某自升式平臺升降系統結構強度評估

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(中海油能源發展股份有限公司監督監理技術分公司，天津 300452)

升降系統是自升式平臺的核心裝備，它的主要功能是，當自升式平臺到達井位時，通過升降系統把平臺船體升離水面，為海上作業做好準備。作業結束后，把船體降回水面，升起樁腿及沉墊，使平臺重新恢復成漂浮狀態，準備拖航至下一個井位作業[1]。渤海自立號升降裝置為液壓缸插銷形式，平臺上千噸的重量，通過升降裝置傳遞給樁腿及沉墊，對其結構強度進行評估至關重要[2]。

1 計算依據

1.1 平臺船體參數

平臺主尺度長、寬及型深分別為51.816、32.614和4.267 m;

沉墊尺度長、寬及型深分別為51.816、40.234和3.358 m;

空船重量為6 698.898 t(包括沉墊、樁腿及永久壓載水);

主船體重量為2 805 t;

樁腿為共4條樁腿，樁腿為圓柱銷孔形式，直徑1.829 m，長度52.73 m。

1.2 升降系統參數

渤海自立號平臺每套升降系統均由4個液壓缸、一套可活動環梁、2個液壓泵組成。根據原始平臺操作手冊，升降系統的組成和能力如下[3]。

1)每樁。1 套活動環梁： 10′-11-1/2″ OD×6′-5-1/2″ ID ×3′- 6″；4 個移動環梁插銷： 2′-11″× 12″×9″；4 個固定插銷： 2′-11″×12″×9″。

2)液壓缸 (每樁)。 4 個液壓缸： 18″(內徑)×7″(活塞)，行程64″。

設計頂升能力(每樁)。1 179.4 t。

工作頂升能力(每樁)。780.2 t。

3)液壓泵 (每樁)。2 個液壓泵：每個37 kW(50 HP)。

平均起升速度。約每分鐘6″。

1.3 規范要求

升降系統結構評估的依據是中國船級社的《海上移動平臺入級規范(2012)》[4]，此外，還參考了DNV和API的相關規范要求[5-6]。

2 有限元模型

2.1 單元選擇

模型中主要用到兩類單元。

1)各向同性板單元, 三角形或四邊形, 用來模擬甲板、底板、舷側、艙壁和強橫梁等結構，以及活動環梁結構。

2)線性梁單元用以模擬樁腿和加強筋。液壓缸和活塞模擬為圓柱桿件，用以傳力。

2.2 分析模型

評估中使用了子單元技術，一個子單元用來模擬活動環梁，另外一個用來模擬升船室和甲板延伸部分。組合模型見圖1。

2.3 坐標系統

整體坐標系統為x軸指向船艏，z軸垂直向上。構件局部坐標系參考總體坐標系統。

圖1 分析模型

2.4 材料

所有模擬構件均為鋼質，除模擬剛性連接的輔助構件外，楊氏模量:E=206 QPa；泊松比:υ=0.30。

2.5 載荷

系統起升載荷直接加載到活動環梁的孔邊，同時考慮模擬樁腿和環梁內壁間隙導致的附加彎矩的影響。載荷的大小根據升船工況下的最大船體重量確定，根據平臺操作手冊，平臺起升工況平均載荷在每個腿上為769.125 t，比較1.2中所述的設計載荷，取大者780.2 t作為初始輸入，校核相關結構。然后，以該載荷為基礎，逐步增加提升力，找出結構允許的升降操作最大提升力。

2.6 邊界條件

沿模型邊界節點的所有6個自由度均設為固定，具體邊界設置參考圖2。

圖2 邊界條件

3 分析結果

基本工況下的有限元分析由SESAM程序求解。

3.1 基本工況

通過在工作載荷下運行結構分析，發現所有的結構應力均小于許用應力；最大應力為144.459 MPa,小于許用應力164 MPa，最大應力出現在液壓缸耳板根部的艙壁頂端?？傮w應力分布情況和出現較大應力處的局部情況見圖3。

圖3 應力分布示意

3.2 結構能力研究

基于基本載荷工況，用載荷遞增的方法研究環梁和船體結構能力；根據進一步的分析得到結構允許的最大單樁起升力為約9 500 kN。

4 結束語

經過計算，渤海自立號平臺的升降系統結構強度滿足規范及使用要求，升降結構允許單樁最大起升能力約為9 500 kN。從分析的圖中可以找到受力最大位置是液壓缸耳板與主甲板連接處，此處在日常操作、檢驗中應予以重點關注。

[1] 彭洪軍，吳 建，劉 陽.海上自升式平臺電動升降裝置的研究[J].東北電力大學學報,2007,27(4),79-83.

[2] 黎劍波.自升式鉆井平臺升降裝置評估方法研究[J].石油礦場機械,2012,41(5),10-14.

[3] 中國船級社.渤海自立號操船手冊[R].北京：中國船級社質量認證公司，2011.

[4] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范[S]，北京：人民交通出版社，2012.

[5] DNV-OS-C201.Structural design of offshore units (WSD Method) [S].Norway,DET NORSKE VERITAS,October 2008.

[6]API RP 2A-WSD,Planning designing and constructing fixed offshore platforms [S] .Washington. API Publications,2002.