某自升式平臺結構性能分析與評估

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(青島遠洋船員職業學院 船舶與海洋工程系，山東 青島 266071)

1 自升式平臺概況

懸臂梁式自升式鉆井平臺因作業效率高、井架活動范圍大及每次插樁作業鉆井數量多而在世界范圍內得到了廣泛應用。因平臺上鋼梁可在滑軌上移動并連同鉆臺及井架一起伸向平臺尾端舷外，因此懸臂梁的載荷受強度的限制比較大，在樁腿強度、升降機構、樁靴和海底連接剛度上有較高要求[1-2]。

以大連中遠船務工程有限公司為新加坡“Jasper”公司建造的懸臂梁自升式平臺為計算對象。該平臺由美國LeTourneau公司進行基本設計，入級ABS，主船體為三角形，按“艏一艉二”配置三套桁架式樁腿，每根樁腿弦桿一套升降裝置，采用電動齒輪式；全船共9套鎖緊系統，在拖航、作業及自存工況時能將樁腿弦桿齒條板鎖死；樁靴為六邊形，拖航時可收回船底。根據船東提供的技術規格書，平臺的作業環境條件及參數見表1。

2 計算分析

2.1 船體的模擬

總體分析中船體結構僅作為載荷施加單元，不考慮船體結構強度，所以將船體作為板架處理，保證面積與實際船體面積一致，建立如圖1所示的有限元模型，所有結構由梁單元模擬。

表1 環境條件及作業參數

圖1 有限元模型

2.2 樁腿的模擬

本平臺樁腿為桁架式樁腿，樁腿弦桿為齒條板與圓管的組合結構，截面見圖2，樁腿尺寸見表2。

圖2 樁腿截面結構

弦桿上端與船體通過鎖緊系統剛性連接，下端通過樁靴與海床彈性支撐，水動力系數CD、CM由ABS規范查得。樁腿弦桿的剖面特性見表3。

表2 樁腿桿件尺寸

表3 樁腿弦桿特性

2.3 樁腿與船體之間的連接剛度

平臺處于作業工況和自存工況下時，樁腿被鎖緊系統鎖死，在充分考慮鎖緊系統和樁腿剛度條件下，用彈簧連接模擬要優于使用固定端約束模擬，其彈簧的剛度系數計算如下。

(1)

式中：Kry,Krz,KV——船體與樁腿連接的y、z方向扭轉剛度系數及垂向位移剛度系數；

A——樁腿截面面積；

KV_fix——鎖緊系統的垂向位移剛度系數，可由鎖緊系統實際結構形式計算得到；

Kry_fix,Krz_fix,Kry_leg,Krz_leg——鎖緊系統和樁腿的扭轉剛度系數，可分別計算如下[3]。

Kry_fix=3EIleg_y/L1,Krz_fix=3EIleg_z/L1

Kry_leg=3EIleg_y/L2,Krz_leg=3EIleg_z/L2

(2)

式中:Ileg_y,Ileg_Z——上、下導向結構間樁腿的截面慣性矩；

L1——鎖緊系統的垂向長度；

L2——下導向結構距離鎖緊系統的長度。樁腿與船體連接彈簧的剛度見表4。

表4 樁腿與船體連接彈簧剛度系數 (MNm·rad-1)

2.4 樁靴與海床連接剛度

根據移動平臺規范的規定，樁靴下端可按海底泥面以下3 m處鉸支處理，但這種處理忽略了海底基礎對樁靴下端的轉動約束，此時樁腿的彎矩全部集中于樁腿上端與船體的連接處。但實際上海底基礎對樁靴是有轉動約束的，這種約束使樁靴承受彎矩，從而使樁腿上端與船體連接處的彎矩減少。這個轉動約束可用一個轉動彈簧來表示，此轉動彈簧的剛度取決于海底土壤的特性，插樁深度和樁腳箱的形狀等，一般作為近似計算處理，其剛度系數可采用如下方法計算[4]。

K1=2GB(1-υ)

K2=16GB(1-υ)/(7-8υ)

K3=πGB3/180[3(1-υ)]

(3)

式中，K1——垂向剛度；

K2——水平剛度；

K3——扭轉剛度；

G——土壤剪切模量；

B——樁靴長度；

υ——土壤的泊松比。

平臺的中邊界條件彈簧剛度系數見表5。

表5 彈簧邊界剛度系數

2.5 環境載荷計算

環境載荷主要包括風、波浪及海流載荷。平臺設計時，通常按照最不利工況對平臺進行校核，即將三種環境載荷的入射方向定義為同一方向，此時對平臺造成的水平力和傾覆力矩最大，平臺的工況為最不利工況[5]。

1)風載荷。

p=0.613v2CHCS

(4)

式中：CH——高度系數，該平臺高度為149 m，CH=1.60；

CS——構件的形狀系數，對于圓柱型構件CS=0.5；

v——最大風速，根據表2，v=51.4 m/s。

由此得p=1 295.6 Pa。平臺最大受風面積取平臺側面，入射角度240°，有效面積為490 m2，因此平臺所受的最大水平風載為634.8 kN，造成的傾覆力矩為87,037.1 kN·m。風載荷加載到海洋平臺船體部分的受風面上。

2)波浪載荷。按照慣例，自升式平臺的樁腿是按小尺度結構來考慮的，使用莫里森公式計算其波浪力，計算出波浪載荷為12 375.9 kN，傾覆力矩為507 802 kN·m。波浪載荷加載到海平面附近的樁腿上。

3)海流載荷。

F=0.5KρV2A

(5)

式中：K——流力系數，通常取拖曳力系數的值。

最終海流載荷為10 236.9 kN，海流傾覆力矩為421 307 kN·m[6]。海流載荷加載到海平面以下的樁腿上。

3 計算結果分析

由于該平臺結構左右對稱，因此作用方向在平臺中取為180°～360°即可，每30°一個，共7個方向。將上述基本載荷組合可得到組合工況，主要可分為作業工況和自存工況。按表2所給環境條件進行有限元計算分析，將計算出的反力與部件的最大能力載荷相比，校核其安全性。

3.1 樁腿強度

按AISC校核樁腿的強度，樁腿弦桿作業工況下最大應力比(最大應力和許用應力之比)為0.74，位置為艏樁腿圍井下導向結構與樁腿交界處，環境載荷方向為300°入射；樁腿弦桿自存工況下最大應力比為0.99，位置為右后樁腿圍井下導向結構與樁腿交界處，環境載荷方向為240°入射。樁腿在平臺作業及自存工況下，所受最大應力均小于其材料的屈服極限，所以強度滿足要求。

3.2 鎖緊系統承載性能

鎖緊系統工作是否可靠將影響到整個平臺的安全，采用具有相當剛度的梁單元進行模擬，通過分析其受力大小，可校核鎖緊系統的承載能力，平臺在各種情況下鎖緊系統的校核情況見表6。

表6 鎖緊系統能力校核 MN

分析表6結果可知，鎖緊系統的名義載荷比值(即表6U.C.值)均小于1，因此鎖緊系統在作業和自存條件下可安全工作。

3.3 預壓載性能

三角形的自升式平臺一般是用壓載艙加載方法預壓，使3個樁腿同時承受船體的全部重量和壓載重量，這時船體相當于3點支撐，沒有扭曲變形問題。根據基本設計圖紙，該平臺預壓載時船體總重量為22 226 t，單樁的最大預壓載能力為78 MN。表7表明平臺具有較好的預壓載能力，能夠滿足給定環境條件下的預壓載要求。

表7 預壓載能力校核

3.4 樁靴承載性能

根據基本設計，本平臺樁靴的設計最大容許承載力為78 MN，表8中樁靴載荷比均小于1，表明樁靴強度滿足平臺站立工況要求。

表8 樁靴承載能力校核

3.5 抗傾穩性

平臺的抗傾力矩要考慮平臺自重產生的回復力矩和海床在樁靴的吸附及摩擦力所產生的抗拔力矩，按ABS相關公約中規定，作業條件下，自升式平臺抗傾安全系數KS不應低于1.5；自存條件下不應低于1.3。平臺沿最危險的兩個方向的抗傾穩性結果見表9，平臺抗傾穩性滿足規范要求。

4 結束語

表9 抗傾穩性校核

以有限元模型計算分析該自升式平臺常見結構性能，因為工作環境較惡劣，其安全要求比我國沿海工作的平臺高。另外文中的計算過程忽略了海底基礎對樁靴的扭轉約束，在平臺服役期間遇到了文中涉及的相同外載，平臺實際的結構綜合性能要優于文中的計算結果，因此在校核平臺整體性能時，應更細致考慮外部約束和平臺結構的影響關系，提升校核的準確性。

[1] 汪張棠,趙建亭.自升式鉆井平臺在我國海洋油氣勘探開發中的應用和發展[J].船舶,2008(1):10-15.

[2] 吳 南，馮 帆.某自升式平臺升降系統結構強度評估[J].船海工程，2014，43(2)：144-145.

[3] 李紅濤,徐 捷，李 曄.自升式海洋平臺站立狀態下的性能分析[J].中國海洋平臺,2009,24(4):17-19.

[4] 王 鋼,孟祥偉,彭 曼,等.自升式平臺支撐升降系統結構設計與分析[J].機械設計,2011(7):13-15.

[5] 顧恩凱,黃維平,孫銘遠.自升式鉆井平臺傾斜試驗方法研究[J].中國造船,2011(S1):27-30.

[6] MSC.Overall Basic Design for Jack-up[M].Gusto MSC,2007.