自升式平臺(tái)穿刺過(guò)程結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

張愛(ài)霞，段夢(mèng)蘭

(1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024;2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心，北京 102249)

自升式鉆井平臺(tái)是海上油田開(kāi)發(fā)的重要設(shè)備，可用于鉆井、修井、試油、試采等作業(yè)，由于其具有定位能力強(qiáng)、作業(yè)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在近海石油開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。但是由于海底地層的復(fù)雜性以及平臺(tái)操作過(guò)程中樁土作用的復(fù)雜性，給自升式鉆井平臺(tái)的作業(yè)安全帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，其中平臺(tái)穿刺是危害性最大的事故。輕者會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)損壞，影響正常作業(yè)計(jì)劃，耗費(fèi)大量的修理費(fèi)用;重者會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)傾覆，人員傷亡，造成重大事故(圖1)［1］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2000 ～2008年發(fā)生的自升式平臺(tái)穿刺事故中超過(guò)90%發(fā)生在亞洲［2］。2009年5月，中國(guó)某自升式鉆井平臺(tái)在南海海域準(zhǔn)備進(jìn)行預(yù)探井作業(yè)，一號(hào)樁發(fā)生穿刺，雖然沒(méi)有造成人員傷亡，但是樁腿上4根斜撐管和2 根水平撐管發(fā)生變形，所有齒條均磨損，最大受損長(zhǎng)度達(dá)20 m(圖2)［3-4］。

圖1 自升式平臺(tái)穿刺事故Fig.1 Punch-through accident of Jackup

圖2 穿刺后自升式平臺(tái)的樁腿損傷Fig.2 Jackup leg damage after punch-through

目前對(duì)自升式平臺(tái)穿刺的研究和相關(guān)規(guī)范主要集中在對(duì)“上硬下軟”地層極限承載力的計(jì)算及對(duì)平臺(tái)穿刺可能性的分析［5-6］，平臺(tái)發(fā)生穿刺后平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷的相關(guān)文獻(xiàn)較少。這里著重討論通過(guò)建立平臺(tái)穿刺有限元模型的方法，分析穿刺過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形，穿刺速度對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的影響以及預(yù)壓載的變化。

1 穿刺分析有限元模型的建立

1.1 平臺(tái)細(xì)化模型

圖3 目標(biāo)平臺(tái)船體及樁腿細(xì)化模型Fig.3 Detailed model of target platform's hull and leg

SNAME［7］中介紹了三種自升式平臺(tái)有限元模型的建立方法，即:1)細(xì)化模型;2)混合模型;3)等效模型。在混合模型或等效模型中，樁腿被部分或全部等效為一根直桿。這樣雖然可以減少計(jì)算成本，但是無(wú)法評(píng)估樁腿主弦管、斜撐、橫撐等部件的損傷。為了準(zhǔn)確分析穿刺對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，以國(guó)內(nèi)某典型自升式平臺(tái)為例，根據(jù)其建造圖紙，建立細(xì)化有限元模型(圖3)，并使用大型通用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行有限元分析。

1.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)平臺(tái)外板、底板、甲板、縱艙壁、橫艙壁及加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)按照相應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行了模擬，梁?jiǎn)卧捎肂31 單元，板單元采用S4R 單元。整個(gè)模型共有49 129 個(gè)節(jié)點(diǎn)，92 739 個(gè)單元。

1.3 固樁區(qū)模擬

一般使用非線性彈簧對(duì)固樁區(qū)進(jìn)行模擬。SNAME［7］及MSC 公司的設(shè)計(jì)規(guī)范［8］中提供了考慮所有固樁區(qū)接觸的等效彈簧剛度系數(shù)計(jì)算公式。但是在細(xì)化模型中，齒輪與其對(duì)應(yīng)的齒條上的某一齒接觸。因此，垂直、水平和扭轉(zhuǎn)三個(gè)方向上的等效彈簧剛度系數(shù)需要通過(guò)建立細(xì)化模型(圖4)的方法計(jì)算。

圖4 齒輪齒條接觸模型Fig.4 Contact model of rack and pinion

但是必須指出，圖4 中沒(méi)有考慮齒輪箱中一系列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度累加，而是將齒輪固定來(lái)模擬預(yù)壓載時(shí)齒輪箱處于鎖緊狀態(tài)。這三個(gè)方向的等效剛度可以按下列方程計(jì)算:

式中:Fx和Fy為沿X，Y 向的荷載;Mz為繞Z 軸的彎矩;Δx，Δ'x為施加X(jué) 向荷載前后齒輪末端端點(diǎn)的X 軸坐標(biāo);Δy，Δ'y為施加X(jué) 方向荷載前后齒輪末端端點(diǎn)的Y 軸坐標(biāo);θ'rz，θrz為施加繞Z 軸彎矩前后齒輪末端端點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。

在穿刺過(guò)程中，接觸荷載超過(guò)齒輪的極限支持能力后齒輪齒條會(huì)發(fā)生滑轉(zhuǎn)，此時(shí)假設(shè)平臺(tái)與船體之間的載荷不再通過(guò)齒輪齒條接觸傳遞。

式中:Fb為單個(gè)齒輪極限承載能力;Kv為齒輪齒條垂向剛度。

設(shè)xa，xb為相配合的齒輪和齒條上某一齒的等效節(jié)點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)向量。ez為垂向單位向量。則在運(yùn)動(dòng)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的垂向相對(duì)位置可以表示為:

當(dāng)Z ＞Zex時(shí)，即認(rèn)為此時(shí)齒輪齒條滑轉(zhuǎn)不再接觸。

分析時(shí)使用CONNECTOR 單元［9］模擬這一過(guò)程。CONNECTOR 單元可以通過(guò)定義六個(gè)自由度上的剛度系數(shù)，在兩節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移發(fā)生變化時(shí)，同時(shí)改變作用在兩節(jié)點(diǎn)上的相互作用力。另外，CONNECTOR 單元具有FAILURE 特性，在滿足公式(3)定義的失效條件后，CONNECTOR 單元將不再起作用，這一失效過(guò)程不可逆。

1.4 土體承載力模擬

取目標(biāo)平臺(tái)在某井位的作業(yè)為算例。對(duì)該井位的地質(zhì)調(diào)查顯示在泥面以下13 m 處有發(fā)生穿刺的可能。

穿刺發(fā)生后，穿刺樁腿的樁靴迅速下沉。穿刺過(guò)程中，土體回流及下層土對(duì)上層土承載力的影響可以忽略，所以對(duì)承載力的計(jì)算可以采用單層土承載力計(jì)算公式計(jì)算。由于目標(biāo)平臺(tái)為方形樁靴，承載力Pu采用考慮了樁靴形狀的修正公式計(jì)算［10］:

式中:c 為土體粘聚力，kPa;q 為地基上的超載，相當(dāng)于埋深的上部土重，kPa;B 為基礎(chǔ)寬度，m;γ 為土體有效容重。Nc，Nq，Nγ為無(wú)量綱承載力系數(shù)，其計(jì)算方法如下:

根據(jù)式(4)計(jì)算出在各深度土層的極限承載力，通過(guò)建立剛度系數(shù)隨深度變化的非線性彈簧模型模擬穿刺過(guò)程中穿刺樁腿所受土體垂向承載力的變化，橫向承載力采用SNAME5-5A［7］推薦的彈簧公式模擬。非穿刺樁腿的樁靴假設(shè)其保持不動(dòng)，用鉸接模擬。

圖5 平臺(tái)穿刺過(guò)程的模擬Fig.5 Simulation of Jackup punch-through process

2 穿刺過(guò)程的模擬

假設(shè)右舷樁腿為穿刺樁腿，在分析開(kāi)始時(shí)，其已經(jīng)刺穿上層硬土層，由于該樁腿分配的預(yù)壓載大于軟土層土體承載力，樁腿會(huì)繼續(xù)下沉(圖5)。Yukio Ueda的研究表明［11］，結(jié)構(gòu)的損壞集中在一個(gè)樁腿上。同時(shí)考慮到平臺(tái)的預(yù)壓載一般是在十分平和的海洋環(huán)境條件下進(jìn)行的，并且穿刺過(guò)程的時(shí)間極短，環(huán)境荷載的影響相對(duì)于其他荷載極小，所以在計(jì)算中將不考慮環(huán)境荷載的影響。

由于平臺(tái)的穿刺是運(yùn)動(dòng)過(guò)程，故采用動(dòng)力學(xué)直接求解法。模型中包括高度的非連續(xù)過(guò)程，如固樁區(qū)的復(fù)雜接觸，穿刺樁腿的幾何大變形，危險(xiǎn)區(qū)的塑性變形等，隱式求解法有可能失去二次收斂，并需要大量的迭代過(guò)程［12］。為了滿足平衡條件，需要減小時(shí)間增量的值，其求解時(shí)間增量值甚至可能與在顯式分析中的典型穩(wěn)定時(shí)間增量值在同一量級(jí)上，但是仍然承擔(dān)著隱式迭代的高昂求解成本，分析可能不收斂［13］。所以采用顯式法求解穿刺動(dòng)力學(xué)方程。

為了分析穿刺中平臺(tái)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)，綜合考慮計(jì)算成本，這里定義了三個(gè)計(jì)算工況:

1)工況1，1 s 穿刺2 m;

2)工況2，1 s 穿刺3 m;

3)工況3，1 s 穿刺5 m。

3 結(jié)果分析

3.1 樁腿形態(tài)

隨著平臺(tái)穿刺，樁腿下端土體約束與上端船體約束的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致樁腿逐漸彎曲，RP1 點(diǎn)與右側(cè)上導(dǎo)向板接觸，RP2 點(diǎn)與左側(cè)下導(dǎo)向板接觸(圖6)。由于齒輪齒條旋轉(zhuǎn)剛度的影響，穿刺樁腿附近船體向下彎曲(圖6)。

圖6 穿刺前后樁腿船體結(jié)構(gòu)形態(tài)變化Fig.6 Shape change of penetration leg and hull before and after punch-through

同時(shí)，隨著平臺(tái)船體的傾斜，非穿刺樁腿也開(kāi)始隨著平臺(tái)彎曲，其穿刺前后形態(tài)如圖7 所示。

圖7 穿刺前后非穿刺樁腿結(jié)構(gòu)形態(tài)變化Fig.7 Shape of non punch-through leg before and after punch-through

3.2 穿刺樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

平臺(tái)穿刺對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響與穿刺時(shí)間、當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件、穿刺深度等因素都有關(guān)系。這里首先假設(shè)穿刺時(shí)間固定，評(píng)估穿刺深度與樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。圖8 為在不同穿刺深度時(shí)穿刺樁腿主弦管A(即RP2 所在主弦管)上各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布，X 軸表示各節(jié)點(diǎn)到樁腿頂端的距離。

圖8 樁腿穿刺0.75 m、1.5 m、3 m、3.75 m 時(shí)，主弦管A 上各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布Fig.8 The curve of stress of every node on chord A with respect to its Z coordinate at the penetration depths 0.75 m，1.5 m，3 m，3.75 m

可以發(fā)現(xiàn)，在穿刺開(kāi)始時(shí)，由于樁靴的質(zhì)量相對(duì)更大，急速下沉的慣性力將首先造成樁腿與樁靴連接部位的應(yīng)力增大。隨著穿刺深度的增加，尤其是樁腿與導(dǎo)向板接觸后，上下導(dǎo)向板中間的部分樁腿應(yīng)力開(kāi)始增大，并最終首先破壞。

3.3 穿刺時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

穿刺速度決定了穿刺時(shí)慣性力的大小，直接影響平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化。這里分別以1 s 穿刺2 m，1 s 穿刺3 m 和1 s 穿刺5 m 為例分析穿刺速度對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。由上文分析可知，穿刺過(guò)程中樁腿的三個(gè)主要危險(xiǎn)區(qū)域分別是樁腿與樁靴接觸點(diǎn)C1，樁腿與上導(dǎo)向板的接觸點(diǎn)RP1 以及樁腿與下導(dǎo)向板的接觸點(diǎn)RP2。圖9 比較了在三種穿刺速度下，這三個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力變化，圖中橫坐標(biāo)為穿刺深度。

圖9 三種工況下C1、RP1 及RP2 點(diǎn)的穿刺深度-應(yīng)力曲線Fig.9 The curve of penetration depth D with respect to stress of C1，RP1 and RP2 penetrating 2 m

隨著穿刺速度的增加，平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)損傷速度是加快的;較快的穿刺速度使樁靴的慣性力更大，因而對(duì)樁靴與樁腿的連接處C1 的影響最大。但是當(dāng)穿刺速度為1 s 2 m 時(shí)，這種慣性力的影響減弱了很多。另外穿刺速度對(duì)RP2 點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響比RP1 點(diǎn)處大，這是因?yàn)镽P2 點(diǎn)離海床更近。

3.4 預(yù)壓載變化

根據(jù)模型，穿刺前平臺(tái)船體重心在(-18.1，-0.062 8，4.31)，各樁腿預(yù)壓載相等，均等于平臺(tái)總重的1/3。目標(biāo)平臺(tái)的設(shè)計(jì)單樁預(yù)壓載為35 MN。但是隨著穿刺，平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，取船體在各工況下穿刺后三個(gè)頂點(diǎn)在豎直方向上的位移變化說(shuō)明，如表1。

表1 穿刺后船體形態(tài)變化Tab.1 Configuration change of hull after punch-through

可見(jiàn)平臺(tái)船體重心改變，平臺(tái)重力在各樁腿上的分布不再均等。平臺(tái)預(yù)壓載將不再是由各樁腿平均分配［14］。樁腿在土體中出現(xiàn)一個(gè)較小的滑移時(shí)，船體重心隨之改變，穿刺樁腿上的預(yù)壓載將很快得到額外的增量。穿刺速度越快，這種情況越嚴(yán)重。但是如果平臺(tái)傾斜入水，平臺(tái)將獲得額外的浮力，穿刺樁腿上的穿刺荷載隨之減小。這樣樁腿的穿刺荷載與預(yù)先的設(shè)計(jì)預(yù)壓載不一致，這是導(dǎo)致預(yù)估穿刺深度與實(shí)際穿刺深度不一致的原因之一。

4 減輕穿刺損失的措施

由上文的分析可知，穿刺會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成巨大的損害。為盡量減少穿刺事故帶來(lái)的損失，平臺(tái)建造者和操作者可以考慮以下兩種措施:

1)主動(dòng)刺穿［15］。在容易發(fā)生穿刺的區(qū)域，通過(guò)提高平臺(tái)預(yù)壓載的方式主動(dòng)刺穿硬土層，重新尋找穩(wěn)定的承載土層。但是這樣操作會(huì)使平臺(tái)插樁深度更大，有可能超出平臺(tái)的作業(yè)能力，因此在決策前應(yīng)仔細(xì)評(píng)估目標(biāo)井位的地質(zhì)條件。同時(shí)由于主動(dòng)刺穿后，土層承載力會(huì)突然降低，造成類似穿刺事故的效果，因此需要對(duì)樁腿形態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。目前國(guó)外先進(jìn)的自升式鉆井平臺(tái)都配備了RPD(rack phase difference)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［16］。

2)減小氣隙進(jìn)行單樁預(yù)壓載。分析表明穿刺時(shí)船體會(huì)向穿刺腿傾斜，如果此時(shí)氣隙較小，平臺(tái)可以很快傾斜入水。平臺(tái)獲得的浮力將有助于減緩穿刺速度，降低穿刺停止時(shí)的入泥深度，從而減少平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損傷。

5 結(jié) 語(yǔ)

在模型試驗(yàn)較為困難的條件下，通過(guò)有限元法研究平臺(tái)穿刺時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)不失為一種有益的嘗試。通過(guò)使用細(xì)化模型對(duì)穿刺事故中平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)導(dǎo)向板附近樁腿結(jié)構(gòu)最容易在穿刺中損壞;由于樁靴慣性力的影響，穿刺速度對(duì)與樁靴相連的樁腿結(jié)構(gòu)影響很大。同時(shí)由于穿刺過(guò)程中平臺(tái)向穿刺腿方向旋轉(zhuǎn)，預(yù)壓載開(kāi)始向穿刺腿集中。為減少穿刺對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，可以考慮主動(dòng)刺穿或減少氣隙進(jìn)行單樁預(yù)壓載，但是需要嚴(yán)格控制刺穿深度。

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