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(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 船舶與海洋工程系，山東 青島 266071)

1 自升式平臺(tái)概況

懸臂梁式自升式鉆井平臺(tái)因作業(yè)效率高、井架活動(dòng)范圍大及每次插樁作業(yè)鉆井?dāng)?shù)量多而在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。因平臺(tái)上鋼梁可在滑軌上移動(dòng)并連同鉆臺(tái)及井架一起伸向平臺(tái)尾端舷外，因此懸臂梁的載荷受強(qiáng)度的限制比較大，在樁腿強(qiáng)度、升降機(jī)構(gòu)、樁靴和海底連接剛度上有較高要求[1-2]。

以大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司為新加坡“Jasper”公司建造的懸臂梁自升式平臺(tái)為計(jì)算對(duì)象。該平臺(tái)由美國(guó)LeTourneau公司進(jìn)行基本設(shè)計(jì)，入級(jí)ABS，主船體為三角形，按“艏一艉二”配置三套桁架式樁腿，每根樁腿弦桿一套升降裝置，采用電動(dòng)齒輪式；全船共9套鎖緊系統(tǒng)，在拖航、作業(yè)及自存工況時(shí)能將樁腿弦桿齒條板鎖死；樁靴為六邊形，拖航時(shí)可收回船底。根據(jù)船東提供的技術(shù)規(guī)格書，平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境條件及參數(shù)見表1。

2 計(jì)算分析

2.1 船體的模擬

總體分析中船體結(jié)構(gòu)僅作為載荷施加單元，不考慮船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以將船體作為板架處理，保證面積與實(shí)際船體面積一致，建立如圖1所示的有限元模型，所有結(jié)構(gòu)由梁?jiǎn)卧M。

表1 環(huán)境條件及作業(yè)參數(shù)

圖1 有限元模型

2.2 樁腿的模擬

本平臺(tái)樁腿為桁架式樁腿，樁腿弦桿為齒條板與圓管的組合結(jié)構(gòu)，截面見圖2，樁腿尺寸見表2。

圖2 樁腿截面結(jié)構(gòu)

弦桿上端與船體通過(guò)鎖緊系統(tǒng)剛性連接，下端通過(guò)樁靴與海床彈性支撐，水動(dòng)力系數(shù)CD、CM由ABS規(guī)范查得。樁腿弦桿的剖面特性見表3。

表2 樁腿桿件尺寸

表3 樁腿弦桿特性

2.3 樁腿與船體之間的連接剛度

平臺(tái)處于作業(yè)工況和自存工況下時(shí)，樁腿被鎖緊系統(tǒng)鎖死，在充分考慮鎖緊系統(tǒng)和樁腿剛度條件下，用彈簧連接模擬要優(yōu)于使用固定端約束模擬，其彈簧的剛度系數(shù)計(jì)算如下。

(1)

式中：Kry,Krz,KV——船體與樁腿連接的y、z方向扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)及垂向位移剛度系數(shù)；

A——樁腿截面面積；

KV_fix——鎖緊系統(tǒng)的垂向位移剛度系數(shù)，可由鎖緊系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)形式計(jì)算得到；

Kry_fix,Krz_fix,Kry_leg,Krz_leg——鎖緊系統(tǒng)和樁腿的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，可分別計(jì)算如下[3]。

Kry_fix=3EIleg_y/L1,Krz_fix=3EIleg_z/L1

Kry_leg=3EIleg_y/L2,Krz_leg=3EIleg_z/L2

(2)

式中:Ileg_y,Ileg_Z——上、下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)間樁腿的截面慣性矩；

L1——鎖緊系統(tǒng)的垂向長(zhǎng)度；

L2——下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)距離鎖緊系統(tǒng)的長(zhǎng)度。樁腿與船體連接彈簧的剛度見表4。

表4 樁腿與船體連接彈簧剛度系數(shù) (MNm·rad-1)

2.4 樁靴與海床連接剛度

根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范的規(guī)定，樁靴下端可按海底泥面以下3 m處鉸支處理，但這種處理忽略了海底基礎(chǔ)對(duì)樁靴下端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，此時(shí)樁腿的彎矩全部集中于樁腿上端與船體的連接處。但實(shí)際上海底基礎(chǔ)對(duì)樁靴是有轉(zhuǎn)動(dòng)約束的，這種約束使樁靴承受彎矩，從而使樁腿上端與船體連接處的彎矩減少。這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)約束可用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧來(lái)表示，此轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧的剛度取決于海底土壤的特性，插樁深度和樁腳箱的形狀等，一般作為近似計(jì)算處理，其剛度系數(shù)可采用如下方法計(jì)算[4]。

K1=2GB(1-υ)

K2=16GB(1-υ)/(7-8υ)

K3=πGB3/180[3(1-υ)]

(3)

式中，K1——垂向剛度；

K2——水平剛度；

K3——扭轉(zhuǎn)剛度；

G——土壤剪切模量；

B——樁靴長(zhǎng)度；

υ——土壤的泊松比。

平臺(tái)的中邊界條件彈簧剛度系數(shù)見表5。

表5 彈簧邊界剛度系數(shù)

2.5 環(huán)境載荷計(jì)算

環(huán)境載荷主要包括風(fēng)、波浪及海流載荷。平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，通常按照最不利工況對(duì)平臺(tái)進(jìn)行校核，即將三種環(huán)境載荷的入射方向定義為同一方向，此時(shí)對(duì)平臺(tái)造成的水平力和傾覆力矩最大，平臺(tái)的工況為最不利工況[5]。

1)風(fēng)載荷。

p=0.613v2CHCS

(4)

式中：CH——高度系數(shù)，該平臺(tái)高度為149 m，CH=1.60；

CS——構(gòu)件的形狀系數(shù)，對(duì)于圓柱型構(gòu)件CS=0.5；

v——最大風(fēng)速，根據(jù)表2，v=51.4 m/s。

由此得p=1 295.6 Pa。平臺(tái)最大受風(fēng)面積取平臺(tái)側(cè)面，入射角度240°，有效面積為490 m2，因此平臺(tái)所受的最大水平風(fēng)載為634.8 kN，造成的傾覆力矩為87,037.1 kN·m。風(fēng)載荷加載到海洋平臺(tái)船體部分的受風(fēng)面上。

2)波浪載荷。按照慣例，自升式平臺(tái)的樁腿是按小尺度結(jié)構(gòu)來(lái)考慮的，使用莫里森公式計(jì)算其波浪力，計(jì)算出波浪載荷為12 375.9 kN，傾覆力矩為507 802 kN·m。波浪載荷加載到海平面附近的樁腿上。

3)海流載荷。

F=0.5KρV2A

(5)

式中：K——流力系數(shù)，通常取拖曳力系數(shù)的值。

最終海流載荷為10 236.9 kN，海流傾覆力矩為421 307 kN·m[6]。海流載荷加載到海平面以下的樁腿上。

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于該平臺(tái)結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，因此作用方向在平臺(tái)中取為180°～360°即可，每30°一個(gè)，共7個(gè)方向。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2所給環(huán)境條件進(jìn)行有限元計(jì)算分析，將計(jì)算出的反力與部件的最大能力載荷相比，校核其安全性。

3.1 樁腿強(qiáng)度

按AISC校核樁腿的強(qiáng)度，樁腿弦桿作業(yè)工況下最大應(yīng)力比(最大應(yīng)力和許用應(yīng)力之比)為0.74，位置為艏樁腿圍井下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與樁腿交界處，環(huán)境載荷方向?yàn)?00°入射；樁腿弦桿自存工況下最大應(yīng)力比為0.99，位置為右后樁腿圍井下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與樁腿交界處，環(huán)境載荷方向?yàn)?40°入射。樁腿在平臺(tái)作業(yè)及自存工況下，所受最大應(yīng)力均小于其材料的屈服極限，所以強(qiáng)度滿足要求。

3.2 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(gè)平臺(tái)的安全，采用具有相當(dāng)剛度的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，通過(guò)分析其受力大小，可校核鎖緊系統(tǒng)的承載能力，平臺(tái)在各種情況下鎖緊系統(tǒng)的校核情況見表6。

表6 鎖緊系統(tǒng)能力校核 MN

分析表6結(jié)果可知，鎖緊系統(tǒng)的名義載荷比值(即表6U.C.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。

3.3 預(yù)壓載性能

三角形的自升式平臺(tái)一般是用壓載艙加載方法預(yù)壓，使3個(gè)樁腿同時(shí)承受船體的全部重量和壓載重量，這時(shí)船體相當(dāng)于3點(diǎn)支撐，沒(méi)有扭曲變形問(wèn)題。根據(jù)基本設(shè)計(jì)圖紙，該平臺(tái)預(yù)壓載時(shí)船體總重量為22 226 t，單樁的最大預(yù)壓載能力為78 MN。表7表明平臺(tái)具有較好的預(yù)壓載能力，能夠滿足給定環(huán)境條件下的預(yù)壓載要求。

表7 預(yù)壓載能力校核

3.4 樁靴承載性能

根據(jù)基本設(shè)計(jì)，本平臺(tái)樁靴的設(shè)計(jì)最大容許承載力為78 MN，表8中樁靴載荷比均小于1，表明樁靴強(qiáng)度滿足平臺(tái)站立工況要求。

表8 樁靴承載能力校核

3.5 抗傾穩(wěn)性

平臺(tái)的抗傾力矩要考慮平臺(tái)自重產(chǎn)生的回復(fù)力矩和海床在樁靴的吸附及摩擦力所產(chǎn)生的抗拔力矩，按ABS相關(guān)公約中規(guī)定，作業(yè)條件下，自升式平臺(tái)抗傾安全系數(shù)KS不應(yīng)低于1.5；自存條件下不應(yīng)低于1.3。平臺(tái)沿最危險(xiǎn)的兩個(gè)方向的抗傾穩(wěn)性結(jié)果見表9，平臺(tái)抗傾穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

表9 抗傾穩(wěn)性校核

以有限元模型計(jì)算分析該自升式平臺(tái)常見結(jié)構(gòu)性能，因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境較惡劣，其安全要求比我國(guó)沿海工作的平臺(tái)高。另外文中的計(jì)算過(guò)程忽略了海底基礎(chǔ)對(duì)樁靴的扭轉(zhuǎn)約束，在平臺(tái)服役期間遇到了文中涉及的相同外載，平臺(tái)實(shí)際的結(jié)構(gòu)綜合性能要優(yōu)于文中的計(jì)算結(jié)果，因此在校核平臺(tái)整體性能時(shí)，應(yīng)更細(xì)致考慮外部約束和平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，提升校核的準(zhǔn)確性。

[1] 汪張?zhí)?趙建亭.自升式鉆井平臺(tái)在我國(guó)海洋油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].船舶,2008(1):10-15.

[2] 吳 南，馮 帆.某自升式平臺(tái)升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估[J].船海工程，2014，43(2)：144-145.

[3] 李紅濤,徐 捷，李 曄.自升式海洋平臺(tái)站立狀態(tài)下的性能分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2009,24(4):17-19.

[4] 王 鋼,孟祥偉,彭 曼,等.自升式平臺(tái)支撐升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2011(7):13-15.

[5] 顧恩凱,黃維平,孫銘遠(yuǎn).自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)方法研究[J].中國(guó)造船,2011(S1):27-30.

[6] MSC.Overall Basic Design for Jack-up[M].Gusto MSC,2007.