自升式平臺大型設備底座結構強度分析

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(中海油能源發展股份有限公司,天津 300000)

自升式平臺在海洋石油開發中被廣泛應用，因作業需要，自升式平臺一般都配備很多大型設備，如主機、發電機、大功率泵、罐體，以及各類絞車。此類設備一般重量較大，需專門設計底座承載，且底座應位于船體甲板的桁材或加強處，以保證船體甲板強度。大型設備的底座強度分析是自升式平臺設計階段的重要研究內容[1-2]。自升式平臺的工況包括拖航工況和工作工況，一般來講，平臺拖航工況是此類底座結構設計的控制載荷工況[3]。自升式平臺在拖航狀態下，受水流流體阻力、波浪和氣流的復合作用，平臺體會產生橫向和縱向搖擺運動以及升沉運動。在平臺復雜的運動條件下，重型設備將產生較大的運動慣性力，易對平臺底座結構造成破壞，因此要求底座具有足夠的結構強度。為此，針對自升式平臺在拖航工況下底座結構強度可靠性，從原理和算例分析兩個步驟對平臺應急發電機底座結構強度進行分析。

1 計算原理

自升式平臺在橫搖、縱搖及計及升沉運動時，大型設備的水平、垂向加速度滿足如下公式[4]。

水平加速度(g)：

(1)

垂向加速度(g)：

(2)

式(1)為設備繞漂心搖擺產生慣性力的水平/垂向加速度分量；式(2)為由于傾斜，重力產生的水平/垂向加速度分量。

式中：T——平臺的搖擺周期；

rV、rH——設備質心距漂心的垂向、水平距離；

θ——平臺的橫傾或縱傾角。

式中考慮升沉為0.2g的加速度。

按中國船級社《海上移動平臺入級與建造規范》 自升式海洋平臺遷移工況可分為油田內遷移和遠洋遷移，以遠洋遷移為例，作用在設備底座上的力按如下確定：“按周期10 s，單邊橫搖擺幅15°或單邊縱搖擺幅10°時的作用力及平臺在相應傾角時重力作用力的120%求得”。因此利用式(1)和式(2)即可求得底座上的作用力。

梁構件的強度校核可按如下公式[5]，同時承受軸向拉伸和彎曲組合作用的構件，其計算應力應滿足如下公式。

(3)

式中：σa——計算軸向拉伸應力，N/mm2；

[σt]——許用拉伸/彎曲應力，N/mm2；

σby、σbz——構件關于橫截面y和z軸的計算彎曲應力，N/mm2。

同時承受軸向壓縮和彎曲組合作用的構件，其計算應力應滿足如下公式。

(4)

(5)

式中：σa——軸向壓縮應力取絕對值，N/mm2；

σby、σbz——構件關于橫截面y和z軸的計算彎曲應力，N/mm2，取絕對值；

[σa]——構件許用軸向壓縮應力，N/mm2；

[σby] 、[σbz]——構件關于橫截面y和z軸的許用彎曲壓縮應力，N/mm2；

Cm——計算彎矩作用平面內屈曲的等效彎矩系數;

其中：

(6)

式中：E——彈性模量，E=2.06×105N/mm2；

ly、lz——桿件關于橫剖面y和z軸的平面內無支撐長度，m；

ry、rz——桿件對應于ly、lz的橫剖面回轉慣性半徑,m；

Ky、Kz——桿件的有效長度系數，按計算長度ly、lz兩端的支持情況給出。

本工藝可滿足多領域應用，綜合性能指標優異，解決了金屬屋面在溫差大、長期曝曬、降雨、外力與形變等因素影響下多種材料伸縮變形不一致，薄弱部位更易產生滲漏水問題，延長了屋面的使用壽命，符合國家節能環保、安全防火政策，突顯其競爭優勢，具有廣闊的市場應用前景。

2 算例

以某平臺應急發電機底座為例，分析其結構強度是否滿足拖航工況要求。此設備總重9.5 t，底座位于14～23肋位強橫梁之間、距中縱剖面14.90 m的右舷3層生活樓甲板區域，結構形式為縱向延伸的T型結構，且中間有橫梁及肘板加強，見圖1。

圖1 底座結構示意

2.1 搖擺加速度

以遠洋拖航為例，按式(1)、(2)計算設備拖航狀態的運動加速度，計算結果見表1。

2.2 計算工況

此設備底座的計算工況可分為靜載工況、橫搖及升沉、縱搖及升沉3種分析工況。見表2。

表1 遠洋拖航運動應急發電機加速度

表2 載荷工況

注：W表示設備原來的重量。

2.3 分析方法

將發電機底座沿長度方向簡化為兩端鉸支的簡支梁，選取最為危險的一根底座梁作為研究對象。

2.3.1 靜載工況

把表2中的設備重量以及相應面積的甲板活載荷轉化為底座梁上的均布載荷，見圖2。

圖2 靜載工況

此種工況下，將表2中的橫搖動力彎矩轉化為作用于兩根底座梁的拉、壓力偶。選取受到向下作用力的梁作為分析對象，與表2中的設備重量、相應甲板活載荷疊加，轉化為梁上的均布載荷，如圖3所示。

圖3 橫搖及升沉工況

2.3.3 縱搖及升沉工況

此種工況下，將表2中的縱搖動力彎矩作用于底座梁或轉化為線性分布載荷，與表2中的設備重量、相應甲板活載荷疊加，載荷分布見圖4。

2.3.4 底座梁特性

底座梁剖面特性應計入帶板及甲板下縱骨對

圖4 縱搖及升沉工況

其的影響。算例的底座梁剖面見圖5。截面參數見表3。

圖5 底座梁剖面

軸向面積/cm2Y向剖面模數/cm3上邊下邊Z向剖面模數/cm3左邊右邊剪切面積/cm2Y向Z向93.871 52588420427352.8741

2.4 計算結果分析

將上述梁模型各個工況進行求解，得到應力并按公式(3)、(4)對其強度進行校核，計算結果見表4。

表4 底座梁強度校核結果

由表中計算結果可知，底座梁結構分析UC值都小于1，所以強度滿足規范要求。

3 結論

1)拖航工況作為設備底座設計的控制工況，拖航時產生的軸向及側向載荷可忽略不計，但產生的搖擺動力彎矩對底座結構強度影響較大；

2)算例中，平臺應急發電機底座結構最大彎曲應力和剪切應力均在規范要求范圍之內，能夠滿足復雜運動條件下的安全生產要求。

[1] 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.

[2] 陳 宏，李春詳.自升式鉆井平臺的發展綜述[J].中國海洋平臺,2007,22(6):4-5.

[3] 李紅濤，李 曄.自升式鉆井平臺結構強度分析研究[J].中國海洋平臺，2010,25(2)：28-33.

[4] 中國船級社.海上拖航指南[M].北京：人民交通出版社，1997.

[5] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范[M].北京：人民交通出版社，2005.