波流耦合力對海洋平臺樁腿楔塊的影響

成 建，李永正，岳亞霖

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

20世紀以來，隨著世界經濟的快速發展，對于石油、天然氣等自然能源的需求正不斷增長，然而由于過往對于陸地資源過度開采，無法滿足經濟社會飛速的資源消耗，世界各國開始大力發展海洋資源。自升式海洋平臺作為在海上進行鉆井、采油、集運、觀測、導航、施工等活動提供生產和生活設施的構筑物，對于海洋資源的開發起著十分重要的作用。然而自升式海洋平臺承受波流耦合力等多種載荷的影響，平臺結構失效和平臺結構破壞時有發生。為了使得海洋平臺安全使用壽命獲得延長，對平臺結構的研究需要不斷深入。

本文以自升式海洋平臺作為研究對象，通過Ansys 有限元軟件對其進行結構強度分析研究。

1 自升式平臺結構

由于受到各種海洋環境的考驗，海洋平臺在工作時受到風、浪、流等外部載荷的影響。諸如海洋平臺楔塊等結構構件面臨不同程度的損耗過快、壽命低下的缺陷，需要頻繁更換。為了保證海洋平臺更加合理安全運作，對于目前自升式海洋平臺的平臺樁腿楔塊需進行改進。考慮到波流耦合力對于海洋平臺樁腿以及楔塊的影響，通過研究自升式海洋平臺受到的各種外載荷對于海洋平臺楔塊的影響，從而能夠為海洋平臺楔塊性能得以改善奠定基礎。

自升式平臺由上層平臺結構和下部樁腿結構組成，導管架底端通過樁基礎固定。上層平臺結構支撐框架和甲板，主要提供生產和生活場地，其外形為矩形，為了簡化模型，尺寸為6 m ×6 m，水面至頂層甲板高度為6 m。本文只建立一個樁腿，組成空間結構。該海洋平臺的主尺度為:圓樁結構的半徑為3 m，樁腿高度為75 m;在平臺與樁腿之間設置28個楔塊，用于對樁腿的固定。

2 海洋平臺有限元模型建立

由于本文主要研究波流耦合力對海洋平臺楔塊的影響，因此只建立一根海洋平臺樁腿及其周圍平臺，但對于海洋平臺樁腿周圍楔塊處進行相應的細化模型建立。

2.1 模型建立

本海洋平臺模型由自升式海洋平臺樁腿、海洋平臺楔塊和楔塊接觸處平臺組成。其中依據實際情形，在固樁區以此建立28個海洋平臺楔塊。采用Ansys 軟件建立海洋平臺模型，并且根據重量報告調整結構模型重量中心位置。坐標系按照X 軸為縱向軸，尾部指向首部為正;Y 軸為橫向軸，中心線指向左舷為正;Z 軸為垂向軸，基面向上為正。海洋平臺模型如圖1所示。

圖1 海洋平臺模型圖Fig.1 Marine platform model

2.2 邊界條件

1)固樁架下固樁平臺(包括上固樁平臺)平面內剛度遠遠大于樁腿局部結構剛度，可近似認為固樁平臺原平面幾何形狀在力的作用下不變，即固樁平臺對楔塊支持為剛性支持。

2)為防止樁腿產生剛體位移，在樁腿與楔塊的連接點給予垂向約束。

2.3 材料屬性

本平臺樁腿及海洋平臺楔塊都采用船用高強度鋼D32。

2.4 工況

本文考慮波流耦合力對海洋平臺楔塊影響最大的自存和作業2 種海洋情況，分別進行樁腿楔塊靜力分析。另外針對這些結果，考慮平臺分別服役在浪向分別在0°，60°，90°，120°，180°時的結構響應，對其結構進行相應研究。

3 強度分析

3.1 風載荷

在進行海洋石油結構物設計過程中使用的風速，應取決于長期的實測資料，本質上風載荷是動態的，但一些結構對它的反應幾乎為靜態形式。持續風速用于計算整個平臺的風載荷，而陣風風速則用于單個結構構件的設計。

由于空氣在一定速度下運動時，作用在平面和曲面上的理論風壓力是空氣的動能函數，因此可用數學關系式表示如下:

設承受風壓的結構物投影面積為A，則可將總風力F 表示為:

式中:F為風載荷，N;K為風載荷形狀系數，對梁及建筑物側壁取1.5，對圓柱體側壁取0.5，對平臺總投影面積取1.0;KZ為海上風壓高度變化系數，按規范取1.0;A為受風面積，m2;PO為基本風壓，Pa。可按下式計算:

式中:α為風壓系數，取0.163 N·S2/m4;νt為設計風速，m/s。

3.2 海流載荷

考慮到本平臺作業水深，根據平臺作業水深以及計算的波浪條件及波浪理論的適用范圍，選擇橢圓余弦波計算平臺所受的波浪力。平臺單腿柱所受的波浪力按Morison 公式進行計算，即:

式中:ρ為海水密度，取ρ=0.1045 N·S2/m4;CD為垂直于構件軸線的曳力系數;CM為慣性力系數;D為圓形構件直徑，m;u為垂直于構件軸線的水質點相對于構件的速度分量，m/s，| u|為其絕對值;u為垂直于構件軸線的水質點相對于構件的加速度分量，m/s2。

3.3 波浪力

波浪力是波動的海水作用于物體上的力，一般可以分為阻力、慣性力、撞擊力、壓差力和動量反射力5個主要的力。

對于自升式海洋平臺波浪力的計算，是結構設計中最基本的任務，同時也是最困難的任務之一，因此一直以來都是海洋工程領域研究的重點。確定作用于自升式海洋平臺上的波浪載荷，可以采用設計波法與隨機分析法。

針對本文所研究的自升式海洋平臺，流載荷按下式計算:

式中:v為計算流速，m/s;ρ為海水密度，kN·S2/m4;CD為垂直于構件軸線的流力曳力系數;A為構件在與流向垂直的平面上的投影面積，m2;

4 主要計算結果

4.1 波流耦合力

通過Ansys 有限元軟件建立模型，考慮本自升式平臺別服役在浪向分別在0°，60°，90°，120°，180°時結構響應，對其結構進行相應研究。首先探究波流耦合力與相位角之間的關系，如圖2所示。

圖2 波流耦合力－相位角關系曲線Fig.2 Wave bonding force-phase angle relation curves

4.2 靜力分析

通過建立有限元模型，分析本海洋平臺在不同工況下的結構相應，得到楔塊在不同波流耦合力情況下受到的情形。其最大變形如圖3所示。

圖3 海洋平臺楔塊與樁腿接觸處Fig.3 Offshore platform wedge contact with leg

圖4 海洋平臺楔塊受力云圖Fig.4 Offshore platform wedge stress nephogram

圖5 海洋平臺楔塊最大變形處受力云圖Fig.5 Offshore platform wedge maximum deformation stress

5 結 語

考慮到波流耦合力對于海洋平臺結構構件的影響，本文結合海洋平臺楔塊實例分析，通過研究不同波流耦合力對于楔塊的研究方法。探究理論研究和數值分析可以得到以下結論:

1)對于自升式海洋平臺結構，采用Ansys 軟件對于海洋平臺楔塊等結構構件建立具體模型研究。通過分析波流耦合力對其影響，可以有利于真實反映海洋平臺細微處的疲勞損耗，對于具體工程有指導性作用。

2)由結果可知當隨著相位角的改變波流耦合力的大小也隨之改變，開始時隨著相位角增大波流耦合力也隨著增大，但當達到峰值后，隨著相位角繼續增加，波流耦合力卻不斷減小。

3)波流耦合力對海洋平臺楔塊有著十分重要的影響，由于實際海洋情況的變化，波流耦合力也不斷變化，對于海洋平臺楔塊不斷造成損耗。楔塊的背部與平臺相接處的地方受力最大，并且背面變形較大，造成海洋平臺楔塊壽命低下。

6 展 望

對于自升式海洋平臺楔塊所受波流耦合力的研究有助于對其后續結構性能改進提供理論基礎。目前海洋平臺楔塊等小型結構構件面臨著損耗過快、使用壽命低下等問題，然而楔塊等結構構件對于海洋平臺的安全性、經濟性起到十分重要的作用。目前對于海洋平臺楔塊等結構構件基本采用簡化方法，并不能很好地反應細微結構處受到的力的影響。我們不僅應當關注海洋平臺整體結構性能，還要著眼于結構構件的改進，使得海洋平臺能夠更好地符合我國國情，為發展海洋事業，為我國開發與保護海洋資源做出更好地貢獻。

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