自升式平臺壓載量準(zhǔn)靜態(tài)計算方法應(yīng)用研究

宋林松 王建軍 黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司)

自升式平臺壓載量準(zhǔn)靜態(tài)計算方法應(yīng)用研究

宋林松 王建軍 黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司)

目前自升式平臺壓載量是按照極限環(huán)境條件設(shè)定的,一般遠(yuǎn)大于平臺作業(yè)工況條件需要的壓載量,有時會影響到平臺的作業(yè)適用性,因此研究了根據(jù)作業(yè)井位環(huán)境條件確定平臺壓載量的方法。以海洋石油941平臺為例,探討了利用準(zhǔn)靜態(tài)法計算平臺在各種海況下實際需要壓載量的流程,并將該方法用于海外某作業(yè)平臺的壓載量分析。分析結(jié)果表明,在一定的環(huán)境條件下,利用準(zhǔn)靜態(tài)法計算結(jié)果確定平臺壓載量可以減小平臺樁靴入泥深度,從而降低拔樁難度,提高平臺的作業(yè)適用性。

準(zhǔn)靜態(tài)法 自升式平臺 環(huán)境載荷 壓載量計算

在平臺操作手冊中,對自升式平臺的壓載量一般是按照最大作業(yè)水深和極限風(fēng)暴狀態(tài)設(shè)計的。但在很多情況下,平臺實際作業(yè)水深小于其最大作業(yè)水深,實際作業(yè)環(huán)境載荷也低于其最大環(huán)境載荷,此時自升式平臺實際需要的樁腳支撐能力明顯低于設(shè)計值。2008年版美國船級社《海上移動平臺入級與建造標(biāo)準(zhǔn)》(ABS規(guī)范)允許根據(jù)環(huán)境條件確定平臺的壓載量[1],這樣,通過降低預(yù)壓載量就可以減小平臺樁腳的入泥深度,從而降低拔樁難度,提高平臺作業(yè)的安全性。在環(huán)境條件比較溫和、作業(yè)區(qū)域土體承載能力相對較弱的海域,已有自升式平臺嘗試過降低壓載量,但這種嘗試是基于經(jīng)驗的。筆者借助于有限元軟件,根據(jù)我國海洋石油941平臺作業(yè)參數(shù),探討了利用準(zhǔn)靜態(tài)分析法根據(jù)環(huán)境條件確定平臺壓載量的計算程序,并以COSL-CONFIDENCE平臺為例進(jìn)行了壓載量分析,以期為定量計算壓載載荷提供參考。體,其固有振動頻率與平臺自身結(jié)構(gòu)、作業(yè)載荷、船體高度等參數(shù)有關(guān),環(huán)境載荷對平臺的振動產(chǎn)生一種激勵,即在平臺上附加一種慣性力——動態(tài)載荷。因此,在計算平臺壓載量時既要計算平臺自身載荷,還要考慮風(fēng)、波、流等產(chǎn)生的外部載荷及動態(tài)載荷,分析流程如圖1所示。

1 自升式平臺載荷動態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析方法

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)法分析流程圖

自升式平臺的樁腳除了要承擔(dān)平臺自身載荷外,還要承受風(fēng)、波、流等環(huán)境載荷作用在船體、樁腿和設(shè)備上產(chǎn)生的橫向力和力矩。將風(fēng)暴狀態(tài)站立和鉆井狀態(tài)站立的自升式平臺看作為一種彈性振動

圖1所示方法為準(zhǔn)靜態(tài)法,包括兩個分析步驟: (1)建立分析結(jié)構(gòu)的有限元分析模型,進(jìn)行動態(tài)載荷分析;(2)將動態(tài)載荷和風(fēng)、波、流產(chǎn)生的外部載荷代入有限元模型,分析樁腳反力和結(jié)構(gòu)的安全性。在第二個分析步中實際上用靜態(tài)力代替了波浪產(chǎn)生的動態(tài)響應(yīng),因此該分析過程叫做準(zhǔn)靜態(tài)模擬[1-2]。

在第一個分析步中需要引入動態(tài)放大系數(shù)(DAF)。DAF是動態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)的比值,用于近似計算各種結(jié)構(gòu)響應(yīng),例如平臺的傾覆力矩、船體的橫向載荷與橫向位移等。一般DAF可用式(1)計算,當(dāng)對計算結(jié)果的精度要求比較嚴(yán)格時,可在式(1)的基礎(chǔ)上,按SNAME5-5A給出的時域或隨機動態(tài)分析法計算[2]。

式(1)中:Tp為平臺自振周期,s;T為波浪周期,s; ξ為阻尼系數(shù),一般取ξ=0.05～0.07。

自升式平臺站立狀態(tài)的振動周期一般為3～15s,低于波浪周期,平臺一般不會與波浪產(chǎn)生共振[3]。因此,平臺設(shè)計人員在設(shè)計時通常采用DAF的上限值,以避免平臺振動頻率與波浪頻率接近時出現(xiàn)計算結(jié)果的歧變。

2 等效有限元模型

以我國海洋石油941平臺為例,建立等效有限元模型(圖2)。該平臺模型包括4種單元:梁單元,管單元,浸沒管單元及質(zhì)量單元。梁單元主要用于模擬樁腿弦桿和船體主要承載結(jié)構(gòu);管單元用于模擬樁腿各種撐管;浸沒管單元用于模擬波、流施加在樁腿上的載荷;質(zhì)量單元用于模擬平臺設(shè)備重量并按傾斜實驗數(shù)據(jù)調(diào)整平臺重心的位置。

圖2 海洋石油941平臺等效有限元模型

建立平臺等效有限元模型時應(yīng)注意以下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的模擬:

(1)樁腿弦桿的模擬 樁腿弦桿的模擬包括弦桿剛度的計算和曳力系數(shù)(CD)的模擬:弦桿模型采用了單元耦合技術(shù),即在弦桿節(jié)點上既建有梁單元,又建有浸沒管單元。

考慮到弦桿結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和環(huán)境載荷作用方向的變化性,本文模型按照弦桿實際結(jié)構(gòu)、利用梁單元建模,利用有限元軟件自動計算弦桿沿各方向的剛度和轉(zhuǎn)動慣量;同時按照平臺基本設(shè)計,建模時不考慮齒條剛度對樁腿剛度的影響。

由于每條樁腿3根弦桿的方向不一致,每根弦桿的曳力系數(shù)不同;隨著波浪和海流方向的變化,弦桿的曳力系數(shù)也發(fā)生變化,所以模擬時需要根據(jù)每個環(huán)境載荷作用方向計算出每根弦桿的曳力系數(shù),調(diào)整浸沒管單元的關(guān)鍵參數(shù)。

(2)樁腿與船體連接處的模擬 樁腿與船體的連接剛度對平臺的動態(tài)分析非常重要,會直接影響平臺的自振頻率。根據(jù)每座平臺固樁裝置的不同,船體與樁腿之間的連接形式可以簡化為:①剛性連接;②存在轉(zhuǎn)動剛度的彈性連接;③允許一定轉(zhuǎn)動的剛性連接。941平臺采用齒形鎖緊裝置,因此其船體與樁腿之間為剛性連接。本文模型在船體與樁腿之間加上了剛性較大的梁單元,以獲得鎖緊裝置的受力。

(3)平臺模型重心的處理 941平臺模型總質(zhì)量為19 817t,包括樁腿質(zhì)量、船體質(zhì)量和可變載荷。通過調(diào)節(jié)各質(zhì)量單元的位置可使平臺模型的重心與風(fēng)暴自存狀態(tài)時的平臺重心位置相同。

(4)邊界條件(樁靴約束方式)的確定 平臺在站立狀態(tài)時樁腿插在海底土壤中,對平臺樁腿-樁靴的約束可以簡化為:①海床面3m以下鉸接;②樁靴中部鉸接;③樁靴中部鉸接同時施加轉(zhuǎn)動彈性約束。通常認(rèn)為,第一種約束偏于危險,第二種約束偏于保守,第三種約束較為符合實際,故進(jìn)行平臺設(shè)計時一般采用第三種約束,進(jìn)行平臺強度校核時一般采用第二種約束。本次計算采用第二種約束,即在樁靴中部施加 x、y、z三個方向的位移約束。該約束方式與平臺基本設(shè)計所用的約束方式相同。

3 計算程序

3.1 波流載荷計算

941平臺作業(yè)海況條件為水深100m、波高22m、流速0.51)Hai Yang Shi You 941 Marine Operating Manual . 2006.m/s、波浪周期15.5s、風(fēng)速44.8m/ s、平臺氣隙19.8m、樁靴入泥深度3.1m。

由于水深較大,利用 Stokes五階波理論和Morison公式計算海流和波浪對平臺樁腿的作用力?？紤]沿樁腿縱向不同深度的波流速度與波浪相位角度有關(guān),在相位角0°～360°范圍內(nèi)計算了波流橫向力和平臺重心橫向位移值,計算結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 波流載荷及平臺重心橫向位移計算結(jié)果

表1 平臺樁腿反力及平臺重心橫向位移計算結(jié)果

3.2 模態(tài)分析和慣性載荷計算

按照ABS規(guī)定,采用單自由度法(SDOF)計算平臺動態(tài)載荷。利用有限元模型計算,得出海洋石油941平臺第一階自振周期為9.69s;利用式(1)計算動態(tài)放大系數(shù)為1.642;慣性載荷 Fi利用式(2)計算。

式(2)中 Fw,man、Fw,min分別為波流力的極大值和極小值。計算得出的 Fi為2 615.3kN(表1),該慣性載荷的作用點為平臺船體的重心。

3.3 風(fēng)載荷計算

由于平臺基本設(shè)計已給出了相對于平臺各方位的風(fēng)載荷,本文將此結(jié)果直接用于了有限元計算。

3.4 二次彎曲效應(yīng)

在風(fēng)、浪、流作用下,平臺沿作用力方向產(chǎn)生了橫向位移(表1),相當(dāng)于將平臺重力(P)作用點移動了Δ距離,即在平臺上施加了 P·Δ的力矩,這種現(xiàn)象稱作二次彎曲,也叫歐拉放大效應(yīng)。二次彎曲可以用不同的方法模擬,例如降低平臺樁腿等處的剛度。本次計算中直接在平臺上施加了力矩 P·Δ。

3.5 計算結(jié)果

海洋石油941平臺最終模擬計算結(jié)果列于表1?？梢?在前述工況下平臺重心橫向位移達(dá)到1.524m,平臺的最大樁腿反力為94 638.5kN,該反力低于操船手冊規(guī)定的預(yù)壓載最小樁腿反力105 546.0kN(10 770t)1),但相差不大。最后還要利用常規(guī)方法計算平臺的抗橫向滑移能力和抗傾覆能力,這里不作贅述。

4 方法應(yīng)用

4.1 應(yīng)用實例

在某次海外作業(yè)平臺的適應(yīng)性分析中,由于作業(yè)區(qū)域海床地質(zhì)疏松,根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料和操船手冊規(guī)定的壓載量進(jìn)行計算,作業(yè)區(qū)所有自升式平臺的樁靴入泥深度均應(yīng)在20m以上,大大超過了操船手冊規(guī)定的入泥深度,而樁靴入泥過深將帶來拔樁困難的問題。為解決這一問題,決定根據(jù) 2008年版ABS規(guī)范[1],嘗試根據(jù)環(huán)境條件確定實際壓載量。

以COSL-CONFIDENCE平臺為例,按100年一遇重現(xiàn)期選取風(fēng)暴環(huán)境載荷,作業(yè)水深為21m,水面流速為1.1m/s,泥面流速為0.4m/s,最大波高為9.8m,最大風(fēng)速為36.7m/s;該平臺樁腿反力、壓載量計算結(jié)果見表2。

表2 COSL-CONFIDENCE平臺作業(yè)環(huán)境載荷及樁腿反力、壓載量計算結(jié)果 (kN)

4.2 應(yīng)用條件

本方法只適用于海況比較溫和的條件。在非臺風(fēng)季作業(yè)時,很多探井作業(yè)時間相對短,且作業(yè)期間風(fēng)力、波高和海流速度相對較小,因此可以嘗試上述降低壓載量的作法。

此外,本方法適用于樁靴位置處為土體抗剪切強度隨深度漸次增加的粘土層的井位。因為在這種情況下滿壓載和部分壓載對平臺樁靴入泥深度的影響較大,對將來拔樁阻力的影響也很大,所以降低壓載的效果比較明顯。對于海底土壤比較硬的海床,海底流的沖刷作用是影響平臺站立安全的主要因素,這種情況下應(yīng)增大壓載量或采用邊壓載邊沖樁等方法[4]增加樁靴的入泥深度。

4.3 應(yīng)用效果

取 COSL-CONFIDENCE平臺左樁腿反力59 409kN折合為壓載量6 062.0t,樁靴壓強為26.17t/m2(操船手冊要求其樁腿反力為90 263.8 kN,合壓載量為9 210.6t,樁靴壓強為39.77t/m2,可見均滿足要求)。根據(jù)該壓載量和已知地質(zhì)鉆孔資料用準(zhǔn)靜態(tài)法計算樁靴入泥深度,最終計算結(jié)果表明,其入泥深度能夠減少3～5m。

再根據(jù)對抗橫向滑移能力和抗傾覆能力進(jìn)行的校核,可知該壓載量足夠大,滿足工程需要,因此該平臺可以安全作業(yè)。

5 結(jié)束語

以海洋石油941平臺和COSL-CONFIDENCE平臺為例,探討了利用準(zhǔn)靜態(tài)法計算自升式平臺壓載量的計算程序,并進(jìn)行了平臺壓載量分析。根據(jù)平臺實際作業(yè)環(huán)境載荷,利用準(zhǔn)靜態(tài)法進(jìn)行計算,能夠更合理地確定一定條件下自升式平臺的壓載量,減小樁靴入泥深度,從而降低拔樁難度,提高自升式平臺作業(yè)的安全性。

[1] AMERICAN BUREAU of SHIPPING.Rules for building and classing-mobile offshore drilling units[S].Houston:ABS, 2008.

[2]SOCIETY of NAVAL ARCHITECTS and MARINE ENGINEERS.Technical and research bulletin5-5A,guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units[M].New Jersey:SNAME,2002.

[3] AMERICAN BUREAU of SHIPPING.Dynamic analysis procedure for self-elevating drilling units[M].Houston:ABS, 2004.

[4] 周俊昌.南黃海鐵板砂海床插樁問題分析與對策[J].中國海上油氣:工程,2003,15(4):1-4.

(編輯:張金棣)

Abstract:At present,the preload value of jack-up is predetermined based on the most severe environmental conditions and it is generally far higher than the preload needed for the field operation condition,which will affect the operational applicability of the jack-up sometimes.Therefore,the method for calculating preload value of jack-up based on the environmental condition of its intended operation site is investigated.For the jack-up HYSY941,the quasi-static method was studied for calculating preload values of the jack-up under different sea conditions actually required.Then,this method was used for analyzing the preload values of a jack-up working offshore.The results of investigation and application show that quasi-static method could offer a reasonable preload value and decrease leg penetration so as to improve the operational applicability of jack-ups under certain sea conditions.

Key words:quasi-static method;jack-up;environmental conditions;preload value

Study and application of quasi-static method for calculating preload value of jack-up

Song Linsong Wang Jianjun Li Jianbo
(China Oilf ield Services Ltd.,CNOOC, Hebei,065201)

2009-07-21 改回日期:2009-10-27

宋林松,男,高級工程師,1993年畢業(yè)于原石油大學(xué)(華東),主要從事自升式平臺研究。地址:河北省三河市燕郊開發(fā)區(qū)海油大街18號(郵編:065201)。電話:010-84522531。