40自升式鉆井平臺(tái)樁腿加長(zhǎng)實(shí)踐

高德友，李洪濤，金學(xué)義

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 燕郊 101149;2.中國(guó)船級(jí)社天津分社，天津 300452)

40自升式鉆井平臺(tái)樁腿加長(zhǎng)實(shí)踐

高德友1，李洪濤2，金學(xué)義1

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 燕郊 101149;2.中國(guó)船級(jí)社天津分社，天津 300452)

平臺(tái)老齡化已成為中海油服鉆井裝備發(fā)展的瓶頸，船齡在30年以上的平臺(tái)已占現(xiàn)有平臺(tái)的30%～40%。如何充分發(fā)揮這些平臺(tái)的作業(yè)能力，使其在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行重新評(píng)估，改造提升其作業(yè)能力及適應(yīng)范圍，使其能完成典型區(qū)域的作業(yè)，已成為重要課題列入裝備管理的日程中。本文主要介紹了一國(guó)產(chǎn)平臺(tái)通過論證、計(jì)算并對(duì)樁腿進(jìn)行加長(zhǎng)，使其在滿足作業(yè)環(huán)境工況及設(shè)計(jì)規(guī)范情況下，適應(yīng)了作業(yè)任務(wù)。

屈服屈曲分析;風(fēng)暴自存;有限元分析;五階波理論;多普勒效應(yīng);載荷校核

0 引言

平臺(tái)樁腿加長(zhǎng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)改造屬于海洋工程專業(yè)，項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)渤海灣的油氣開發(fā)具有跨時(shí)代的意義。由于目前開發(fā)形式的需要，部分區(qū)塊的某些井位入泥較深(如LD21區(qū)塊/QHD35區(qū)塊)，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有平臺(tái)的設(shè)計(jì)入泥均不能滿足要求。因此，提出對(duì)國(guó)產(chǎn)平臺(tái)樁腿加長(zhǎng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)、改造項(xiàng)目。項(xiàng)目的完工將填補(bǔ)部分區(qū)塊，利用目前自升式平臺(tái)無法勘探開發(fā)的空白。在項(xiàng)目的主要設(shè)計(jì)階段查看了平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)、平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)、平臺(tái)升降、沖樁系統(tǒng)等相關(guān)圖紙;對(duì)平臺(tái)的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、工作穩(wěn)性、漂浮穩(wěn)性進(jìn)行了計(jì)算;引用了平臺(tái)安全評(píng)估的理論參數(shù)，對(duì)平臺(tái)樁腿加長(zhǎng)可行性設(shè)計(jì)進(jìn)行了論證，認(rèn)為平臺(tái)樁腿可以加長(zhǎng)2 m，此項(xiàng)目可以滿足CCS關(guān)于平臺(tái)建造的相關(guān)規(guī)范。

項(xiàng)目的主要內(nèi)容包括項(xiàng)目的可行性研發(fā)設(shè)計(jì)和根據(jù)研發(fā)定論進(jìn)行項(xiàng)目的具體實(shí)施。根據(jù)可行性設(shè)計(jì)結(jié)果及樁腿材料特性，制定樁腿加長(zhǎng)位置的方案，論證各種方案的可行性，最終得出在底部加長(zhǎng)為最佳方案;進(jìn)行焊接工藝評(píng)定的試驗(yàn)、制定并通過CCS的驗(yàn)收并執(zhí)行了改造安裝工程，從而使研發(fā)項(xiàng)目轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力。

1 改造思路

國(guó)產(chǎn)自升式鉆井船根據(jù)作業(yè)海區(qū)的需求，準(zhǔn)備對(duì)40自升式鉆井平臺(tái)樁腿底部接長(zhǎng)2 m，以滿足入泥深度要求和保持足夠氣隙。計(jì)算分析針對(duì)此次樁腿改造加長(zhǎng)，按原設(shè)計(jì)環(huán)境條件，對(duì)平臺(tái)在作業(yè)和風(fēng)暴自存工況下的樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈服及屈曲分析，從而確認(rèn)樁腿加長(zhǎng)的可行性。不但拓展了平臺(tái)鉆井作業(yè)適應(yīng)范圍，同時(shí)通過理論的計(jì)算及產(chǎn)業(yè)化的論證，成功的實(shí)踐了一條嶄新的平臺(tái)改造思路。

國(guó)產(chǎn)40型自升式平臺(tái)樁腿加長(zhǎng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)改造，對(duì)該平臺(tái)各種工作狀態(tài)的強(qiáng)度、穩(wěn)性進(jìn)行可行性論證，以確定它是否滿足特殊區(qū)塊的作業(yè)要求，這本身就是一項(xiàng)創(chuàng)新。同時(shí)開創(chuàng)了平臺(tái)改造，從單純的提高設(shè)備性能到提高設(shè)備性能與平臺(tái)拓展適應(yīng)水域及入泥深度相結(jié)合的改造思路的先河。這不僅是技術(shù)的創(chuàng)新，同時(shí)又是平臺(tái)管理及設(shè)備改造思路的創(chuàng)新。

2 計(jì)算模型

本次通過對(duì)國(guó)產(chǎn)40型自升式平臺(tái)樁腿加長(zhǎng)的可行性分析，建立有限元計(jì)算模型，包括平臺(tái)幾何結(jié)構(gòu)的模擬和平臺(tái)載荷條件的模擬，建立數(shù)據(jù)庫(kù)成為平臺(tái)永久的技術(shù)性檔案。

2.1 建模及有限元分析

國(guó)產(chǎn)40型自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析采用工作應(yīng)力方法，滿足CCS MODU RULER［2005］。根據(jù)本次計(jì)算分析主要針對(duì)樁腿強(qiáng)度，建模中對(duì)樁腿采用圓管單元進(jìn)行模擬，并計(jì)算實(shí)際樁腿內(nèi)的縱向加筋對(duì)慣性矩的影響;船體結(jié)構(gòu)采用剛性梁進(jìn)行有限元建模，保證結(jié)構(gòu)的合理性以及力傳遞的合理性;固樁結(jié)構(gòu)采用剛性梁進(jìn)行建模，采用PIN桿件來模擬上下環(huán)梁的插銷，并對(duì)桿件末端力進(jìn)行合理釋放;采用CHC桿件模擬固樁區(qū)上下楔塊，并對(duì)桿件末端力進(jìn)行合理釋放。建立有限元計(jì)算模型，包括平臺(tái)幾何結(jié)構(gòu)的模擬和平臺(tái)載荷條件的模擬，建立數(shù)據(jù)庫(kù)成為平臺(tái)永久的技術(shù)性檔案。根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸及結(jié)構(gòu)圖紙，輸入相關(guān)信息建立平臺(tái)原有有限元模型，并將所有平臺(tái)的檢測(cè)板厚數(shù)據(jù)輸入并比對(duì)。加入外表載荷，通過軟件自行計(jì)算分析。

2.2 計(jì)算程序

采用美國(guó)EDI公司的海工專用軟件 SACS(version5.2)，針對(duì)海上固定、移動(dòng)式結(jié)構(gòu)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，完成包括靜力、動(dòng)力以及疲勞分析在內(nèi)的各種分析計(jì)算。

2.3 載荷要素及模擬

作用于平臺(tái)上的外載荷主要包括固定載荷、可變載荷、環(huán)境載荷以及P－Delta力。固定載荷主要包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自重和設(shè)備載荷?？勺冚d荷主要涉及到各液艙的配載，平臺(tái)鉆井作業(yè)時(shí)相關(guān)載荷、甲板吊機(jī)載荷、其他生活供應(yīng)設(shè)備等，模型中將此重量載荷作為節(jié)點(diǎn)力作用于固樁區(qū)甲板位置，保證此載荷由船體合理傳遞到樁腿。環(huán)境載荷主要為風(fēng)、波浪和海流載荷。波浪載荷采用Morison公式計(jì)算波浪對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的作用力，水質(zhì)點(diǎn)的速度與加速度用Stokes五階波理論計(jì)算。通過充分考慮渤海區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)、海況及作業(yè)特點(diǎn)的相互影響，制定一套平臺(tái)載荷模擬的計(jì)算方式，提高了工作效率。

國(guó)產(chǎn)40型自升式鉆井船適應(yīng)的工作條件為入泥+水深＜52 m。因此計(jì)算分析針對(duì)此次樁腿改造加長(zhǎng)，按原設(shè)計(jì)環(huán)境條件，對(duì)平臺(tái)在操作和風(fēng)暴自存工況下的樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈服及屈曲分析，從而確認(rèn)平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求，并就此提出可行性分析。

2 .3 .1 “渤海9號(hào)”自升式鉆井船樁腿改造后參數(shù)

滿載排水量:6 570 t

樁腿中心橫向間距:27.4 m

樁腿中心縱向間距:34.8 m

樁腿總長(zhǎng)(接長(zhǎng)之后):80 m

樁腿分段(自底向上)主要特性見表1。

?

1)鉆井作業(yè)狀態(tài)

平臺(tái)結(jié)構(gòu)及設(shè)備4 843.16 t;

大鉤及立桿盒負(fù)荷450 t;

可變載荷1 500 t;

總計(jì)6 793.16 t。

2)風(fēng)暴自存狀態(tài)

平臺(tái)結(jié)構(gòu)及設(shè)備4 843.16 t;

大鉤及立桿盒負(fù)荷0;

可變載荷1 000 t;

總計(jì)5 843.16 t。

2 .3 .2 固定載荷、可變載荷

固定載荷和可變載荷在模型中為節(jié)點(diǎn)力作用于固樁區(qū)甲板位置，保證這些載荷由船體合理地傳遞到樁腿。

2 .3 .3 環(huán)境載荷

杭州瑞年貿(mào)易有限公司技術(shù)研究員何金鋼介紹：“多數(shù)蔬菜和瓜果類作物從前期生根到后期膨果階段對(duì)鈣的需求量非常高，甚至超過常見的大量元素。但因種植者鈣肥施用方式不合理和方法不科學(xué)，導(dǎo)致鈣肥吸收利用率一直上不去，甚至缺失，從而出現(xiàn)一些生理性病害。”

平臺(tái)計(jì)算所使用坐標(biāo)系原點(diǎn)位于平臺(tái)中心線尾端，X軸向首為正，Y軸向左舷為正，角度定義為與X軸正向成的夾角。對(duì)于平臺(tái)著底狀態(tài)(作業(yè)和自存)，環(huán)境載荷作用方向分別取為 0°，30°，45°，60°，90°，120°，135°和180°共8 個(gè)角度。

1)風(fēng)載荷

平臺(tái)處于作業(yè)狀態(tài)時(shí)，計(jì)算風(fēng)速為36 m/s;平臺(tái)為自存狀態(tài)時(shí)，計(jì)算風(fēng)速為51.5 m/s。作用于平臺(tái)的風(fēng)載荷按操船手冊(cè)取得，見表2(水深25 m，風(fēng)速10 m/s)。

?

因風(fēng)力和風(fēng)力矩與風(fēng)速的平方成正比，所以可由表2中的風(fēng)力及力矩求得在36 m/s和51.5 m/s風(fēng)速下的實(shí)際風(fēng)力，此值在載荷組合時(shí)由載荷系數(shù)調(diào)整得到。本計(jì)算將風(fēng)力平移到船體，將風(fēng)力施加到樁腿固樁區(qū)甲板位置，因?qū)嶋H風(fēng)壓中心要高于船體，所以產(chǎn)生風(fēng)力附加彎矩，模型中將此彎矩轉(zhuǎn)化為向上和向下的力偶作用于固樁區(qū)甲板節(jié)點(diǎn)。

2)波浪載荷

采用Morison公式計(jì)算波浪對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的作用力，水質(zhì)點(diǎn)的速度與加速度用Stokes五階波理論計(jì)算，

?

式中:ρ為海水密度，kg/m3;Cd為垂直于構(gòu)件軸線的曳力系數(shù)，由試驗(yàn)確定，當(dāng)實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對(duì)圓形構(gòu)件，可以取Cd=0.6～1.0，本平臺(tái)Cd取1;Cm為慣性力系數(shù)，由試驗(yàn)確定，當(dāng)實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對(duì)圓形構(gòu)件，可以取Cm=2.0，本平臺(tái)可取Cm=2.0;D為圓形構(gòu)件直徑，m;u為垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的速度分量，為其絕對(duì)值，當(dāng)海流與波浪聯(lián)合作用于平臺(tái)時(shí)，u為波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構(gòu)件方向上的分矢量，計(jì)算中假設(shè)海流沿水深呈線性分布。

根據(jù)API RP 2A－WSD(“海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法”)規(guī)定，對(duì)溫帶風(fēng)暴，波浪傳遞系數(shù)為0.95～1.0，本計(jì)算取1.0～5。

該規(guī)定中還指出，海流通過相鄰構(gòu)件時(shí)應(yīng)考慮其堵塞系數(shù)，對(duì)大密度構(gòu)件堵塞系數(shù)取0.70，對(duì)小密度構(gòu)件堵塞系數(shù)取0.90。本計(jì)算堵塞系數(shù)取0.85。

本計(jì)算還考慮了海流對(duì)波浪周期的影響作用，即多普勒效應(yīng)。

對(duì)每個(gè)方向入射的波浪，將多個(gè)波峰位置依次加到平臺(tái)結(jié)構(gòu)上以決定引起最大基底剪力和最大傾覆彎矩的波峰相位角。波流載荷由SACS程序自動(dòng)搜索計(jì)算完成，如表3所示。

3)流載荷

流載荷的計(jì)算與波浪力計(jì)算的拖曳力相似。將流速加到波浪水質(zhì)點(diǎn)速度上去，代入Morison方程中進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果便是流力與波浪力的組合。

4)P－Delta力

由于在波、流以及風(fēng)力的作用下，船體重心將產(chǎn)生橫向位移，因此在重力作用下對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生2次彎矩，此過程是一迭代過程，往往計(jì)算到2次即可滿足精度要求。此P－Delta效應(yīng)可由程序自動(dòng)計(jì)算完成。

5)載荷組合

作業(yè)、自存工況下取水深25 m，平臺(tái)基線距水面8 m。在作業(yè)及自存條件下，載荷的基本工況如表4所示。

2.4 計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)國(guó)產(chǎn)40型鉆井平臺(tái)的建模及不同工況下的載荷模擬計(jì)算分析，對(duì)該平臺(tái)各種工作狀態(tài)的強(qiáng)度、穩(wěn)性進(jìn)行論證，平臺(tái)樁腿加長(zhǎng)適應(yīng)要求，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過本課題的論證，開創(chuàng)了平臺(tái)改造，從單純的提高設(shè)備性能到提高設(shè)備性能與平臺(tái)拓展適應(yīng)水域及入泥深度相結(jié)合的改造思路的先河。這不僅是技術(shù)的創(chuàng)新，同時(shí)又是平臺(tái)管理、設(shè)備改造思路的創(chuàng)新。

［1］中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)建造與入級(jí)規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社.

［2］AISC(美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)規(guī)范).Allowable Stress Design 9th［S］.

［3］SACS version5.2［Z］.Engineering Dynamics，Inc.

［4］SNAME Technical Bulletin 5-5［Z］.A“Site Specific Assessment of Jack-Up”，2000.

Practice of lengthening jack up drilling rigs'legs

GAO De-you1，LI Hong-tao2，JIN Xue-yi1
(1.Chian Oilfield Service Limited Company，Yanjiao 101149，China;2.China Classification Society-Tianjin，Tianjin 300452，China)

The aging of the drilling rigs has become the choke point for the development of offshore drilling equipments.At present，the drilling rigs over 30 years account for 30% ～40%of the current drilling rigs in cosl.The issue of demonstrating their capabilities at the full capacity，finishing the operations in the typical fields through re-evaluation，upgrade to strengthen their abilities and applicable scope have already been regarded as outstanding subjects and been listed in the schedule of equipment management.This essay introduces the practice of lengthening the rig legs after precise proving and calculation，which enables the operations under the basis of meeting the operation environment and following the guidance of the design standard.

yield analysis;storm deposit;finite element analysis;stocks 5thorder wave theory;Doppler effect;loading evaluation

P752

A

1672－7649(2012)03－0130－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.030

2011－04－08;

2011－12－02

高德友(1972－)，男，工學(xué)學(xué)士，專業(yè)方向?yàn)楹Ｑ筱@井平臺(tái)設(shè)計(jì)。