高　暢， 曲健冰， 李紅濤

(中國船級社 海工技術(shù)中心，天津 300452)

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三樁腿自升式平臺拔樁作業(yè)有限元計算方法研究

高暢， 曲健冰， 李紅濤

(中國船級社 海工技術(shù)中心，天津 300452)

摘要：拔樁作業(yè)是自升式平臺由支撐狀態(tài)向漂浮狀態(tài)過渡的重要過程，雖然相對平臺整個作業(yè)周期而言，這一過程持續(xù)時間較短，但實際操作中卻為平臺損傷多發(fā)工況。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，對平臺的校核主要針對作業(yè)和自存狀態(tài)，而對于這一工況尚未給予足夠的重視。該文以三樁腿91 m帶樁靴的桁架腿自升式平臺為例，對拔樁工況主要受力狀態(tài)及模擬方法進行了研究，其中包括：拔樁狀態(tài)下主船體吃水及傾角的預(yù)估；靜水壓力的施加和校核模型主船體及樁腿強度的計算。利用該文計算方法得到的結(jié)果，能夠較為真實地模擬平臺拔樁作業(yè)時船體的漂浮狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：自升式平臺；拔樁工況；有限元分析；平臺浮態(tài)

0引言

自升式平臺作業(yè)的狀態(tài)包括：平臺拖航、就位、樁腿下放、插樁、預(yù)壓載、升船、作業(yè)/自存、降船、拔樁、樁腿提升、拖航。拔樁作業(yè)是自升式平臺由支撐狀態(tài)向漂浮狀態(tài)過渡的重要過程，也是正常作業(yè)不可缺少的重要組成部分。拔樁是利用船體浮力將插入海底泥沙中的樁靴拔起，并提升到船底部預(yù)定高度的過程。然而，迄今為止國內(nèi)外對于自升式平臺拔樁研究還沒有成熟的計算和評估方法[1]，并且不是所有平臺的操作手冊中都對此狀態(tài)給出了明確的限制說明。該文以某91 m桁架式樁腿自升式平臺為例，建立精確的ANSYS三維有限元模型，以探索拔樁工況平臺浮態(tài)為突破點，研究此工況下主船體及樁腿強度的計算方法和思路，為實際工程作業(yè)提供技術(shù)參考。

1拔樁操作簡介

帶樁靴的自升式平臺在移位之前，需要將插入到海床中的樁靴從海底土壤中拔出(為了破壞樁靴與海底之間的吸附力，一些平臺還專門設(shè)置了沖樁管線，以達到減小拔樁力的目的)。為達到這一目的，需要將平臺主船體下降至水中，當(dāng)主船體吃水達到拖航吃水后，繼續(xù)增加平臺吃水，此時平臺的浮力大于重力，即進入拔樁過程。拔樁力源于主船體的浮力與重力之差，通過齒輪齒條將其傳遞到樁腿上，最終傳遞至樁靴。

拔樁過程中，為使某一特定樁腿達到足夠的單樁拔樁力，平臺會產(chǎn)生一定角度的傾斜，尤其在平臺剩余最后一個樁腿未拔活時，主船體處于半漂浮狀態(tài)，此時的傾斜角度相對較大。然而過大的傾角會使平臺主體結(jié)構(gòu)受力不均，造成船體結(jié)構(gòu)及樁腿的損壞。因此在實際拔樁作業(yè)過程中，平臺需逐漸增大整體吃水，并時刻關(guān)注船體的傾斜角度，在保證達到足夠拔樁力的同時，也要避免平臺過傾現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

根據(jù)平臺自身結(jié)構(gòu)類型、樁靴入泥深度及海況等諸多因素，平臺拔樁作業(yè)會面臨多種工況。例如：可多條樁腿同時進行拔樁；先拔入泥最深的樁腿；當(dāng)已有部分樁腿已經(jīng)拔活時，依次拔剩余的樁腿等情況。該文以三樁腿自升式平臺為例，挑選以下幾個典型工況進行分析：

(1) 單樁拔樁工況：只剩余一條樁腿未拔活。此時平臺處于半漂浮狀態(tài)，所有浮力與重力的差值全部由單樁承受[3]。

(2) 雙樁拔樁工況：已拔活一條樁腿，同時拔其余兩樁。

(3) 三樁拔樁工況：三條樁腿同時拔樁。此時平臺可能需要較深的吃水，主船體承受較大的靜水壓力。

2平臺浮態(tài)的確定

不同的拔樁工況，主船體會呈現(xiàn)出不同的浮態(tài)，因此，如何確定各工況下主船體的吃水及傾斜角度尤為重要。首先通過查閱平臺操作手冊或根據(jù)齒輪的最大升降能力，推算出單樁極限拔樁力；再根據(jù)浮力、重力、拔樁力的平衡方程，計算出平臺所受的浮力，從而推出主船體平均吃水深度。

單樁拔樁、雙樁拔樁兩工況，采用迭代法計算平臺傾角。首先任意給出一個平臺的“假定傾角”，按照此“假定傾角”將靜水壓力施加到模型主船體外殼上。對模型進行試算，從計算結(jié)果中提取出模型的位移，推算出此時模型的傾斜角度，稱為“計算傾角”。調(diào)整“假定傾角”，重新施加面壓再次試算，如此循環(huán)，直到“假定傾角”和“計算傾角”相同為止，此時即為平臺的實際浮態(tài)，“假定傾角”和“計算傾角”示意圖如圖1、圖2所示。計算時，從0°開始，以每0.1°為一個循環(huán)步長，估算出解所在的區(qū)間，在此區(qū)間里以0.01°為一個循環(huán)進行計算，從而精確求解。

圖1　主船體水線以下濕表面靜水壓力分布圖(假定傾角示意圖)

圖2　主船體變形圖(計算傾角示意圖)

三樁同時拔樁工況，需使三個樁腿同時達到或接近最大拔樁力。由于三條樁腿同時受約束，因此計算得到的模型位移僅為主船體承受靜水壓力產(chǎn)生的變形，而并不能反映平臺的傾斜角度，無法通過迭代計算方法確定船體浮態(tài)。因此，此工況通過調(diào)整模型樁腿底部的初始位移使主船體產(chǎn)生傾斜，以此來模擬主船體傾角，再以對應(yīng)的傾斜角度將靜水壓力施加到主船體四周外殼，從而找到三樁腿均達到最大拔樁力時，主船體的浮態(tài)。

3模型邊界條件及載荷的簡化

3.1邊界條件

在樁靴半高處對所拔樁腿采取固定約束，對于已經(jīng)拔活的樁腿則完全放開約束。

3.2載荷的施加方式

自升式平臺在拔樁過程中所承受的載荷主要包括：

(1) 重力：包括平臺的固定載荷和可變載荷。固定載荷主要包括平臺自重和設(shè)備重量，可變載荷主要包括各液艙的配載、平臺作業(yè)的相關(guān)載荷等等。

(2) 浮力：主船體浮力按預(yù)估的浮態(tài)，以靜水壓力的形式施加到主船體外殼上。此外平臺樁腿也承受重力和浮力，可通過調(diào)整模型中樁腿材料的密度，使模型樁腿重量與樁腿實際水重一致。

(3) 環(huán)境載荷：環(huán)境載荷包括風(fēng)載荷和波流載荷。拔樁工況主船體下降至水面以下，因此除樁腿外，主船體也受波流作用產(chǎn)生阻力?？筛鶕?jù)海上拖航阻力估算方法，以拖航速度模擬流速，計算主船體產(chǎn)生的波流阻力[4]。

4算例

該文以某91 m桁架式樁腿自升式平臺為例，對拔樁工況主船體及樁腿強度進行計算。算例平臺主船體為多邊形箱體結(jié)構(gòu)。圍阱區(qū)為三角形，圍阱區(qū)上端設(shè)有升降室，升降裝置位于升降室內(nèi)，用以升降及約束樁腿垂直位移。升降室的頂部及圍阱區(qū)底部設(shè)有上、下導(dǎo)向，用以約束樁腿與船體之間水平相對運動。平臺樁腿弦桿為圓柱齒條式，平臺升降室通過齒輪與齒條的嚙合保證主船體的升降。

4.1建立模型

利用ANSYS大型有限元軟件，建立包括主船體、桁架樁腿在內(nèi)的平臺有限元模型。模型為空間板單元、梁單元、管單元的組合結(jié)構(gòu)。對于平臺附屬結(jié)構(gòu)，例如生活樓、甲板室、直升飛機平臺等沒有直接進行建模，而是通過將這些結(jié)構(gòu)簡化成載荷的形式施加到平臺上。平臺有限元模型如圖3所示，主船體有限元模型如圖4所示。

圖3　平臺整體有限元模型　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　主船體有限元模型

4.2推算平臺浮態(tài)

根據(jù)算例平臺操作手冊給出的平臺最大升降能力8 790 t，推算出最不利情況時單樁拔樁力為2 903 t，從而估算出算例平臺在三種工況下的平均吃水，見表1。

表1　各工況平臺平均吃水

迭代計算平臺傾角前，應(yīng)先將環(huán)境載荷施加到模型主船體及樁腿上，具體方法見參考文獻[5]。

4.2.1單樁拔樁工況

單樁拔樁工況平臺傾角試算值見表2，平臺傾角插值圖如圖5所示。

表2　單樁拔樁工況平臺傾角試算表

圖5　單樁拔樁工況平臺傾角試算圖

4.2.2雙樁拔樁工況

雙樁拔樁工況平臺傾角試算值見表3，平臺傾角插值圖如圖6所示。

表3　雙樁拔樁工況平臺傾角試算表

圖6　雙樁拔樁工況平臺傾角試算圖

平臺艏艉吃水差應(yīng)隨傾斜角度的增大逐漸增大，而模型計算值卻與試算角度成反比，兩條曲線交點對應(yīng)的角度即為平臺真實的傾斜角度。

4.2.3三樁拔樁工況

三樁同時拔樁工況，通過調(diào)整模型樁腿底部的初始位移來模擬主船體傾角。當(dāng)算例模型艏樁腿鉸支點初始位移為-0.07 m時，三樁腿拔樁力均較為接近極限拔樁力2 903 t，因此，推算出此工況平臺主船體傾角為0.06°。

由上述計算得出三種工況下，主船體的浮態(tài)，見表4。

表4　不同工況下主船體浮態(tài)

4.3計算結(jié)果

各工況樁腿底部拔樁力的分布見表5。

表5　各工況樁腿底部拔樁力的分布

計算得到的平臺最大位移見表6，各工況位移云圖如圖7、圖8、圖9所示。

表6　拔樁工況最大位移

圖7　單樁拔樁工況位移云圖

圖8　雙樁拔樁工況位移云圖 　　　　　　　　　　　　圖9　三樁拔樁工況位移云圖

根據(jù)算例平臺圖紙資料，其主船體結(jié)構(gòu)采用屈服極限為235 MPa的普通鋼，樁腿弦桿則采用屈服強度為690 MPa的高強度鋼。根據(jù)CCS規(guī)范，取相當(dāng)應(yīng)力安全系數(shù)為1.11[6]，計算得到的主船體及樁腿最大應(yīng)力見表7，最大應(yīng)力發(fā)生位置如圖10、圖11所示。

表7　拔樁工況最大應(yīng)力

圖10　主船體最大應(yīng)力位置圖(雙樁拔樁工況)　　　　圖11　樁腿最大應(yīng)力位置圖(雙樁拔樁工況)

算例平臺在拔樁工況下主船體最大應(yīng)力發(fā)生在圍阱區(qū)與固樁架連接位置，樁腿最大應(yīng)力發(fā)生在下導(dǎo)向附近。對于其他平臺的類似區(qū)域也同樣較為危險，應(yīng)在拔樁工況予以重點關(guān)注。

5結(jié)語

該文以某91 m桁架式樁腿自升式平臺的拔樁強度計算為例，為自升式平臺拔樁工況主船體及樁腿的分析提供了一套行之有效的計算方法。即通過迭代計算、設(shè)定初始位移等方法找到拔樁工況下平臺的吃水及傾斜角度，并據(jù)此施加靜水壓力，計算并校核主船體及樁腿的屈服強度。該方法從平臺拔樁作業(yè)的實際浮態(tài)出發(fā)，較為真實的模擬出主船體及樁腿的受力情況，對工程實踐具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻

[1]宋林松, 曹式敬, 李軍偉, 等. 基于拔樁能力的自升式平臺海外作業(yè)優(yōu)選[J]. 海洋石油, 2010, 30(4): 106-110.

[2]劉政, 常密生, 郭曉亮, 等. 帶樁靴自升式平臺拔樁問題探討[J]. 科技與企業(yè), 2013, 22(7):208-209.

[3]李溢涵, 唐友剛. 自升式平臺單樁極限拔樁力的研究[J]. 中國海洋平臺, 2011, 26(5):24-26.

[4]中國船級社. 海上拖航指南[M]. 北京：人民交通出版社, 2011.

[5]李紅濤, 李曄. 自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強度分析研究[J]. 中國海洋平臺. 2010, 25(2):28-33.

[6]中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

Research on Analysis Method of Uplift Condition for Jack-up

GAO Chang, QU Jian-bing, LI Hong-tao

(Marine Technology Center of CCS, Tianjin 300452, China)

Abstract：Uplift operation of jack-up is an important process of transition from standing to floating condition. Although it takes a short time relative to the whole operation cycle of platform, but it is a dangerous condition. In traditional design, enough attention has not been given for uplift condition compared with working and storm conditions. Take a 300ft self-elevating drilling unit for example, the way of simulating and simplifying the main force on the jack-up during uplift condition is studied. Including the estimate of the draft and angle of platform; apply the hydrostatic pressure and check the strength of hull and legs. This method can reflect the real draft and inclination angle of the platform.

Keywords：jack-up; uplift condition; finite element analysis; float state of hull

中圖分類號:P752

文獻標(biāo)識碼：A