DSJ-300自升式平臺(tái)風(fēng)暴環(huán)境生存能力

郭程新，黃 一，李紅霞，陳營營

(大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，大連 116023)

自升式平臺(tái)屬于海上移動(dòng)式平臺(tái)，由于其定位能力強(qiáng)和作業(yè)穩(wěn)定性好，在大陸架海域的油氣勘探開發(fā)中居主力軍地位[1]．但我國擁有的自升式平臺(tái)服役年限過久，絕大多數(shù)已超過20年，“勘探”2號(hào)和“南海”1號(hào)甚至已到達(dá) 30年．隨著海洋開發(fā)活動(dòng)由淺水向深水發(fā)展，海洋平臺(tái)面臨的環(huán)境條件愈發(fā)嚴(yán)酷，只對(duì)老舊平臺(tái)實(shí)施改造已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了惡劣的海洋環(huán)境對(duì)平臺(tái)性能的要求．自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新迫在眉睫．

目前很多學(xué)者都對(duì)自升式平臺(tái)風(fēng)暴自存強(qiáng)度進(jìn)行了研究[2-3]．但多局限于一種風(fēng)浪環(huán)境條件，且對(duì)平臺(tái)生存的限制條件考慮不夠全面．為此，筆者以大連船舶重工集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的 DSJ-300自升式平臺(tái)為例，考慮了平臺(tái)樁腿強(qiáng)度以及平臺(tái)升降裝置的性能，針對(duì)多種風(fēng)、浪、流環(huán)境及水深的組合研究了風(fēng)暴環(huán)境中自升式平臺(tái)的生存能力，給出了風(fēng)暴環(huán)境下平臺(tái)得以生存所能承載的最大可變載荷以及平臺(tái)無法生存的環(huán)境參數(shù)．通過計(jì)算得出的風(fēng)暴環(huán)境圖譜，可以評(píng)估自升式平臺(tái)在風(fēng)暴環(huán)境下的生存能力，為風(fēng)暴環(huán)境下平臺(tái)安全措施的制定提出了指導(dǎo)性建議．

1 平臺(tái)模型的建立

采用有限元方法分析風(fēng)、浪、流載荷作用下平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和基礎(chǔ)支反力．選用SESAM軟件進(jìn)行建模和計(jì)算．

DSJ-300自升式平臺(tái)主體為三角形，由3根樁腿支撐．樁腿是由3根弦管組成的三角形桁架結(jié)構(gòu)．平臺(tái)長度 62.8,m，總寬 60.2,m，主船體型深(側(cè)面)8.0,m，樁腿長度 125.300,m，平臺(tái)的空船重量為66,279.3,kN，可變載荷最小為 9 810 kN，最大為41,202,kN，樁腿和樁靴的總重量為21,895,kN．

圖1為在SESAM軟件GENIE模塊中建立的目標(biāo)平臺(tái)三維有限元模型．根據(jù)CCS規(guī)范[4]的推薦，采用了在泥面以下 3.05,m處對(duì)樁腿簡支的邊界條件．根據(jù) SNAME規(guī)范[5]46的推薦，采用梁結(jié)構(gòu)組成的空間梁系來模擬主船體，如圖2所示．

圖1 自升式平臺(tái)整體有限元模型Fig.1 FEM model of the whole self-elevating drilling unit

圖2 主船體梁系模型Fig.2 Hull model

有限元分析中樁腿和主船體連接的處理將直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性．在風(fēng)暴自存狀態(tài)下，平臺(tái)主要依靠鎖緊系統(tǒng)鎖死樁腿．樁腿弦桿與鎖緊系統(tǒng)通過齒輪齒條的嚙合連接在一起，如圖 3所示．在本研究中，通過釋放節(jié)點(diǎn)自由度來模擬此種連接方式，連接處模型如圖4所示．

正常情況下，梁單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6個(gè)方向的自由度，通過在節(jié)點(diǎn)上施加 hinge約束可以釋放節(jié)點(diǎn)自由度[6]．圖 4中，鎖緊系統(tǒng)部分顏色加深的 4根桿用來模擬鎖緊系統(tǒng)與弦桿相嚙合的齒條．其中，2根水平桿與主船體剛性連接在一起，與弦桿齒條相接的一端施加hinge約束(圖4中用圓圈標(biāo)注的節(jié)點(diǎn)為施加 hinge約束的節(jié)點(diǎn))，釋放除軸向位移外的 5個(gè)自由度，保證主船體與樁腿在鎖緊系統(tǒng)連接處的橫向位移相同．在 2根垂向桿與弦桿齒條相接的一端施加同樣的 hinge約束，限制其軸向位移，使主船體與樁腿在鎖緊系統(tǒng)連接處的垂向位移相同．除鎖緊系統(tǒng)外，主船體的上、下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)也與樁腿相連．在導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與樁腿相連的一端施加 hinge約束，保證樁腿與主船體在導(dǎo)向結(jié)構(gòu)連接處的橫向位移和水平面內(nèi)轉(zhuǎn)角相同，釋放其他4個(gè)方向的自由度．

圖3 樁腿弦桿與鎖緊系統(tǒng)實(shí)際連接圖Fig.3 Actual connection of leg chord and rackchock

圖4 樁腿與主船體連接的有限元模型Fig.4 FEM model of leg-hull connection

2 載荷計(jì)算方法

本研究考慮了風(fēng)、浪、流 3種環(huán)境載荷的作用．假設(shè)風(fēng)、浪、流同向，選取了 7個(gè)入射方向(0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°)，評(píng)估在不同入射方向的風(fēng)、浪、流載荷作用下平臺(tái)的樁腿強(qiáng)度、抗傾穩(wěn)性、預(yù)壓要求、鎖緊系統(tǒng)和升降裝置的承載要求．

本研究選擇4個(gè)水深、3個(gè)風(fēng)速、20個(gè)波高和 6個(gè)流速進(jìn)行分析，計(jì)算了以上所有參數(shù)組合工況的平臺(tái)受力．具體環(huán)境參數(shù)的取值見表1．

表1 環(huán)境參數(shù)Tab.1 Environmental parameters

各種載荷的計(jì)算方法如下．

1) 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷按照ABS規(guī)范計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：f＝0.611；kv為風(fēng)速，m/s；hC和sC分別為高度系數(shù)和形狀系數(shù)[7]9-11．

2)水動(dòng)力載荷

波浪速度和波浪加速度采用 Stokes五階波理論計(jì)算，波浪和流聯(lián)合作用在樁腿上的水動(dòng)力載荷采用Morison方程計(jì)算．在SESAM軟件WAJAC模塊中采用上述理論計(jì)算平臺(tái)承受的水動(dòng)力載荷．針對(duì)每一入射方向，波浪相位選取使波浪傾覆彎矩達(dá)到最大所對(duì)應(yīng)的相位值．根據(jù) DNV規(guī)范推薦的公式確定波浪周期同波高的關(guān)系[8]，即

式中：T為波浪周期，s；H為波高，m．

海流力的研究選取線性流速剖面進(jìn)行計(jì)算，設(shè)海底流速為0,m/s．

3) 動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)

平臺(tái)在深水環(huán)境的波浪作用下容易產(chǎn)生振動(dòng)，不僅影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，也會(huì)對(duì)平臺(tái)的安全可靠性產(chǎn)生較大的影響．目前很多學(xué)者針對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的計(jì)算方法開展了一系列研究[9-10]．本算例參照SNAME規(guī)范[5]98-99，使用動(dòng)態(tài)放大系數(shù)法(DAF)處理目標(biāo)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即將平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型簡化為單自由度質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，通過求解模型的運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算出動(dòng)態(tài)放大系數(shù)．將此系數(shù)作為比例因子，與使用沒有考慮動(dòng)力因素的方法求出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)相乘，作為結(jié)構(gòu)對(duì)外加載荷的動(dòng)力響應(yīng)估計(jì)．動(dòng)態(tài)放大系數(shù)DAF的計(jì)算公式為

式中：NT為平臺(tái)的固有周期，采用 SESAM 軟件進(jìn)行模態(tài)分析得到；ξ為阻尼比，取為0.07[5]98-99．

4) P-Δ效應(yīng)

平臺(tái)受外載荷作用會(huì)發(fā)生側(cè)向位移，因而樁腿還承受著由于自身重力所引起的附加彎矩的作用，該彎矩稱為 P-Δ彎矩．本研究采用施加二次彎矩法對(duì)其進(jìn)行考慮[11]．

3 平臺(tái)安全條件

確保平臺(tái)安全的樁腿強(qiáng)度條件可在 SESAM 軟件中選取AISC SAD 2005評(píng)估準(zhǔn)則[12]后，直接獲得評(píng)估結(jié)果．除此之外，確保平臺(tái)安全還需滿足如下 4個(gè)條件．

1) 抗傾穩(wěn)性

在風(fēng)暴自存狀態(tài)下，平臺(tái)受到風(fēng)、浪、流等外載荷的作用．外載荷產(chǎn)生的傾覆力矩需要和重力提供的回復(fù)力矩平衡．要保證平臺(tái)不會(huì)傾覆，就需要有足夠的重力．研究中，除風(fēng)、浪、流載荷外，還考慮了動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)與 P-Δ效應(yīng)增加的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和二次彎矩載荷．

根據(jù) ABS規(guī)范[7]79-80的規(guī)定，在風(fēng)暴自存工況下，需保證抗傾安全系數(shù)(即回復(fù)力矩與傾覆力矩的比值)超過1.3．

2) 預(yù)壓要求

在風(fēng)、浪、流外載荷作用下，考慮重力、動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)和 P-Δ效應(yīng)，計(jì)算出 3根樁腿的支反力，其最大值不得超過預(yù)壓時(shí)每根樁腿的支反力．對(duì)于本文研究的 DSJ-300自升式平臺(tái)，平臺(tái)預(yù)壓載重量為101,590,kN．

3) 鎖緊系統(tǒng)承載要求

在風(fēng)暴自存狀態(tài)下，平臺(tái)主船體與樁腿之間由鎖緊機(jī)構(gòu)相連，以此將平臺(tái)固定在樁腿的某一位置．對(duì)于本文研究的DSJ-300自升式平臺(tái)，要求每根弦桿鎖緊機(jī)構(gòu)處的受力不得超過49,050,kN．

4) 升降裝置承載要求

針對(duì)每一入射方向，考慮重力、風(fēng)、浪、流載荷以及動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)和 P-Δ效應(yīng)，計(jì)算 3個(gè)樁腿的支持力．重點(diǎn)考查下風(fēng)向樁腿的支持力是否超過預(yù)壓載時(shí)利用升降裝置調(diào)平過程中每個(gè)樁腿的受力．針對(duì)本文研究的DSJ-300自升式平臺(tái)，升降裝置為齒輪齒條傳動(dòng)，每一小齒輪的承載力不得超過4 454 kN．每條樁腿有3根弦桿，每根弦桿內(nèi)有6個(gè)小齒輪，故每根樁腿所分配的預(yù)壓升船重量不得超過80 172 kN．

4 算 例

根據(jù)上述有限元模型，計(jì)算得到水深為91.44,m，表面流速為 0.5,m/s，風(fēng)速為51.44,m/s，波高為 9.86,m，入射角度為 0°，可變載荷為 2,900,t時(shí)平臺(tái)的外載荷和變形結(jié)果如圖5和圖6所示，具體計(jì)算結(jié)果見表2．

圖5 平臺(tái)外載荷示意Fig.5 Loads applied to the platform

圖6 平臺(tái)變形結(jié)果Fig.6 Deformation of the platform

表2 算例計(jì)算結(jié)果Tab.2 Results of an example

5 編制計(jì)算程序

環(huán)境圖譜的整個(gè)計(jì)算過程十分繁瑣，而且計(jì)算工況很多，如人工操作完成，工作量極大，耗時(shí)很長．為此，本文基于 SESAM 軟件，根據(jù)風(fēng)暴環(huán)境圖譜計(jì)算流程，采用 C#語言編制了自升式平臺(tái)風(fēng)暴環(huán)境圖譜計(jì)算軟件，該軟件功能包括：①實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減少人工操作；②實(shí)現(xiàn)批處理功能，可在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算；③實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，可完成相似平臺(tái)的環(huán)境圖譜計(jì)算．

圖7為該軟件的流程．

圖7 程序流程Fig.7 Flow chart of the program

6 風(fēng)暴環(huán)境圖譜計(jì)算結(jié)果

采用風(fēng)暴環(huán)境圖譜計(jì)算軟件得到不同環(huán)境載荷作用下的平臺(tái)舉升能力，計(jì)算結(jié)果如圖 8～圖 14所示．若 3根樁腿的舉升能力大于空船重量與最大可變載荷之和(107,481.3,kN)，則平臺(tái)是安全的，在圖中用白色表示；若舉升能力小于空船重量與最小可變載荷之和(76,089,kN)，則平臺(tái)是不安全的，很有可能發(fā)生樁腿失效甚至傾覆事故，在圖中用黑色表示；若舉升能力介于以上兩者之間，則平臺(tái)存在傾覆危險(xiǎn)，在保證抗傾安全系數(shù)大于1.3的情況下，可通過遺棄部分重量，減小可變載荷，以確保平臺(tái)安全，在圖中用灰色表示危險(xiǎn)情況，且顏色越深平臺(tái)樁腿能夠舉升的重量越小，需遺棄的重量越多．

水深為45.72,m和60.96,m，3種風(fēng)速情況下的計(jì)算結(jié)果是一樣的，如圖 8所示．可見平臺(tái)在所選的流速和波高范圍內(nèi)都是安全的．

圖9～圖 11為平臺(tái)在水深為 76.20,m時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可知平臺(tái)在風(fēng)速為 36,m/s和 46,m/s時(shí)均出現(xiàn)了危險(xiǎn)參數(shù)域，而在風(fēng)速為 51.44,m/s時(shí)出現(xiàn)了傾覆參數(shù)域．圖12～圖14為平臺(tái)在水深為91.44,m時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可知平臺(tái)在風(fēng)速為 36,m/s時(shí)出現(xiàn)了危險(xiǎn)參數(shù)域，而在風(fēng)速為46,m/s和51.44,m/s時(shí)出現(xiàn)了傾覆參數(shù)域，極有可能發(fā)生平臺(tái)傾覆事故．

圖 8 風(fēng)暴環(huán)境圖譜(D＝45.72，60.96,m；v＝36，46，51.44,m/s)Fig.8 Environmental charts for storm(D＝45.72，60.96,m；v＝36，46，51.44,m/s)

圖9 風(fēng)暴環(huán)境圖譜(D＝76.20,m，v＝36,m/s)Fig.9 Environmental charts for storm(D＝76.20,m，v＝36,m/s)

圖10 風(fēng)暴環(huán)境圖譜(D＝76.20,m，v＝46,m/s)Fig.10 Environmental charts for storm(D＝76.20,m，v＝46,m/s)

圖11 風(fēng)暴環(huán)境圖譜(D＝76.20,m，v＝51.44,m/s)Fig.11 Environmental charts for storm(D＝76.20,m，v＝51.44,m/s)

圖12 風(fēng)暴環(huán)境圖譜(D＝91.44,m，v＝36,m/s)Fig.12 Environmental charts for storm(D＝91.44,m，v＝36,m/s)

圖13 風(fēng)暴環(huán)境圖譜(D＝91.44,m，v＝46,m/s)Fig.13 Environmental charts for storm(D＝91.44,m，v＝46,m/s)

由計(jì)算結(jié)果可見，平臺(tái)工作水深越深，遭遇的環(huán)境條件越惡劣，其舉升能力就越低，危險(xiǎn)參數(shù)區(qū)域和傾覆參數(shù)區(qū)域就越大．在風(fēng)急、浪高、流速大的情況下，可以通過減少可變載荷來確保平臺(tái)的安全．

圖14 風(fēng)暴環(huán)境圖譜(D＝91.44,m，v＝51.44,m/s)Fig.14 Environmental charts for storm(D＝91.44,m，v＝51.44,m/s)

7 結(jié) 語

根據(jù)本文方法，采用自升式平臺(tái)風(fēng)暴環(huán)境圖譜計(jì)算軟件計(jì)算得到的風(fēng)暴圖譜結(jié)果合理，其趨勢(shì)與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)相符，本文研制的計(jì)算軟件大幅度提高了自升式平臺(tái)風(fēng)暴環(huán)境圖譜的計(jì)算效率．該方法和軟件可以用來評(píng)估自升式平臺(tái)在風(fēng)暴環(huán)境下的生存能力，并為平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及風(fēng)暴環(huán)境下安全措施的制定奠定基礎(chǔ)．

但是，本文在計(jì)算分析時(shí)，沒有考慮樁腿腐蝕和結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷的影響；沒有考慮樁基的滑移和沉陷．為了對(duì)自升式平臺(tái)在全壽命周期內(nèi)風(fēng)暴環(huán)境下的生存能力進(jìn)行更合理的評(píng)估，應(yīng)該考慮樁腿腐蝕[13]和疲勞累積損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)考慮樁土的相互作用．

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