自升式鉆井平臺安全作業載荷動態效應的準靜態分析

顏波 宋林松 胡明蘭

中海油田服務股份有限公司

隨著我國及世界經濟的快速發展，對石油需求量的逐步提高，海洋油氣開發已處于越來越重要的地位，自升式鉆井平臺是近海油田開發的重要設備，可用于海洋石油的鉆井、修井、試油和試采等作業。我國自升式平臺作業范圍已從中國沿海擴展到了緬甸、印尼爪哇、澳大利亞西北大陸架、東帝汶、里海及墨西哥灣等海域，由于平臺作業向海外市場擴張，使得我國有限的平臺資源供需矛盾日漸凸顯。

根據美國內務部礦產資源管理機構（Minerals Management Service，MMS）和英國健康安全管理機構（HSE）所作的統計和研究結果［1－4］，自升式鉆井平臺在站立作業狀態下，惡劣的環境是影響平臺作業安全的主要因素之一，例如：墨西哥灣近年受到Andrew、Lili、Ivan、Katrina、Ritad等颶風的肆虐，至少造成6條自升式平臺沉沒，10多條平臺嚴重受損。因而隨之產生如何評估平臺作業性能與環境匹配性的問題。

1 平臺載荷動態效應的準靜態分析法

自升式平臺在站立狀態的受力情況可簡化成一種彈性振動體模型［5］，其固有振動頻率與平臺的結構、作業載荷和升船高度等因素有關，其承受的風、波、流等環境載荷是對平臺固有振動的一種激勵，即在平臺上附加一種慣性力。因此在計算平臺壓載量時既要計算平臺自身載荷，還要考慮風、波、流產生動態載荷。

計算平臺所受動態載荷一般采用準靜態分析法［6］，包括兩個步驟：①建立分析結構的等效有限元分析模型，以便進行動態載荷分析；②將動態載荷和風、波、流產生的橫向載荷代入有限元模型，分析結構安全性。在第二步中實際用靜態力代替波浪產生的動態響應，因此分析過程叫做準靜態分析，其流程［3］如圖1所示，由此可計算出平臺所承受的環境載荷總量。

1．1 動態放大系數

動態放大系數DAF（Dynamic Amplification Factor）是動態響應和靜態響應的比值，用于近似計算各種結構響應，如平臺的傾覆力矩、船體的橫向載荷／橫向位移等，一般DAF可用式（1）計算，對計算結果的精度要求比較嚴格時，可按SNAME 5－5A給出的時域或頻域隨機動態分析法計算［7］。平臺設計公司在設計時通常采用DAF的上限值，避免平臺固有頻率與波浪頻率接近時出現計算結果的歧變。

式中Tp為平臺自振周期，s；T為波浪周期，s；ζ為阻尼系數，一般取值0．05～0．07。

1．2 建立等效有限元模型

按照平臺船體結構圖建立等效有限元模型，一般包括4種單元：梁單元、管單元、浸沒管單元及質量單元［8］。梁單元主要用于模擬樁腿弦桿和船體主要承載結構；管單元用于模擬樁腿各種撐管；浸沒管單元用于模擬波流施加在樁腿的載荷；質量單元用于模擬平臺設備重量并按傾斜實驗數據調整平臺重心。

1．3 載荷計算方法

1．3．1 波流載荷計算

一般利用Stokes五階波理論和Morison公式計算海流和波浪對平臺樁腿的作用力。

1．3．2 模態分析和慣性載荷計算

按 ABS規范，采用SDOF（Single Degree of Freedom）單自由度法將平臺簡化成質量—彈簧—阻尼器系統，它是計算平臺動態載荷最簡單的一種方法，普遍用于鉆井平臺基本設計之中。因此，平臺受到的附加慣性載荷Fi可按式（2）計算：

式中FWmax、FWmin分別為波流力最大值和最小值。

1．3．3 風載荷計算

平臺基本設計給出了相對于平臺各方位的風載荷，將結果直接用于有限元計算。

1．3．4 二次彎曲效應

由于風浪流的作用，平臺沿作用力的方向產生重心橫向位移Δ距離，這種現象稱作二次彎曲，亦稱歐拉放大效應，即在平臺上施加了pΔ（p為平臺站立質量）的力矩。

1．4 平臺結構強度分析重點

自升式平臺需要進行結構強度分析［8－10］的內容至少應包括樁腿強度、升降鎖緊系統的承載性能、預壓載性能、樁靴承載性能、抗傾覆性能等，其中前3項指標的完整性系數UC（Unity Check）值應小于等于1；風暴自存時，平臺抗傾覆性能安全系數（OTM，Over Turning Moment）應大于1．3［11］。

2 模擬載荷計算案例

2．1 相關基礎數據

以現今主流的400Ft自升式JU2000E船型為基礎建立等效有限元模型，選取我國東海黃巖海域為模擬環境海區，平臺自身性能參數如表1所示，海區環境參數基本數據如表2所示。

表1 JU2000E船型平臺基礎數據表

表2 黃巖海域環境基礎數據表

對比表2中數據，得知該海域的最大浪高、表面和底部流速等環境參數數值已超過平臺操船手冊［12］規范的數值，因而在正常條件下，該型平臺不能在該海域進行生產作業。

2．2 環境載荷及彎矩

表3、4分別為平臺在該海域所受到各方向環境載荷、彎矩計算結果。

表3 平臺承受環境載荷計算結果表

表4 平臺承受環境彎矩計算結果表

2．3 結構完整性校核

平臺進行樁腿強度、升降鎖緊系統的承載性能、預壓載性能、樁靴承載性能的完整性系數校核，其結果如表5所示。

平臺各主結構的UC值大多小于等于1，符合規范要求，部分超標值均在各船級社UC值不大于1．05的許用范圍內。

2．4 抗傾覆性能安全系數校核

其校核結果如表6所示。

平臺抗傾覆性能安全系數（OTM）校核值大于1．3。

運用本文闡述方法進行綜合校核評估的結果：該型平臺可在該海域環境參數條件下進行生產作業。

表5 平臺完整性校核計算結果表

表6 平臺抗傾覆性能安全系數校核計算結果表

3 應用

技術成果在中海油田服務股份有限公司（以下簡稱COSL）16條國內作業平臺和11條海外作業平臺上成功應用，區域涉及中國沿海及海外作業區塊，相關作業者包括國內石油公司及道達爾、SPC、PEMAX、HUSKY等國外公司或合資公司，評估的準確性和作業的安全性幾乎達到100%，使COSL的作業安全率遠高于國內、國外同行業的水平。

1）中國沿海：包括黃海、南海的所有區域，主要應對臺灣海峽的海流、表層海床的鐵板砂及臺風影響。近年來，在東海南海都遇到了200年一遇的臺風，因此每年都要根據臺風和季風進行作業井位設計、平臺的作業窗口安排及平臺資源配置。

2）海外：海外作業中可能遇到各種作業者（甲方），有的作業者安全意識較弱，如要求平臺在霍爾木茲海峽這種流速極高的區域進行水檢作業。最終通過分析計算及與作業者的協商，選定流速較小的區域進行相關作業，既保持了與作業者良好的關系，又保證了平臺的安全。

4 結論

1）運用動態效應的準靜態分析法對鉆井平臺承受的環境載荷進行計算，并對其主要結構進行強度校核的方法，評估自升式鉆井平臺作業環境適用性能，是對現行規范相關章節的完善補充。

2）利用動態效應的準靜態分析法對自升式鉆井平臺進行作業環境適用性能評估，可以達到在風險可控條件下，擴大其作業適用范圍的目的。

3）截至目前，該項技術已在中國沿海及海外自升式鉆井平臺作業市場的進行了100余次應用檢驗，其評估結果的準確性和平臺作業的安全性均取得滿意效果。

［1］MMS．Post mortem failure assessment of MODUs during hurricane Lili［R］．Washington DC：US Minerals Management Service，2002．

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［3］MMS．Post mortem failure assessment of Jack－up MODUs during hurricanes Katrina ＆ Rita［R］．Washington DC：US Minerals Management Service，2005．

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［8］王建軍，宋林松，黎劍波，等．自升式平臺作業適應性分析［J］．船舶工程，2010，32（5）：63－66．WANG Jianjun，SONG Linsong，LI Jianbo，et al．Site specific adaptability analysis of jack－up platform［J］．Ship Engineering，2010，32（5）：63－66．

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