風暴條件下自升式平臺樁腿強度對節距敏感性分析研究

朱亞洲 孫承猛 王 凱 樊巖松 秦洪德 姜 濱

（1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱150001；2.中國石油集團渤海裝備 遼河重工有限公司 盤錦124010）

引 言

自升式平臺是當今海洋油氣開發的主流裝備，因其移動靈活，作業穩定、造價較低等優勢備受廣大鉆井承包商親睞［1］。目前自升式平臺作業水深基本集中在90 m以內，且以15 m為步長，基本覆蓋了76 m、90 m、107 m、122 m系列型號，上述型號已初步形成較為穩定的結構形式。近年來，為提升平臺經濟性，適應更細化水深要求的自升式平臺需求顯著，對新型號自升式平臺的設計提出新的挑戰。本文以114 m作業水深的自升式平臺為目標，對其樁腿結構單元節距設計技術進行研究，采用SESAM軟件，研究在風暴條件下的自升式平臺樁腿節距設計方法，為個性化平臺的設計提供技術參考。

1 環境載荷

環境參數是任何一座海洋結構物設計初始需要確定的外界輸入之一。本文以風暴環境條件為外界輸入，選取三種作業水深及其對應的氣隙和波高條件進行組合，假設浪向和風向一致，以0°、60°、90°、120°和180°風向和浪向進行計算，假設波浪周期不隨波高和水深變化，選取目標平臺作業海域的波浪周期統計數據15 s進行計算，具體參數見表1。

表1 風暴條件環境參數

1.1 風載荷計算

自升式平臺風載荷計算方法主要包括經驗公式法、數值模擬法和風洞試驗法［2-4］。經驗公式法計算簡單方便，但由于僅考慮構件高度系數和形狀系數對載荷的影響，并沒有計及構件之間遮蔽效應等因素的影響，導致風載荷計算結果偏大，結構設計偏于保守［5］。風洞試驗方法是公認的自升式鉆井平臺風載荷計算方法，試驗結果接近真實，較為可靠，但國內外關于此類問題研究較少［6］。數值模擬方法介于規范計算和風洞試驗兩者之間，基于CFD計算方法，完成風載荷計算，此方法計算結果對流場參數選取較為敏感，其經濟性較好［7］。

本研究采用在某國家重點試驗室模擬的我國A類地表自然流場的TJ-2風洞中按1/100縮尺比模型進行五分量測力試驗，對目標平臺在風暴條件下的風載荷進行測量，測試時參考高度href=10 m處風速為51.5 m/s（100 kn）的研究結果，每隔15°為偏角方位，模型在水平面內360°旋轉。

圖1 風洞模型

圖2 樁腿節距內參數化設計有限元模型

1.2 波流載荷計算

波浪載荷是自升式平臺僅次于風載荷的第二主控載荷，波浪載荷的計算首先需要確定選用適當的波浪理論，本文采用STOKES五階波理論得到波浪水質點運動的速度勢或者流函數［8-11］，進而得到水質點運動的速度和加速度，由于樁腿結構為小尺度結構型式，因此采用MORISON方程［12］計算波浪載荷。MORISON公式表達如下：

式中：η為瞬時波面高度，m；d為水深，m；Cd為水質點拖曳力系數；Cm為水質點慣性力系數；ρ為流體密度，kg/m3；D為柱體直徑，m；u為水質點運動速度，m/s。

海流速度受潮汐、涌和風等因素影響，根據平臺作業海域的不同，流速隨水深分布可按三角形分布或指數函數分布［13］。在進行環境載荷計算時，可將流速和波浪引起的水質點運動響應進行疊加，組合計算波流載荷。ABS的流速計算推薦公式［14］：

當z≤h時，Vc=Vt+Vs+Vw［（h-z）/h］；

當z＞h時，Vc=Vt+Vs

式中：Vt、Vs和Vw分別為潮汐、涌和風引起的流速，m/s；h為風對浪的作用深度，m；z為參考深度，m。

通過上述流速計算，同樣可以通過MORISON方程，給出流載荷計算公式：

式中：v為海流速度，m/s。

則可將波浪載荷和海流載荷結合在一起進行計算，統一到波流載荷計算公式中［13］：

本研究采用SESAM軟件的WAJAC模塊計算既定工況條件下的水動力載荷。

1.3 DAF效應

自升式平臺水動力放大系數的計算可采用時域分析、頻域分析和單自由度SDOF方法求解［15］。本研究將平臺系統簡化為單點質量-阻尼-彈簧系統，采用SDOF方法，求解平臺樁腿結構在水質點往復周期性外力作用下的水動力放大系數DAF。

式中：TN為平臺固有周期，s；T為波浪周期，s；ε為阻尼比，取0.07。當DAF≥1.05時，需要計及慣性載荷影響，慣性載荷計算公式如下：

式中：BSmax為最大波浪力；BSmin為最小波浪力。

通過SESAM軟件GeniE模塊進行特征值分析，得出不同節距條件下的平臺固有周期，進而可以得到DAF因子，結合最大和最小基底剪力，采用公式（4）和公式（5）計算，得到計及DAF效應的慣性載荷［16-17］。該方法可有效規避平臺固有周期與波浪周期接近引起的共振效應對平臺結構的影響。

1.4 P-△效應

對于大水深自升式平臺而言，較長的樁腿結構柔性特性顯著，在外載荷作用下，平臺主體結構發生橫向偏移，樁腿與主船體連接區域將產生較大的附加彎矩，導致樁腿截面出現二次應力作用，此種情況下傳統的線彈性小變形有限元程序分析方法已不再適用，一般采用大變形方法或幾何剛度法［16-17］。本研究采用幾何剛度法分析P-△效應，通過放大線彈性位移確定，公式如下所示：

式中：Δ為含P-△效應的近似位移，m；δs為主船體線彈性一階位移，m；P為單樁腿軸向載荷；PE為單樁腿歐拉屈曲載荷。

等效彎矩計算公式如下：

等效二次力的計算由下式得出：

式中：H為作用力至泥面的垂直高度，m。

2 有限元計算

采用SESAM軟件GeniE模塊建立自升式平臺有限元模型，對主船體結構縱橫艙壁采用等效截面梁的形式進行模擬，并以質量球的形式施加結構自重，樁腿弦管單元采用等效梁進行模擬，撐管單元以實際尺寸的梁單元進行模擬。

樁腿底部邊界條件依據規范取泥線下3.05 m處鉸支［16］。樁腿與主船體的連接模擬是樁腿弦管與圍阱區上、下導塊和鎖緊結構的三點連接，上下導塊只約束水平位移，鎖緊位置同時約束水平和豎直位移。

以114 m作業水深的自升式平臺為研究對象，型長68.15 m、型寬66.10 m、型深8.30 m、懸臂梁最大外伸21.4 m、樁腿長度155.57 m、平臺質心距外底板基線垂向高度10.779 m、空船質量12 564 t。

本文主要針對樁腿結構節距變化對強度的影響進行分析，表2為樁腿構件設計參數。

表2 樁腿構件設計尺寸表

結合主流平臺樁腿節距值，本研究對目標平臺樁腿節距分別取值為：7.090 m、7.485 m、7.935 m、8.420 m、8.980 m，不同節距型式下的樁腿質量估算如表3所示，采用參數化建模方法對上述五組節距形式下的樁腿在風暴環境條件下的承載能力進行評估，給出平臺樁腿節距設計最優方案，通過SESAM軟件模態分析得到的3種工況在不同節距型式下的平臺固有周期如表4所示［18］。

表3 不同節距對應的樁腿質量s

本研究采用的風載荷來自于風洞試驗結果，假設不考慮節距變化對風載荷影響，僅計及節距變化對平臺DAF因子影響，得出環境載荷如下：

表5 風暴環境條件下風載荷計算表（風洞試驗數據）

表6 計及DAF效應的環境載荷計算表（工況1）

續表6

表7 計及DAF效應的環境載荷計算表（工況2）

表8 計及DAF效應的環境載荷計算表（工況3）

續表8

圖3 工況1：波流載荷數據統計柱狀圖

圖4 工況1：P -△矩數據統計柱狀圖

圖5 工況2：波流載荷數據統計柱狀圖

圖6 工況2：P -△矩數據統計柱狀圖

圖7 工況3：波流載荷數據統計柱狀圖

圖8 工況3：P -△矩數據統計柱狀圖

3 結果分析

3.1 載荷比較分析

由表5-表8統計的載荷計算結果比較分析可知，隨著節距變大，波流載荷呈遞減趨勢，二次慣性矩隨節距變化趨勢平緩。

（1）在工況1條件下，波流載荷在樁腿節距7.485 m時，由于平臺固有周期接近波浪周期，如表4所示，導致水動力放大效應引起的慣性載荷顯著增大，同時引起P-△二次慣性矩跳躍式增加，不利于結構安全。因此，對本平臺而言選取7.485 m節距不安全。

（2）在工況2條件下，波流載荷隨節距增大呈逐級遞減趨勢，P-△二次慣性矩幾乎不受節距變化影響，僅對載荷方向變化較為敏感。因此，對本平臺而言在此工況下選取較大節距，載荷條件較優。

（3）在工況3條件下，節距取值7.485 m和7.935 m時，波流載荷逆勢小幅增大，P-△二次慣性矩受節距變化影響可以忽略不計。因此，對本平臺而言此工況下，基本驗證工況2下的波流載荷變化趨勢與節距的關系，即隨著節距變大，波流載荷呈遞減趨勢，二次慣性矩隨節距變化趨勢平緩。

3.2 結構強度比較分析

通過有限元軟件對樁腿結構各組成單元強度進行校核，對結構UC值列圖如下：

圖9 樁腿弦管有限元計算UC值

（1）由圖9分析可知，弦管結構在工況1條件下，節距取值7.485 m時UC值達0.84，比較危險，節距取值7.935 m或7.09 m較為理想。

（2）由圖10分析可知，外水平撐管在工況2條件下，節距取值8.98 m時UC值達0.23，雖然滿足安全要求，但相對同類結構在其他節距時的UC值增幅明顯，因此，節距8.98 m不是優選節距。

圖10 樁腿外水平撐管有限元計算UC值

（3）由圖11分析可知，斜撐管在工況1條件下，節距取值7.485 m時UC值達0.58，節距取值7.09 m時的UC值也高于節距取值7.935 m時的UC值，即7.935 m節距優于7.09 m節距。

圖11 樁腿斜撐管有限元計算UC值

（4）由圖12分析可知，樁腿水平內撐管UC值受節距變化影響不大。

（5）由圖13分析可知，撐管接頭是有限元分析主要關注的區域，綜合分析可知7.935 m節距為最優節距。

結合上述不同樁腿節距形式針對載荷影響及對結構強度校核UC值的影響分析，綜合考慮樁腿質量變化趨勢（如表3所示），本平臺確定7.935 m為樁腿節距最優尺寸。

圖12 樁腿內水平撐管有限元計算UC值

圖13 樁腿管節點有限元計算UC值

4 結 論

本文針對目前稀有型號114 m作業水深自升式平臺桁架式樁腿結構節距優化設計技術進行研究，完成風暴條件下樁腿強度對節距敏感性分析。通過風洞試驗與STOKES五階波理論等試驗與理論研究，采用SESAM軟件進行特征值分析，得出計及DAF水動力放大效應和P-△二次慣性效應的載荷數據，并重點對不同節距形式的樁腿結構強度進行對比分析，如弦桿結構、外水平撐管、內水平撐管、斜撐管和重要管節點結構等，確定目標平臺節距優選值，形成樁腿強度對節距敏感性分析技術，為該稀有型號平臺核心部件的自主設計提供技術參考，并可為廣大工程技術人員實現樁腿結構優化設計提供技術依據。

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