自升式鉆井平臺樁靴結構強度分析

關國偉, 楊軼普，張銀洲，藺春輝，孫久智

(中國石油渤海裝備研究院海工裝備分院，遼寧 盤錦 124010)

自升式鉆井平臺樁靴結構強度分析

關國偉, 楊軼普，張銀洲，藺春輝，孫久智

(中國石油渤海裝備研究院海工裝備分院，遼寧 盤錦 124010)

樁靴結構是自升式鉆井平臺最重要的關鍵部分，樁靴的合理設計及結構強度關系到整個平臺的性能及安全。以BHCP400自升式鉆井平臺樁靴結構強度分析為例，通過對樁靴預壓載、風暴自存及偏心共7種工況的分析，建立有限元模型。有限元計算分析結果表明：出現應力較大處為與樁腿連接的三條120°支撐艙壁、樁靴底板、與樁腿弦管連接的支撐板以及樁腿與樁靴連接處肘板，這些位置必須采用厚度大、強度高的鋼材，并保證焊接質量和精度。同時，在偏心工況時樁靴內部應力非常大，在設計過程中應予以重點關注。

自升式鉆井平臺；樁靴；結構強度；有限元分析

0 引 言

隨著經濟的高速發展，對能源的需求必然會越來越大，而陸地石油資源正日益減少，向海洋進軍、開發海洋油氣資源已成趨勢。在海洋自升式鉆井平臺中，作業深度超過50 m時，就應該設計樁靴結構，因為樁靴結構可提高海床土壤對海洋平臺的承載力，從而降低樁腿的插入深度，更有利于平臺的插、拔樁操作。特別是在平臺抬升狀態下，保證整個平臺能夠安全平穩地立于海床上，避免造成樁腿破壞及樁身傾斜，并能較好地進入土層的持力層，從而進行鉆井作業或在風暴狀態下自存。因此，樁靴的合理設計及結構強度，關系到整個平臺的性能及安全[1-2]。

自升式鉆井平臺的作業環境惡劣，各種載荷工況復雜，因此，樁靴結構計算分析一直以來是該類型平臺設計工作的重點和難點。胡安康等[3]對400英尺(1英尺≈30.48 cm)水深自升式平臺兩種樁靴結構形式利用美國船級社(ABS)規范進行了優化比較，得出一種比較好的樁靴結構形式，但對具體強度則分析計算不夠詳細。馬延德等[4]通過對CJ70自升式鉆井平臺樁腿和樁靴結構強度開展分析，介紹了一些計算原理和方法，但重點在于樁腿計算，對樁靴部分只給出了理論公式，未加以詳細計算分析。本文通過對BHCP400鉆井平臺樁靴結構為例，通過分析設計的7種工況，對樁靴進行了強度計算和結構優化，希望為海洋平臺中樁靴的設計提供一些參考，對我國海上石油開采裝備的研究起到推動作用。

1 平臺簡介

BHCP400鉆井平臺主要由主船體、樁腿與樁靴、升降與鎖緊上下基礎、懸臂梁、生活樓、直升飛機平臺等結構組成。船體為近似三角形箱型平底結構，帶有三個三角形桁架樁腿，樁腿下端為樁靴，站立狀態時，船體負荷經圍阱區結構通過升降系統傳遞到三個下端帶樁靴的三角形桁架式樁腿上。平臺艏艉設有三個三角形桁架式樁腿，樁腿下端帶有樁靴，如圖1所示。

該平臺參數如表1所示。

圖1 BHCP400自升式平臺側視圖Fig.1 Side view of BHCP400 self-elevating drilling unit

Table1MaindesignparametersofBHCP400self-elevatingunit

參 數取 值型長/m70.27型寬/m72.0型深/m9.5樁腿總長/m167樁腿中心距(縱向)/m46.01樁腿中心距(橫向)/m47.5樁靴直徑/m17.8樁靴有效面積/m2248.72×3設計入泥深度/m5.6

2 材料及板厚選擇

本平臺根據全球海域海底的溫度資源，鋼結構設計溫度取為0 ℃，此溫度為鋼材等級選擇的基準溫度，樁靴結構基本屬于平臺的主要構件或者特殊構件，其結構用鋼的化學成分、力學性能、制造和試驗都應符合規范對船體結構用鋼及焊接結構用高強度淬火回火鋼的要求[5]。由于樁靴結構的重要性，樁靴所有鋼材均采用船用高強鋼，同時選擇板厚時應考慮腐蝕余量及樁靴磨削余量。本平臺樁靴鋼材所有小于16 mm鋼板材質為CCSAH36或者等同材質，所有大于等于16 mm小于25.5 mm鋼板材質為CCSDH36或者等同材質，大于25.5 mm鋼板材質為CCSEH36，這些鋼材的極限屈服強度σs=355 Pa。而樁靴與樁腿相連接處屬于高應力區，需要采用大厚度、高強度鋼材，例如采用E550高強度鋼材，其極限屈服強度σs=550 Pa；采用E620 高強度鋼材，其極限屈服強度σs=620 Pa。

3 結構工況分析

根據規范要求[6]，樁靴計算工況主要有預壓載工況、風暴自存工況及偏心工況三個大類型，每類工況下載荷在樁靴上的分布不同，又可以分為各種不同的子工況。樁靴受到的最大支反力通過樁腿強度計算得到，本平臺的最大支反力為103 500 kN，同時需要考慮環境載荷及將來自身可變載荷的影響，其中環境載荷是直接或間接由海洋環境因素引起的載荷，主要包括風、浪、流、冰載荷；可變載荷指在鉆井作業、平臺拖航等過程中容易被拆除、移動、消耗的物體或物品。可變載荷具體包括：人員，散裝泥漿藥品及袋裝藥品，散裝水泥，套管及鉆桿、鉆鋌、工具、防噴器組，液體泥漿，鉆井水及燃油、潤滑油、飲用水、污油、污水，庫存零部件及生活供應物品，泥漿錄井、電測測井裝置、定向井裝置、試油設備、巖屑零排放、溢油回收設施等臨時安裝的設備，鉆井過程中附加到鉆臺底座上的大鉤載荷、轉盤載荷、立根盒載荷、導管張緊載荷等。根據統計計算，最終取最大支反力Fv=107 800 kN，從而壓力載荷可以由此力除以其受力面積得到。

3.1 預壓載工況

樁靴有4道環形艙壁(BHD)，所以預壓載工況分為4種子工況，要求將樁靴所承受的最大支反力Fv以壓力形式均勻分布于各環形艙壁所包圍的底部面積上。

對于預壓載工況1來說，我們可以假定樁靴坐落在一個較硬的海底，這是最危險的一種工況，此時平臺所有載荷均勻分布于樁靴第一道環形艙壁所包圍的底部面積上，對于第2～4種預壓載工況來說載荷均勻分布于樁靴第二到最外環形艙壁所包圍的底部面積上，其中第4種工況是樁靴受力最好的工況，此時海底為泥砂質或淤泥質海床，是此平臺最理想的作業環境。具體預壓載工況如圖2～5所示。

圖2 預壓載工況1(LC1)Fig.2 Preload case 1 (LC1)

圖3 預壓載工況2(LC2)Fig.3 Preload case 2 (LC2)

圖4 預壓載工況3(LC3)Fig.4 Preload case 3 (LC3)

圖5 預壓載工況4(LC4)Fig.5 Preload case 4 (LC4)

3.2 風暴自存工況

在風暴自存工況下，樁靴底面積除了受到最大支反力外，還受到水平剪力的作用，該水平剪力等于風暴自存工況下樁靴達到的最大支反力時，同時承受剪力，還要考慮環境載荷及P-Δ效應對樁腿的疊加影響，由樁腿強度計算得到。

此外，還有加載35% Lower Guide處[7]的最大彎矩，該彎矩加載方式沿環形艙壁施加垂直向上的點載荷，各艙壁之間的載荷大小不等，從而形成力矩，計算方法如下。

樁靴上任意一點的點載荷可以用如下公式計算：

(1)

式中：qx表示樁靴上任意一點的點載荷，MPa；q1和q2分別表示樁靴上任意環形艙壁上施加垂直向上的點載荷，MPa；r為樁靴半徑，m。

這些點載荷對整個樁靴的彎矩M由圖6采用積分法得出，計算公式如下：

(2)

圖6 樁靴彎矩積分示意圖Fig.6 Schematic of spudcan bending moment

調整這些點載荷，使其合力矩值等于35% Lower Guide處的最大彎矩。此時這些點載荷的總的垂向力為FV，則需垂直整個樁靴底板表面施加壓力載荷，使該壓力在垂直向上的分力等于最大支反力減去FV，以此方式能夠同時加載力矩M和垂向支反力載荷。此時工況如圖7所示。

圖7 風暴自存工況(LC5)Fig.7 Storm survival case (LC5)

3.3 偏心工況

由于海底地形崎嶇不平以及海水的沖刷作用，可能造成樁靴底部受力不均勻的偏心現象，按照規范要求，將樁靴承受的最大支反力均勻分布在50%樁靴底面積上以考慮偏心現象對樁靴強度的影響。樁靴形狀的不對稱性造成了如圖8、圖9所示的兩種偏心工況。

圖8 偏心工況1(LC6)Fig.8 Eccentric load case 1 (LC6)

圖9 偏心工況2(LC7)Fig.9 Eccentric load case 2 (LC7)

4 有限元分析及結果

采用挪威船級社(DNV)的海洋工程有限元(FE)軟件SESAM建立樁靴結構有限元模型，對其進行強度分析。

4.1 有限元建模

采用板梁單元建立樁靴有限元模型，同時為了真實地反映出樁腿與樁靴間的應力傳遞情況，還應建立部分樁腿結構，整個模型采用板、梁單元構成，例如樁靴的板材由板單元進行模擬，而樁腿的弦桿及撐管應由梁單元模擬，在建模中應盡可能多地使用板單元來模擬主要構件和應力集中結構，以便能夠得到準確的分析結果。

4.2 邊界條件

樁靴插入海底的過程是樁靴底部與海底間的耦合過程[8]，其中土體的流動性對樁靴接觸面的影響很大，在分析時樁靴下端面土體分離速度及樁靴上土體沖擊速度在樁靴上下端面形成速度差，從而導致樁靴底部形成瞬間吸力，造成樁靴端部結構承重較大，在建立邊界條件時應予以考慮[9]。建立樁靴的邊界條件時，應先根據靜態設計原理，依據總強度計算數據，將海底土壤的反作用力施加到樁靴上，并在樁靴頂部的三個交點處約束其三個方向的位移，同時應考慮土體流動特性對樁端承載力的影響，增大樁端結構的安全系數。本文樁靴邊界條件如圖10所示。

圖10 樁靴模型及邊界條件Fig.10 FE model of spudcan and boundary conditions

4.3 計算結果

根據中國船級社(CCS)規范及相關規定，參與分析的平臺主體框架的結構構件應按以下規定確定

其許用應力值[σ]：

[σ]=σS/S，

(4)

式中：σS為材料的屈服強度，N/mm2；S為安全系數，在組合工況時取1.11。

樁靴所用鋼材為AH36、DH36、EH36鋼級時，其屈服強度σS=355 MPa，在組合工況下，其安全系數S取1.11，此時許用應力[σ]=355/1.11=320 MPa；而與樁腿弦管連接的57 mm的支撐板，材質為E550, 其屈服強度σS=550 MPa，此時許用應力[σ]=550/1.11=495 MPa；樁靴與樁腿連接處的76 mm的肘板，材質為E620, 其屈服強度σS=620 MPa，在組合工況下，許用應力[σ]=620/1.11=558 MPa。

根據前面工況分析，通過有限元軟件計算，其在7種工況下樁靴各個結構最大應力如表2所示。從表中可以得出，結構強度均滿足規范要求。

表2 有限元分析后在各工況下樁靴各個結構最大應力

通過表2可以看出樁靴不同構件最大應力對應的工況。通過有限元分析的結果可以看出，最大應力基本出現在工況6和工況7，即偏心工況，因為此時樁靴不但承受主體結構產生的豎向載荷，還承受因地基受力不均而產生的彎矩，此時應屬于整個平臺的危險工況，在正常作業時應極力避免此種工況的產生。

同時還可以發現，整個樁靴出現應力較大處為與樁腿連接的三條120°支撐艙壁、樁靴底板、與樁腿弦管連接的支撐板以及樁腿與樁靴連接處肘板。這些構件都是樁靴的主要構件或特殊構件，這些部位大部分屬于高應力區，在設計時需要采用大厚度、高強度鋼材，同時必須保證其焊接質量和精度。

經有限元分析，最大應力所對應的工況下的應力云圖如圖11～19所示，其中表2中前四道環形艙壁以第三道環形艙壁為例給出(此道環形艙壁應力最大)。

圖11 LC6第三道環形艙壁應力云圖Fig.11 Stress distribution of the third circumferential BHD in LC6

圖12 LC7三條成120°徑向艙壁應力云圖Fig.12 Stress distribution of LC7 triangular BHDs

圖13 LC6與樁腿連接的三條120°支撐艙壁應力云圖Fig.12 Stress distribution of LC6 radial BHDs at leg chord

圖14 LC6其他徑向艙壁應力云圖Fig.14 Stress distribution of LC6 other radial BHDs

圖15 LC7上蓋板應力云圖Fig.15 Stress distribution of LC7 top plate

圖16 LC7樁靴底板應力云圖Fig.16 Stress distribution of LC7 bottom plate

圖17 LC7樁靴內部的加強筋應力云圖Fig.17 Stress distribution of LC7 stiffener section using plate simulation

圖18 LC7與樁腿弦管連接的57 mm支撐板應力云圖Fig.18 Stress distribution of LC7 supporting plate of chord

圖19 LC7樁腿與樁靴連接處肘板應力云圖Fig.19 Stress distribution of LC7 brackets connecting legs and spudcan

5 結 語

樁靴結構是整個海洋平臺結構的關鍵部位。本文通過對BHCP400自升式鉆井平臺樁靴結構強度的分析，按照規范要求和實際的環境分析了樁靴的預壓載、風暴自存及偏心共7種工況，其中危險工況為LC6和LC7，即偏心工況，此時樁靴內部應力非常大，在設計過程中應予以重點關注。

通過有限元軟件進行計算分析發現，出現應力較大處為與樁腿連接的三條120°支撐艙壁、樁靴底板、與樁腿弦管連接的支撐板以及樁腿與樁靴連接處肘板，這些部位在設計時應予以重視。

樁靴結構強度通過有限元計算表明滿足強度要求,本平臺樁靴已經得到相關船級社認可并在實際設計中得到了應用。本文為樁靴的結構設計及強度分析提供了一個很好的參考依據。

[1] 張浦陽. 海上自升式鉆井平臺插/拔樁機理及新型樁靴靜/動承載力研究[D].天津：天津大學，2008.

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[4] 馬延德，石強，趙杰，等. CJ70自升式鉆井平臺樁腿和樁靴結構強度分析[C].2011年中國造船工程學會優秀論文集,2011：26.

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[6] 中國船級社.海上移動平臺入級規范[S].2012.

[7] American Bureau of Shipping. Mobile offshore drilling units[S]. 2008.

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[9] 張兆德，張心. 土體流動對自升式平臺樁靴極限承載力的影響[J].船舶與海洋工程，2015(3): 16.

SpudcanStrengthAnalysisofSelf-ElevatingDrillingUnit

GUAN Guo-wei， YANG Yi-pu， ZHANG Yin-zhou， LIN Chun-hui， SUN Jiu-zhi

(OceanEngineeringEquipmentResearchInstitute,CNPCBohaiEquimentResearchInstitute,Panjin,Liaoning124010,China)

Spudcan structure is the most important part of jack-up unit, and its reasonable design and structural strength are the key points to the unit’s performance and safety. Taking a spudcan structure strength analysis of BHCP400 self-elevating drilling unit as example, through the analysis of seven kinds of conditions including preload, storm survival load and eccentric load, we establish a spudcan structural model. The finte element analysis results show that the maximum von Mises stress for all load cases is at the radial bulkhead at leg chord, the bottom plate, the supporting plate of chord, and the brackets connecting chords and spudcan. For these places, large thickness and high strength steels should be used, and the requirements of welding quality and precision should be met. In addition, we should pay attention to the eccentric load case for which the spudcan stress reaches its maximum.

jack-up drilling platform; spudcan; structural strength; finite element analysis

2016-07-16

關國偉(1984—)，男，工程師，主要從事船舶與海洋工程結構設計和開發。

U674.38+1

A

2095-7297(2016)04-0236-07