桁架自升式鉆井平臺(tái)拔樁過程動(dòng)力學(xué)分析

侯勇俊，曾 蓮

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）①

桁架自升式鉆井平臺(tái)拔樁過程動(dòng)力學(xué)分析

侯勇俊，曾 蓮

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）①

在自升式鉆井平臺(tái)拔樁過程中，樁腿受力大，尤其是桁架結(jié)構(gòu)的樁腿，不能忽略其彈性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)造成的影響。以桁架自升式鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)拔樁過程中平臺(tái)主要受力的簡化及模擬方法進(jìn)行了闡述。建立了包括升降系統(tǒng)、桁架樁腿及船體在內(nèi)的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型。利用A D A M S軟件對(duì)該平臺(tái)的拔樁過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，得到了以不同降船速度拔樁時(shí)，桁架樁腿分別設(shè)置為剛體和柔性體時(shí)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及振動(dòng)特性，得出了考慮樁腿彈性對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響。為以后自升式鉆井平臺(tái)樁腿及升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其動(dòng)力學(xué)分析提供參考。

自升式鉆井平臺(tái)；升降系統(tǒng)；拔樁過程；動(dòng)力學(xué)模擬

自升式鉆井平臺(tái)屬于海上移動(dòng)式平臺(tái)，由于其具有良好的適應(yīng)性和移動(dòng)性，在大陸架海域的油氣勘探開發(fā)中占常用移動(dòng)式平臺(tái)的2／3［1］。自升式鉆井平臺(tái)主要由駁船形船體（平臺(tái)）、數(shù)個(gè)可升降的樁腿、升降機(jī)構(gòu)、鉆井裝置等組成［2］。樁腿及其升降系統(tǒng)作為自升式平臺(tái)中的關(guān)鍵部分及重要的承載部件，在多種工況下都必須支撐船體及相關(guān)設(shè)備，并承擔(dān)外載荷，長時(shí)間處于承受重載的狀態(tài)，因此其安全性是關(guān)系整個(gè)平臺(tái)安全的重要因素。

當(dāng)平臺(tái)完成鉆井任務(wù)后，需將平臺(tái)降至海面，拔起樁腿，將平臺(tái)拖航到下一個(gè)井位繼續(xù)作業(yè)［3］。對(duì)于帶樁靴的自升式平臺(tái)，拔樁作業(yè)是難度大，危險(xiǎn)性高，且作業(yè)時(shí)間較長的一個(gè)環(huán)節(jié)。在拔樁過程中，隨著平臺(tái)吃水深度的不斷變化以及樁腿逐漸拔出泥層，樁腿的受力也在不斷發(fā)生變化，此時(shí)樁腿易發(fā)生損壞，進(jìn)而易導(dǎo)致平臺(tái)傾覆等事故的發(fā)生。當(dāng)樁腿底部拔出地層后，由于突然失去阻力，平臺(tái)會(huì)在海面上下振動(dòng)。本文利用A N S Y S和A D A M S軟件建立了包括平臺(tái)主體、樁腿及傳動(dòng)裝置等在內(nèi)的平臺(tái)拔樁動(dòng)力學(xué)分析模型，分別將樁腿考慮為剛體和柔性體，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，研究的結(jié)果對(duì)樁腿及升降裝置的設(shè)計(jì)有重要的參考意義。

1 平臺(tái)模型的建立

1.1 樁腿模型

桁架式樁腿由弦桿、水平桿及斜撐組成。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，在A N S Y S W orkbench軟件中建立樁腿模型（如圖1）。在樁腿需要添加運(yùn)動(dòng)副的地方設(shè)置剛性節(jié)點(diǎn)，利用A N S Y S軟件分析并生成樁腿的模態(tài)中性文件，導(dǎo)入A D A M S軟件。

圖1 樁腿模型

1.2 傳動(dòng)裝置模型

平臺(tái)采用減速器帶動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)，每根弦桿配備4套升降裝置。按平臺(tái)質(zhì)量10 597.261 t對(duì)升降裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。在Pro／E中建立傳動(dòng)部分三維模型（圖2），導(dǎo)入A D A M S軟件。在A D A M S中添加約束及運(yùn)動(dòng)副等，使其按傳動(dòng)比正常轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)楹Ｑ笃脚_(tái)工作環(huán)境較差且安全要求高，故選用Y B2-W F2戶外防強(qiáng)腐蝕系列隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Y B315 M-8。電動(dòng)機(jī)的選用及傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算過程在此不再贅述。

圖2 傳動(dòng)部分三維模型

1.3 平臺(tái)模型

根據(jù)實(shí)際圖紙?jiān)贏 D A M S中建立平臺(tái)船體模型，船體型深9.4 m，長70.2 m，寬72 m。將樁腿及傳動(dòng)裝置模型一并導(dǎo)入A D A M S與船體一起裝配成為平臺(tái)整體仿真模型（如圖3～4），并施加必要的約束和驅(qū)動(dòng)。?

圖3 平臺(tái)整體模型

圖4 傳動(dòng)裝置與樁腿連接處

2 平臺(tái)受力的施加

由于桁架樁腿是透空式的，所受風(fēng)浪作用面積小，且因拔樁過程危險(xiǎn)性高，因而會(huì)選擇海流風(fēng)浪環(huán)境較好的情況進(jìn)行拔樁作業(yè)。所以在拔樁過程中平臺(tái)在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)速度及受力均遠(yuǎn)大于在水平方向上的海流風(fēng)浪等造成的受力，因此，本文在仿真過程中主要考慮平臺(tái)豎直方向上的受力及振動(dòng)。

當(dāng)平臺(tái)吃水達(dá)到拖航吃水時(shí)，繼續(xù)增加平臺(tái)吃水，即進(jìn)入拔樁過程。拔樁力主要來源于平臺(tái)自身的浮力。拔樁過程中，在垂直方向向上，自升式平臺(tái)受到的力主要有平臺(tái)船體的浮力和樁腿、樁靴的浮力；在垂直方向向下，自升式平臺(tái)受到的力主要有樁腿和樁靴的重力、樁靴底部的吸附力、樁靴側(cè)面的摩擦力和樁靴上部的覆土壓力。

2.1 浮力的施加

根據(jù)阿基米德原理，平臺(tái)所受浮力與其入水深度成正比：

式中：F為平臺(tái)所受浮力，N；ρ為海水密度，取ρ＝1.025×103kg／m3；g為重力加速度，g＝9.8 m／s2；As為平臺(tái)面積，m2；h為平臺(tái)吃水深度，m。

(1)燃?xì)廨啓C(jī)屬于旋轉(zhuǎn)葉輪式流體機(jī)械，通過壓氣機(jī)將空氣逐級(jí)增壓，送到燃燒室與噴入的燃?xì)饣旌先紵筛邷馗邏旱臍怏w，并在透平中膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其發(fā)電效率約20～38%。采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，將燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣引入余熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)后，發(fā)電效率可提高到約50%。燃?xì)廨啓C(jī)的余熱形式為煙氣，煙氣溫度400～650℃。余熱利用可考慮回收煙氣用來制冷，煙氣也可以進(jìn)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽再供熱或制冷。

浮力應(yīng)為作用于平臺(tái)底部的面力，在此，將浮力簡化為3個(gè)豎直向上的集中力，分別作用于平臺(tái)與樁腿連接處。

2.2 拔樁阻力的簡化

拔樁阻力不僅與樁靴所處的入泥狀態(tài)、泥土的性質(zhì)、覆土狀態(tài)和樁靴的形狀尺寸有關(guān)，還與回填覆土的厚度和固結(jié)強(qiáng)度有關(guān)。因此，拔樁阻力的主要影響因素是泥土性質(zhì)和樁靴的形狀尺寸。但平臺(tái)所具備的最大拔樁力取決于平臺(tái)的儲(chǔ)備浮力，平臺(tái)儲(chǔ)備浮力約為平臺(tái)自重力的50%～80%［4］。在此，以最大拔樁阻力值進(jìn)行計(jì)算。

由于樁腿未拔起時(shí)，樁腿重力由海底承受，平臺(tái)升降載荷不考慮樁腿重力，但在樁腿即將拔起的臨界點(diǎn)時(shí)，除海底對(duì)樁靴的吸附力等阻力外，樁腿重力也是拔樁阻力的一部分。因此，計(jì)算底部樁靴阻力時(shí)，應(yīng)減去樁腿重力。

式中：f1為拔樁阻力，N；G1為平臺(tái)重力，N；G2為單樁腿重力，N。

在此，將拔樁阻力簡化為9個(gè)豎直向下的集中力作用于樁腿的9根弦桿底部。

2.3 海水阻力的簡化

樁腿拔起后，平臺(tái)在上浮及振動(dòng)的過程中受到海水阻力，空氣阻力的作用，使其振幅逐漸減小最終達(dá)到平穩(wěn)。由于空氣阻力影響較小，在此忽略其影響。物體在水中運(yùn)動(dòng)所受到的阻力主要為粘滯阻力、壓差阻力及興波阻力。平臺(tái)振動(dòng)過程中受到的阻力主要考慮為由樁靴的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓差阻力。

將阻力簡化為9個(gè)集中力作用于樁腿的9根弦桿中段。

3 仿真設(shè)置

給每套傳動(dòng)裝置施加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，輸出小齒輪與弦桿設(shè)置為齒輪齒條副，使傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)平臺(tái)或樁腿上下移動(dòng)。

將平臺(tái)開始吃水時(shí)刻作為仿真開始時(shí)刻。當(dāng)吃水產(chǎn)生的浮力等于平臺(tái)自重力之后，平臺(tái)繼續(xù)下降，此時(shí)多余的浮力用來提供拔樁力。當(dāng)拔樁力達(dá)到最大拔樁阻力時(shí)，樁腿拔活，拔樁阻力在一定時(shí)間內(nèi)降為0，平臺(tái)上浮并振動(dòng)。

3.1 樁基互作用模擬

拔樁過程中，樁腳與巖土之間的互作用過程極為復(fù)雜，已經(jīng)有相關(guān)文獻(xiàn)［7-8］對(duì)這一過程進(jìn)行了研究。本文用A D A M S中的虛擬傳感器來模擬巖土對(duì)樁腳的作用力。仿真時(shí)通過在A D A M S環(huán)境中設(shè)置的2個(gè)傳感器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制。

在樁腿未拔活的狀態(tài)下，樁腿固定不動(dòng)，平臺(tái)在升降裝置的作用下勻速下降，此過程是依靠在樁腿底部設(shè)置與大地之間的固定副來實(shí)現(xiàn)的。樁腿最終要被拔起并隨平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，即樁腿不能一直固定于大地，需在A D A M S中設(shè)置一個(gè)虛擬傳感器（傳感器1）來控制樁腿底部的固定副。另外，在實(shí)際情況中，樁腿拔活時(shí)底部的拔樁阻力并不是突然消失的，若僅使固定副失效則達(dá)不到這一要求。因此需同時(shí)在樁腿底部施加一拔樁阻力，其表達(dá)式為減函數(shù)，使拔樁阻力在一定時(shí)間內(nèi)逐漸降為0。傳感器1的作用為當(dāng)檢測到平臺(tái)拔樁力達(dá)到最大拔樁阻力值時(shí)，使樁腿底部的固定副失效，同時(shí)激活拔樁阻力。當(dāng)拔樁阻力降為0時(shí)，需要另一虛擬傳感器（傳感器2）使拔樁阻力失效。此后平臺(tái)在浮力、重力及海水阻力的共同作用下運(yùn)動(dòng)。

3.2 力的函數(shù)

在A D A M S中對(duì)平臺(tái)施加受力如下：

Z方向?yàn)槠脚_(tái)升降方向，正Z方向平臺(tái)下降。D Z（P A R T.cm）為平臺(tái)重心在Z方向的坐標(biāo)，6為平臺(tái)重心初始位置，V Z為樁腿在Z方向的運(yùn)動(dòng)速度。

3.3 腳本仿真

由于運(yùn)動(dòng)過程涉及到外部信息判斷及運(yùn)動(dòng)控制，所以采用腳本控制的方法進(jìn)行仿真。A D A M S提供了3種類型的仿真腳本，文章采用A D A M S／Solver類型，它是由A D A M S／Solver命令組成的仿真腳本，可以在仿真過程中改變樣機(jī)模型或A DA M S／Solver設(shè)置。仿真腳本命令語句如下：

4 仿真結(jié)果

4.1 剛體分析結(jié)果

樁腿設(shè)置為剛性體，平臺(tái)降船速度分別為0.35 m／min和0.45 m／min時(shí)，對(duì)拔樁過程進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5～10。平臺(tái)初始位置在6 m處，仿真開始后平臺(tái)在傳動(dòng)裝置作用下勻速向下運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)速度為0.45 m／min時(shí)，在約800 s時(shí)樁腿拔起，平臺(tái)速度為0.35 m／min時(shí)，在約1 028 s時(shí)樁腿拔起。樁腿拔起后，平臺(tái)在浮力的作用下快速上升，之后在平衡位置（約10.4 m）附近振動(dòng)；樁腿拔起時(shí)阻力迅速消失，速度出現(xiàn)瞬時(shí)最大值后開始振動(dòng)；平臺(tái)吃水下降浮力逐漸平衡重力，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸減小，轉(zhuǎn)矩為0時(shí)浮力等于重力，平臺(tái)繼續(xù)下降，浮力大于重力部分提供拔樁力，轉(zhuǎn)矩反向增加直至樁腿拔起，之后隨著平臺(tái)的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩也產(chǎn)生振動(dòng)。各項(xiàng)振動(dòng)參數(shù)都在海水阻力的作用下振幅逐漸減小。

圖5 0.45 m／min平臺(tái)位置曲線

圖6 0.35 m／min平臺(tái)位置曲線

圖7 0.45 m／min平臺(tái)速度曲線

圖8 0.35 m／min平臺(tái)速度曲線

圖9 0.45 m／min電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

圖10 0.35 m／min電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

4.2 柔體分析結(jié)果

樁腿設(shè)置為柔性體，平臺(tái)降船速度分別為0.35 m／min和0.45 m／min時(shí)，對(duì)拔樁過程進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖11～16。從圖中可以看出，由于樁腿設(shè)置為柔性體，平臺(tái)位置、速度及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線在開始階段均產(chǎn)生振動(dòng)，之后逐漸趨于平穩(wěn)。

圖11 0.45 m／min平臺(tái)位置曲線

圖12 0.35 m／min平臺(tái)位置曲線

圖13 0.45 m／min平臺(tái)速度曲線

圖14 0.35 m／min平臺(tái)速度曲線

圖15 0.45 m／min電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

圖16 0.35 m／min電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

4.3 剛-柔分析結(jié)果對(duì)比

1） 平臺(tái)位置的波動(dòng) 仿真開始后剛體模型勻速平穩(wěn)下降，柔體模型產(chǎn)生微小振動(dòng)，并逐漸趨于平穩(wěn)。樁腿拔起后，剛體模型、柔體模型的振動(dòng)平衡位置基本一致（約10.4 m處）。剛體模型振幅約為9.94～10.9 m，柔體模型振幅約為10.18～10.66 m。

2） 平臺(tái)速度的波動(dòng) 剛體模型的速度在樁腿拔起前保持恒定，柔體模型的速度在開始階段出現(xiàn)振動(dòng)并且振幅逐漸減小進(jìn)而穩(wěn)定為恒速。樁腿拔起后，剛體模型振幅約為±0.67 m／s，柔體模型振幅約為±0.365 m／s。

3） 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng) 柔體模型中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在仿真開始階段產(chǎn)生振動(dòng)，并逐漸趨于平穩(wěn)。剛體模型中振幅為-68.53～-46.85 N·m，柔體模型中振幅為-147.55～-104.2 N·m，柔體模型中仿真開始時(shí)振動(dòng)較大，最大值約為868.5 N·m，在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1） 使用A D A M S軟件對(duì)自升式鉆井平臺(tái)拔樁過程進(jìn)行了仿真分析，很好地模擬出了拔樁過程中平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及振動(dòng)情況，為進(jìn)一步研究海洋平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性提供了新的方法。

2） 實(shí)現(xiàn)了在A D A M S環(huán)境下對(duì)平臺(tái)整體受力及邊界條件的簡化處理，尤其是通過設(shè)置虛擬傳感器實(shí)現(xiàn)了巖土對(duì)樁腳作用力的模擬仿真，為在A D A M S環(huán)境下簡化模擬海洋平臺(tái)復(fù)雜的樁基互作用提供了新方法。

3） 模擬結(jié)果表明：樁腿作為柔體考慮時(shí)，各項(xiàng)測量曲線在仿真初期均出現(xiàn)振動(dòng)，并隨時(shí)間逐漸趨于平穩(wěn)。另外，將樁腿作為柔體考慮時(shí)，樁腿拔起后平臺(tái)各參數(shù)產(chǎn)生的振動(dòng)的振幅均小于樁腿作為剛體考慮時(shí)的振幅，這是由于在仿真分析過程中，樁腿作為剛體計(jì)算時(shí)未考慮桁架結(jié)構(gòu)因受力而產(chǎn)生的彈性變形對(duì)模型運(yùn)動(dòng)的影響。各項(xiàng)振動(dòng)的真實(shí)曲線應(yīng)該是由平臺(tái)在水中的上下振動(dòng)及樁腿的彈性振動(dòng)這2個(gè)頻率的振動(dòng)疊加而成。因此，把樁腿設(shè)置為柔性體得出的仿真結(jié)果更接近于現(xiàn)場實(shí)際情況，將其計(jì)算結(jié)果作為參考更為準(zhǔn)確。

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Dynamic Analysis of Truss Jack-Up Platform during Pile Pulling Process

H O U Y ong-jun，ZE N G Lian
（College of Electromechanical Engineering，South west Petroleu m University，Chengdu610500，China）

Legs are under great force during the pile pulling process ofjack-up platform，the im pact on platform system caused by its flexibility cannot be ignored especially on the truss structure legs.The truss jack-up platform was taken as the study object to elaborate the way of sim plifying and sim ulating the main force on the jack-up platform during the pile pulling process and to build the dynamic m odel of jack-up platform including the lift system，truss legs and the hull.Dyna mic sim ulation of platform’s pile pulling process by A D A M S software was carried out，the m ovements and vibration characteristics of the platform were got w hen the platform was under different velocities and the legs were set as rigid or flexible body.T he influences on platform was got w hen consider the flexibility of truss legs.T he im portant references are provided for the future design of the legs and lifting system of the jack-up platform.

jack-up platform；lift system；pile pulling process；dyna mic sim ulation

T E951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.008

1001-3482（2014）08-0037-06

2014-02-24

侯勇俊（1967-），男，四川鹽亭人，教授，博士，主要研究方向?yàn)槭偷V場機(jī)械、機(jī)械動(dòng)力學(xué)，E-mail：hyj2643446＠126.co m。