自升式海洋平臺站立狀態(tài)下總體性能研究

1、自升式海洋平臺站立狀態(tài)下總體性能研究李紅濤摘要：本文以一個桁架樁腿自升式平臺為例，通過有限元計算分析，闡述了平臺站立狀態(tài)下幾個重要總體性能的校核方法，主要包括樁腿強度；鎖緊系統(tǒng)（升降系統(tǒng)）承載性能；預壓載性能；樁靴承載性能；抗傾穩(wěn)性。本文提供方法和思路對自升式平臺使用者及平臺設計人員具有一定的指導意義。關鍵詞：自升式平臺；有限元；總體性能；站立狀態(tài)Study on General Performance of Jack-up under Elevated ConditionAbstract: Methods of checking for jack-up elevated performanc

2、e including leg structure strength, fixation system or jacking system bearing capacity, pre-load requirement, spud can bearing capacity and overturning stability is suggested in this paper. As a example, a jack-up with truss legs is analyzed by FEA method. This paper may be helpful to the rig owners

3、, operators and designers.Key words: Jack-up; finite element; general performance; elevated condition1. 引 言自升式海洋平臺是指具有活動樁腿，且其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預定高度進行作業(yè)的平臺，此種平臺在海洋石油開發(fā)中被廣泛應用。對于自升式海洋平臺，站立狀態(tài)下總體性能分析是平臺作業(yè)的重要基礎，是平臺設計的主要內(nèi)容1，其概括起來可包含以下幾個方面：樁腿強度；鎖緊系統(tǒng)（升降系統(tǒng)）承載性能；預壓載性能；樁靴承載性能；抗傾穩(wěn)性。因此，總體性能將直接影響到平臺的操作安全及作業(yè)能力，是平臺

4、使用者最關注的重點。本文對一個典型的桁架式樁腿自升式平臺，通過有限元求解及相應理論分析，試圖說明此平臺總體性能的計算過程及方法，對工程實踐具有一定的指導作用，為工程設計人員提供借鑒。2. 計算模型算例中的平臺為懸臂梁式自升式平臺，采用三角形箱形主船體，配有三個桁架式樁腿，艏一尾二，升降系統(tǒng)為電動齒輪升降系統(tǒng)，每個樁腿弦桿一套；并全船配有9套鎖緊系統(tǒng)，在拖航、作業(yè)及自存狀態(tài)下，鎖緊系統(tǒng)將樁腿弦桿齒條板鎖死；平臺每個樁腿帶有一個六邊形的樁靴，拖航時可收回船底。平臺的作業(yè)環(huán)境條件及參數(shù)如下表1所示。表1 環(huán)境條件及作業(yè)參數(shù)Tab.1 Environment Condition and Operati

5、ng Parameters環(huán)境條件作業(yè)工況自存工況水深（m）106.7106.7最大波高（m）1015.24波浪周期（s）1115最大風速（m/s）3651.4流速（m/s）： 0.510.51氣隙（m）15.2415.24最大可變載荷（t）35002500船體總重量（t）1238011000根據(jù)該平臺結構特點，建立如圖1所示的有限元模型，所有結構由梁單元模擬。圖1 有限元模型Fig.1 FE Model2.1 船體的模擬總體分析中不考慮船體結構強度，所以采用梁對船體進行模擬，將船體縱、橫剖面視為箱形結構，模型中的梁單元組合截面特性按如下方式進行定義：面積與實際船體截面一致；y、z方向的慣性矩

6、與實際船體截面一致；扭轉慣性矩與實際船體截面一致。通過以上方面的定義，從而保證了模型船體與實際船體剛度的一致。表2為模擬船體的梁剖面的相關特性。表2 模擬船體的梁特性Tab.2 Characteristics for Hull Beam特性縱向梁橫向梁軸向面積0.150.18扭轉慣性矩6.439.26抗彎y向慣性矩0.871.05抗彎z向慣性矩76.2192.892.2 樁腿的模擬樁腿是自升式平臺最為關鍵的結構，且因結構形式復雜，在有限元建模中最難處理。本算例樁腿為桁架式樁腿，樁腿弦桿為齒條板與圓管的組合結構，截面如圖2所示。模型中弦桿為自定義梁單元，既保證其剛度與實際弦桿剛度一致，又要保證其

7、水動力系數(shù)具有足夠的精度。樁腿弦桿的剖面特性見表3。圖2 樁腿截面Fig.2 Leg Section 表3 樁腿弦桿特性Tab.3 Characteristics for Leg Chord特性面積y向慣性矩z向慣性矩拖曳力系數(shù)慣性力系數(shù)樁腿弦桿0.11670.002830.001561.2561.3022.3 樁腿與船體之間的連接剛度有限元分析中樁腿和船體連接的處理將直接影響到計算結果的準確性。算例中平臺作業(yè)和自存條件下依靠鎖緊系統(tǒng)鎖死樁腿，有限元模擬中充分考慮樁腿和鎖緊系統(tǒng)剛度，利用彈簧模擬樁腿與船體連接的剛度，彈簧剛度系數(shù)計算如下2， (1)式中，分別為樁腿與船體連接的向扭轉剛度系數(shù)及垂

8、向位移剛度系數(shù)；為樁腿截面面積；為鎖緊系統(tǒng)的垂向位移剛度系數(shù)，可由鎖緊系統(tǒng)實際結構形式計算得到；及分別為鎖緊系統(tǒng)和樁腿的扭轉剛度系數(shù)，可分別計算如下： (2)其中，為上、下導向結構間樁腿的截面慣性矩；為鎖緊系統(tǒng)的垂向長度；為下導向結構距離鎖緊系統(tǒng)的長度。圖3為實際樁腿弦桿與鎖緊系統(tǒng)連接示意圖。圖3 鎖緊系統(tǒng)與下導向結構Fig.3 Fixation System and Lower Guide Structure算例中，樁腿與船體連接彈簧的剛度如下表2所示。表4 樁腿與船體連接彈簧剛度Tab.4 Spring Stiffness for Connection of Leg and Hull彈簧扭

9、轉剛度(MNm/rad)扭轉剛度(MNm/rad)垂向剛度(MNm/rad)剛度系數(shù)365E3368E39.8E32.4 邊界條件 模型中充分考慮樁靴與海床的相互作用，邊界條件為樁腿最下端采用彈簧六自由度支撐，其剛度系數(shù)可采用如下方法計算3， (3)式中，為垂向剛度；為水平剛度；為扭轉剛度；為土壤剪切模量；為樁靴長度；為泊松比。需要注意的是，扭轉剛度往往需要迭代計算才能最終確定。算例中邊界條件彈簧剛度系數(shù)如下表3所示。表5 邊界剛度系數(shù)Tab.5 Foundation Fixity Stiffness 彈簧垂向剛度( MN/m)水平剛度( MN/m)扭轉剛度( MNm/rad)剛度系數(shù)1628

10、1382.7574133. 計算載荷3.1 功能載荷 功能載荷包括固定載荷和可變載荷。固定載荷主要包括平臺結構自重和設備重量，可變載荷主要設計到各液艙的配載、平臺作業(yè)的相關載荷及其它生活供應品等。3.2 環(huán)境載荷環(huán)境載荷主要包括風、波浪及海流載荷，還應有P-Delta效應載荷及波浪慣性力載荷。環(huán)境載荷作用方向在算例中取為180到360度、每30度一個，共7個方向。4. 計算結果分析 將上述基本載荷組合可得到組合工況，主要可分為作業(yè)工況和自存工況。按表1所給環(huán)境條件進行有限元計算分析，可得到以下結論。4.1 樁腿強度按AISC4校核樁腿的強度，樁腿弦桿作業(yè)工況下最大應力比為0.74，位置為艏樁腿

11、圍阱下導向結構與樁腿交界處，環(huán)境載荷方向為300度入射；樁腿弦桿自存工況下最大應力比為0.99，位置為右后樁腿圍阱下導向結構與樁腿交界處，環(huán)境載荷方向為240度入射，如下圖4所示。鎖緊系統(tǒng)UCmax=0.99UCmax=0.74圖4 樁腿弦桿應力比Fig.4 Unity Check for Leg Chord 由計算結果可知，樁腿在平臺作業(yè)及自存工況下，其屈服和屈曲強度滿足要求。4.2 鎖緊系統(tǒng)承載性能鎖緊系統(tǒng)工作是否可靠將影響到整個平臺的安全，因此需對其承載能力進行校核。如圖3所示鎖緊系統(tǒng)，采用具有相當剛度的桿件進行模擬，通過分析其受力大小，可校核鎖緊系統(tǒng)的承載能力，如下表4所示。表6 鎖緊

12、系統(tǒng)能力校核Tab.6 Check for Fixation System Capability鎖緊系統(tǒng)受力自存工況作業(yè)工況壓力（MN）40.6835.76拉力（MN）31.7728.36受壓0.870.76受拉0.930.83鎖緊系統(tǒng)能力受壓（MN）受拉（MN）4734由表中分析結果可知，鎖緊系統(tǒng)的名義載荷比值均小于1，因此鎖緊系統(tǒng)在作業(yè)和自存條件下可安全工作。4.3 預壓載性能平臺的預壓載能力是考核平臺壓載艙全部注滿海水后，對樁腿產(chǎn)生的壓力是否能夠達到預壓載要求的能力。平臺的壓載能力將直接關系到平臺的站立穩(wěn)定性，是重要的總體性能之一。表5說明了算例平臺具有較好的壓載能力，能夠滿足給定環(huán)境條

13、件下的預壓載要求。表7 預壓載能力校核Tab.7 Check for Pre-load Requirement壓載能力自存工況作業(yè)工況單樁最大預壓載能力（MN）78樁腿最大反力反力U.C.反力U.C.艏樁腿（MN）59.930.7762.920.81尾樁腿（左） （MN）31.960.4133.450.43尾樁腿（右） （MN）37.210.4836.490.474.4 樁靴承載性能本平臺樁靴設計的最大容許承載力為78MN，因此需對平臺的樁腿反力值進行考察，即樁腿反力最大值不應超過樁靴設計承載力。表6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Tab.8 Sp

14、ud Can Capability Check工 況風暴自存工況載荷方向180°210°240°270°300°330°360°最大樁腿反力(kN)39520.940522.943829.649229.954061.957954.559925.5U.C.0.510.520.560.630.690.740.77工 況作業(yè)工況載荷方向180°210°240°270°300°330°360°最大樁腿反力(kN)50060.050667.652859.156244

15、.459387.661810.962915.9U.C0.640.650.680.720.760.790.814.5 抗傾穩(wěn)性自升式海洋平臺的抗傾穩(wěn)性是指平臺在重量、浮力及海床對平臺的聯(lián)合作用下，抵抗因環(huán)境載荷作用而引起平臺傾覆的能力，此指標是考核平臺站立安全性的重要性能之一。按CCS海上移動平臺入級與建造規(guī)范（2005）中規(guī)定1，作業(yè)條件下，自升式平臺抗傾安全系數(shù)不應低于1.5；自存條件下，不應低于1.3。抗傾安全系數(shù)可按如下公式計算， (4)式中，恢復力矩、傾覆力矩可表示為5， (5)其中，為平臺自重產(chǎn)生的恢復力矩；為樁腿、樁靴重量產(chǎn)生的恢復力矩；為海床對樁靴吸附、摩擦產(chǎn)生的恢復力矩，此力矩

16、除非有詳細的計算，一般不予考慮；為風、浪、流對平臺產(chǎn)生的傾覆力矩；為波浪慣性力產(chǎn)生的傾覆力矩；為船體P-Delta效應產(chǎn)生的傾覆力矩。表7給出了算例平臺在兩個最危險方向的抗傾穩(wěn)性，結果顯示，此平臺抗傾穩(wěn)性滿足要求。表9 抗傾穩(wěn)性校核Tab.9 Overturning Stability Check橫向（180度）斜向（300度）力臂(M)17.5011.14自存工況恢復力矩(KN*M)1846259.801174911.21傾覆力矩(KN*M)690604.03 802240.55安全系數(shù)2.671.47作業(yè)工況恢復力矩(KN*M)2326459.801480497.86傾覆力矩(KN*M)431681.44 514763.45 安全系數(shù)5.392.885. 結 論本文以一桁架樁腿自升式海洋平臺為例，闡述了有限元建模方法及思路，計算了平臺站立工況下的幾個關鍵總體性能，計算結果表明，此平臺樁腿強度、鎖緊系統(tǒng)承載能力、壓載能力、樁靴承載能力及抗傾能力均滿足給定環(huán)境條件下的性能要求。本文提供方法和思路對自升式平臺使用者及平臺設計人員具有一定的借鑒作用。參考文獻1 中國船級社，海上移動平臺入級與建造規(guī)范M. 人民交通出版社，2005.2