自升式鉆井平臺中鉆臺結構強度分析研究

高學靜，張洪欣

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺264000)

自升式鉆井平臺作為一種可移動的海洋結構物，主要由平臺主體、樁腿樁靴、升降機構、鉆井結構以及生活設施和大型設備等構成。其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預定高度進行作業。由于其造價低、定位能力強，在各種海況下基本都能保證平穩的鉆井作業等優點。這種平臺在海洋石油開發中被廣泛應用，在大陸架海域的油氣資源勘探開發中居重要地位［1］。

文中以某典型91.44 m(300 ft)水深作業的桁架式樁腿自升式鉆井平臺鉆臺結構部分為研究對象，見圖1。根據美國鋼結構技術(AISC)規范要求，利用SACS軟件對鉆臺在正常作業、拖航等工況下的強度進行了分析，并用ABAQUS軟件進行結果分析對比，對該結構的計算方法和過程進行評估。

圖1 自升式鉆井平臺

1 建立有限元模型

1.1 坐標系的確定

計算模型選取右手坐標系，坐標原點位于鉆桿中心(即井心)處。

X軸，縱向指向平臺艏部為正;

Y軸，橫向指向平臺左舷為正;

Z軸，垂向向上方向為正。

1.2 計算模型

利用SACS軟件作為分析軟件，該軟件可將所有的結構數據:幾何形狀、構件尺寸、材料特性以及環境條件以文件方式存儲，然后求解程序對這些數據進行分析計算，得出最終的求解文件，結果會包含所有節點的位移以及單元內力。

參照基本結構圖紙，需要對整體鉆臺結構部分進行合理簡化，將圖紙中大型桁材以梁的形式建出。一些大型設備以及鉆桿的中心位置處的梁結構需要真實模擬，如部分小結構(肘板之類)等可相應簡略。SACS模型見圖2。

圖2 SACS模型圖

1.3 材料參數和邊界條件

基本材料參數:

楊氏模量E=2.1×1011Pa;

密度ρ=7 850 kg/m3;

泊松比μ=0.3。

主要梁結構材料為EQ47，屈服強度為460 MPa，部分工字鋼材料是DH36，屈服強度是355 MPa。在模型中定義梁截面時，大部分結構的梁截面都是工字鋼，可按照實際截面情況定義截面屬性。型梁結構每段板厚不盡相同，保守起見可取小板厚值。

考慮鉆臺與其下面的懸臂梁結構的接觸約束情況以及鉆臺的實際工作狀態，靜載、作業和拖航工況下，4個約束點采取簡支約束，在SACS軟件中簡支邊界條件表示見圖3。而鉆臺在滑移工況中邊界約束略有不同，圖4為鉆臺模型滑移工況邊界條件，圖中1表示約束，0表示自由。

圖3 鉆臺模型簡支邊界條件

圖4 鉆臺模型滑移工況邊界條件

2 基本載荷與分析工況

在對鉆臺結構強度分析時，應在模型中先定義好所有基本的固定載荷和環境載荷，再按實際計算工況進行相互疊加分析計算。

2.1 基本載荷

1)結構自重。模型建好以后，軟件可自行計算結構自重。由于部分結構沒有建出，所以此處實際分析計算中考慮了5%的增加量，取重力加速度為9.81 m/s2。

2)設備重量。根據總布置圖和重量重心報告，將各設備重量施加在鉆臺結構相應位置處。

3)甲板工作載荷。根據技術規格書，在甲板開放區域施加甲板工作載荷。

4)setback。setback區域是指鉆臺上放置鉆桿的地方。根據技術規格書，將給定的重量值施加在setback區域。

5)鉆井工作載荷。鉆井工作載荷主要考慮由位于鉆桿井心處的4根梁結構承擔。

6)吊鉤工作載荷。吊鉤處的工作載荷就是指其自身重量和上面的一些滑輪組的重量，還要包括所有setback的管子的重量。

7)風載。由于鉆臺結構上有較高的鉆井架和周圍大面積的風墻結構，所以風載荷對鉆臺的結構強度影響較大。風載荷大小是由風壓與井架受風的投影面積的乘積得到。根據建造規格書和船級社要求，在作業工況時需要考慮70 kn風速;在拖航工況時需要考慮100 kn風速。風載的計算方法可參考美國船級社(ABS)中公式要求。在實際分析計算時需要考慮8個方向，即0°，45°，

90°，135°，180°，225°，270°，315°，360°

風力F w可用下面的計算公式得到。

式中:v——風速，m/s;

Ch——高度系數;

Cs——形狀系數;

A——結構的受風面積，m2。

由于在模型中無法模擬出整個結構，因此需要根據其受風面積計算出風載的大小，再將該力轉換成彎矩后施加在相應井架與鉆臺連接處。

8)慣性載荷。根據美國船級社(ABS)規范［2］，遠洋拖航時，以搖擺周期為10 s、單擺幅值為15°的搖擺角作為校核平臺中鉆臺結構強度的計算工況。

假定平臺的搖擺(橫搖和縱搖)為簡諧運動，搖擺中心為水線面處的漂心，其搖擺運動方程為［3］

搖擺運動的最大角加速度為

式中:θ0——搖擺幅值;

T0——搖擺周期;

t——時間變量;

φ——初相位。

9)滑移摩擦載荷。本文中鉆臺結構是以左右滑動方式運動的，需要考慮滑移摩擦載荷，計算時可取摩擦系數0.05。

滑動摩擦力=(結構自重+設備重量+setback+甲板工作載荷)×0.05

2.2 計算分析工況

鉆臺結構的設計應主要考慮靜載工況、作業工況、拖航工況和滑移工況，以校核結構能否在各種工作形態下滿足強度計算要求。設計中需要注意避免井架與鉆臺連接處的應力集中。同時，由于鉆臺在懸臂梁上實際可左右運動形式，移動滑移工況在實際分析計算時也應一并考慮［4］。

表1為4種計算工況組合，其中拖航工況分為近距離拖航、遠洋拖航2種。

表1 計算工況組合

3 校核標準及計算結果

3.1 校核標準

按照美國鋼結構技術(AISC)規范和美國船級社(ABS)規范2008版中設計標準要求，在SACS軟件中，AMOD為許用應力系數，各個工況的取值如下。

1)靜載工況AMOD=1.00。

2)作業工況AMOD=1.33。

3)滑移工況AMOD=1.00。

4)拖航工況AMOD=1.33。

校核結果與許用值之比為材料利用率，也叫UC值。該值小于等于1，即表示結構滿足強度要求。如果在計算中出現材料利用率大于1，表示該鉆臺結構強度不足(除結構中應力集中區域)，需要進行局部結構加強處理。

3.2 計算結果

由于考慮環境載荷時分別計算了8個方向，結果不能逐一列舉，表2中只顯示了在各個工況下計算結果的最大值。

為了驗證SACS簡化模型計算的準確性，本文采用有限元軟件ABAQUS按實際結構建模，且載荷與SACS模型中施加一致，見圖5、6。表3為采用ABAQUS軟件計算出的UC值。

表2 SACS計算結果

圖5 ABAQUS計算模型和載荷施加圖

表3 ABAQUS計算結果

從ABAQUS軟件計算結果可以看出，UC值均小于1，表明強度滿足要求，與SACS軟件計算結果相差不多。

4 結論

1)該鉆臺在SACS軟件結構強度計算校核中，材料利用率均小于1，即表示此結構滿足強度計算要求。

2)通過與ABAQUS有限元軟件計算結果對比發現，材料利用率相差不多。由此可知，鉆臺結構在SACS軟件中簡化合理，方法可行，結果滿足計算要求，可免去繁瑣的有限元建模。

3)自升式鉆井平臺由于其所處環境復雜多樣，各部分載荷情況各異。在結構設計時，應充分考慮其差異性，分析方法可在本文所述基礎上再按照實際情況分析計算，且要滿足船級社規范及相關法規。

綜上所述，鉆臺是自升式鉆井平臺鉆井包中重要結構，本文通過對其結構強度分析方法進行探究，所得結果滿足工程計算要求，并可為鉆臺結構設計的安全可靠性提供依據。

［1］趙建亭.自升式鉆井平臺的發展與前景［J］.中國海洋平臺，2008(04):8-14.

［2］ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit［S］.2008.

［3］李潤培，王志農.海洋平臺強度分析［M］.上海:上海交通大學出版社，1992.

［4］潘 斌.海洋自升式移動平臺設計與研究［M］.上海:上海交通大學出版社，2008.