自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞分析設(shè)計(jì)方案

張東升，胥永曉

（山東交通學(xué)院船舶與港口工程學(xué)院，山東 威海 264209）

0 前言

海洋石油的開采與天然氣能源開發(fā)、近海海床勘探和沿岸工程建設(shè)需要各種類型的海洋工程裝備為載體，因?yàn)樽陨姐@井平臺(tái)穩(wěn)固性好、定位能力強(qiáng)、鉆井深度大且能適應(yīng)較惡劣的自然環(huán)境，所以在海洋資源開發(fā)領(lǐng)域占有絕對(duì)性的優(yōu)勢(shì)。自升式平臺(tái)同時(shí)具備海洋平臺(tái)與自航式運(yùn)輸安裝船的特點(diǎn)，可為鉆修井作業(yè)、甲板承載、海上吊裝、海上生活等提供多功能海洋平臺(tái)支持，同時(shí)還可用于海洋資源勘探開發(fā)、人工島礁建設(shè)、海洋旅游平臺(tái)開發(fā)、海底整平清淤等。由于自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)工況復(fù)雜煩瑣、工作環(huán)境惡劣多變等因素，對(duì)平臺(tái)的力學(xué)性能和失效模式影響巨大，并且隨著平臺(tái)鉆井深度的增加，這些問題更加明顯，嚴(yán)重威脅了平臺(tái)在海上工作的安全性。

自升式海洋平臺(tái)開發(fā)及其核心技術(shù)的研發(fā)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，如何在滿足實(shí)際工程需要和設(shè)計(jì)規(guī)范的條件下，研發(fā)新型海洋工程裝備、突破設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)是學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期以來努力的方向[1]。本研究針對(duì)某自升式海洋平臺(tái)，基于海工軟件SESAM建立平臺(tái)的有限元模型，依據(jù)船級(jí)社規(guī)范對(duì)自升式平臺(tái)在不同作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及樁腿的疲勞壽命分析做了研究方案設(shè)計(jì)，為在役平臺(tái)提供了結(jié)構(gòu)分析和疲勞壽命評(píng)估的方法和手段，為開發(fā)自升式海洋平臺(tái)提供了設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備。

1 研究現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的發(fā)展與海洋工程領(lǐng)域的實(shí)踐檢驗(yàn)，自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)建造應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)趨于完善，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于自升式平臺(tái)的研究大致可以分為以下方面：不同隨機(jī)環(huán)境載荷的組合分析，平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能與平臺(tái)樁腿的疲勞壽命的評(píng)估。

1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

Alati等基于經(jīng)過驗(yàn)證的簡(jiǎn)化線性分析概念，考慮隨機(jī)環(huán)境載荷情況，并將空氣動(dòng)力載荷和流體動(dòng)力載荷進(jìn)行疊加，對(duì)海上風(fēng)力渦輪機(jī)的鋼三腳架和導(dǎo)管架撐桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)時(shí)域疲勞分析，并進(jìn)行比較[2]。Halil等針對(duì)海洋裝備的可靠性進(jìn)行了研究，給出了結(jié)構(gòu)可靠性的基本定義和研究分析方法，說明了三級(jí)可靠性方法的數(shù)值積分（NI）和蒙特卡羅模擬（MCS）技術(shù)，明確了海洋結(jié)構(gòu)物疲勞損傷和可靠性的算法以及技術(shù)路線圖。Tang等研究了三種類型的桁架腿在預(yù)壓載工況、鉆井工況和風(fēng)暴自存工況下的穩(wěn)定性。研究表明，最大應(yīng)力出現(xiàn)在弦桿上，K型、倒K型都能滿足共振要求，且K型在預(yù)壓載工況下具有較好的穩(wěn)定性，倒K型在鉆井、風(fēng)暴自存工況下具有較好的穩(wěn)定性[3]。等采用一種基于模型的載荷估算法，通過間接測(cè)量海洋結(jié)構(gòu)物上的載荷，基于結(jié)構(gòu)的降階模型，借助離散卡爾曼濾波器對(duì)系統(tǒng)未知狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)遞歸估計(jì)，利用模擬數(shù)據(jù)對(duì)規(guī)則波和不規(guī)則波進(jìn)行了驗(yàn)證[4]。Mirzadeh等通過考慮結(jié)構(gòu)材料的特性和幾何非線性以及非線性樁-土相互作用建立有限元模型，采用NewWave和Constrained NewWave兩種波浪理論模擬水面運(yùn)動(dòng)和水粒子運(yùn)動(dòng)，對(duì)二維和三維波浪模型進(jìn)行了分析，研究了海浪的方向性和隨機(jī)性對(duì)自升式平臺(tái)樣本整體結(jié)構(gòu)性能的影響，并依據(jù)甲板和樁靴的基礎(chǔ)位移對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較[5]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)船舶與海洋工程領(lǐng)域的學(xué)者針對(duì)自升式鉆井平臺(tái)也開展了大量的研究。蒙占彬等基于ANSYS針對(duì)某自升式平臺(tái)的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及平臺(tái)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析方法介紹，并提出了一種考慮樁腿鎖緊裝置的優(yōu)化計(jì)算方法[6]。丁勇借助有限元軟件ANSYS建立自升式平臺(tái)模型，依據(jù)四種作業(yè)工況和環(huán)境載荷進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，校核了樁腿和樁靴的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而為海洋平臺(tái)的樁腿結(jié)構(gòu)安全評(píng)估給出較為全面的依據(jù)[7]。楊光等基于NAPA分析軟件建立自升式平臺(tái)風(fēng)力矩模型以及SACS模型，計(jì)算作用在平臺(tái)上的波浪海流載荷，并根據(jù)P-Δ效應(yīng)求出平臺(tái)的附加力矩。最后得出平臺(tái)在風(fēng)暴自存工況下的抗傾覆安全系數(shù)[8]。周炳煥等針對(duì)自升式平臺(tái)桁架式樁腿在風(fēng)暴遷移工況時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)外力、內(nèi)力以及應(yīng)力衡準(zhǔn)進(jìn)行分析，依據(jù)規(guī)范要求對(duì)樁腿進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，其結(jié)果為自升式平臺(tái)桁架式樁腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持[9]。

郭海強(qiáng)等利用SACS軟件模擬平臺(tái)所受的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷，考慮了波浪慣性矩和橫向位移引起的P-Δ效應(yīng)，對(duì)平臺(tái)在三種工況下的樁腿強(qiáng)度進(jìn)行分析，并根據(jù)AISC規(guī)范對(duì)樁腿強(qiáng)度進(jìn)行校核，還分析了平臺(tái)的預(yù)壓載能力和樁靴的承載能力，并對(duì)平臺(tái)的抗傾覆穩(wěn)性進(jìn)行了校核[10]。

黃曌宇等基于SACS分析軟件和斯托克斯五階波浪理論，通過采用波浪不同的浪向角對(duì)動(dòng)態(tài)放大因子（DAF）進(jìn)行計(jì)算，并分析了不同DAF產(chǎn)生差異的原因。得出不同浪向角下DAF與周期比的變化趨勢(shì)基本一致；不同的水動(dòng)力將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移和加速度的產(chǎn)生變化；當(dāng)水動(dòng)力的1、2階諧波疊加時(shí)，DAF值將會(huì)增大[11]。尚謹(jǐn)以抗滑移能力反向推算自升式平臺(tái)垂直方向所能承受的極限載荷，并把得出的試驗(yàn)值與經(jīng)典插樁理論公式得出的最大承載力進(jìn)行比較。結(jié)果表明：基于經(jīng)典插樁理論公式得出的最大承載力明顯小于現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的試驗(yàn)值，而基于抗滑移能力計(jì)算出的插樁阻力與試驗(yàn)值基本吻合[12]。

孫承猛等基于定位考慮對(duì)帶月池的深水作業(yè)鉆井船的漂移載荷進(jìn)行了時(shí)域模擬分析，得到不同方向、不同環(huán)境條件下各項(xiàng)漂移力的統(tǒng)計(jì)值和統(tǒng)計(jì)特征[13]。

2 主要研究?jī)?nèi)容

本研究針對(duì)適用于最大水深122 m、樁腿總長(zhǎng)167 m、型深9.45 m的自升式平臺(tái)在不同工況下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及樁腿疲勞壽命進(jìn)行研究，具體工作如下。

1）基于DNV的SESAM軟件建立自升式鉆井平臺(tái)的有限元模型，并依據(jù)《移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范》的要求和平臺(tái)的工作海域環(huán)境確定風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷的理論基礎(chǔ)與研究方法。

2）對(duì)正常作業(yè)工況、遷移工況和自存工況進(jìn)行環(huán)境載荷模擬計(jì)算。其中在對(duì)于波流載荷的計(jì)算中，對(duì)入射角的選取進(jìn)一步合理細(xì)化，研究不同入射角度下的波流相位角與波流力的關(guān)系，以便準(zhǔn)確地計(jì)算出不同工況下的環(huán)境載荷。

3）將不同工況下的最大環(huán)境載荷與作業(yè)載荷作為系統(tǒng)輸入，并確定樁腿與平臺(tái)上部連接處的邊界條件，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，然后基于累積損傷理論利用SESAM軟件對(duì)自升式平臺(tái)的樁腿進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，得到樁腿在發(fā)生疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。

4）依據(jù)船級(jí)社規(guī)范對(duì)平臺(tái)在正常作業(yè)工況和風(fēng)暴自存工況下的抗傾覆穩(wěn)性進(jìn)行校核計(jì)算。

3 研究方案設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

基于SESAM軟件的GeniE模塊建立平臺(tái)的有限元模型，計(jì)算平臺(tái)在自身工作載荷和環(huán)境載荷作用下發(fā)生的位移與應(yīng)力，獲得平臺(tái)各構(gòu)件的應(yīng)力分布情況并按照應(yīng)力衡準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度校核，其分析流程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析流程圖

3.2 疲勞強(qiáng)度分析

基于SESAM軟件運(yùn)用譜分析法評(píng)估自升式平臺(tái)樁腿在波流載荷作用下的疲勞強(qiáng)度，其評(píng)估流程如圖2所示。

圖2 疲勞強(qiáng)度評(píng)估流程圖

本研究方案考慮平臺(tái)全生命周期中遭遇的所有環(huán)境載荷及其組合，創(chuàng)新性地提出波浪相位角、波流耦合作用、水動(dòng)力慣性作用以及幾何非線性載荷對(duì)平臺(tái)安全性的綜合效應(yīng)，得到對(duì)平臺(tái)影響最惡劣的特征載荷，分析過程更加合理，結(jié)果更加可靠。

4 結(jié)語

通過對(duì)自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及樁腿的疲勞分析，進(jìn)而可得到一種新型、高強(qiáng)度、高效率作業(yè)平臺(tái)的優(yōu)化方案，不僅能節(jié)約建造成本還能提高海洋平臺(tái)的可靠性。使得自升式平臺(tái)能夠適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)工況，成功應(yīng)對(duì)惡劣的海洋環(huán)境和多變的突發(fā)狀況，防止海洋平臺(tái)因結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生，對(duì)保障平臺(tái)上工作人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。