下方采油树所受到的洋流力与力矩。
通过MPC单元将永久导向基座的四根导向柱节点连接至采油树整体下降时的位置中心，以其等效为采油树整体，并将整体承受的上述洋流力传递至四根导向柱。为了模拟最危险工况，选取采油树整体在下降过程中，其位置为刚进入导向基座导向立柱顶端的时刻。该时刻洋流力对于导向基座底端有最大力矩。
永久导向基座底部为全约束，固定于海底。另外，根据洋流在各个方向上的试算，得出在洋流为y方向时，结构有最大应力。根据上述公式可以求得：F=37792N， M=1.4367×107N.mm计算模型的加载情况见图6。
3 计算结果
3.1 采油树支架
由图7，图8可以看出，由于设备支架在整体悬空状态时，其支架相当于一个悬臂结构，因而与支架连接处有较大应力。其应力范围在25MPa左右。图9为采油树支架桩腿肘板处的等效应力，在该工况下最大应力点出现在桩腿肘板处，为57.7MPa。
3.2 永久导向基座
由图10与图11可以看出，由于洋流力通过采油树整体继而传递至导向绳，而导向绳最终将洋流力传递至导向基座的导向柱上，因此对于导向基座中导向柱与主结构的连接部分产生了较大的应力，主要结构上的应力大多在70MPa左右。而另一方面，对于导向基座的底端，其应力分布情况则较小。图12为导向基座主结构与导向柱的连接部分的应力云图，最大应力值出现在导向柱根部为131MPa。