深水自升式鉆井平臺主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法研究

謝建新，莊 宏，陶魏峰，周春華，王廣茂，唐文獻，張 建

(江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

深水自升式鉆井平臺主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法研究

謝建新，莊 宏，陶魏峰，周春華，王廣茂，唐文獻，張 建

(江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

在研究深水自升式鉆井平臺主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)深水自升式鉆井平臺工作要求并結(jié)合相關(guān)設(shè)計規(guī)范，通過對現(xiàn)有自升式鉆井平臺的主要結(jié)構(gòu)和性能分析，提取相關(guān)參數(shù)，運用擬合函數(shù)建立其數(shù)學模型，得出各參數(shù)間的關(guān)系函數(shù)，根據(jù)這些函數(shù)關(guān)系，估算出對應工作水深的平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)。

自升式鉆井平臺;參數(shù)設(shè)計;擬合函數(shù)

21世紀，隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球?qū)δ茉吹男枨蟛粩鄶U大，許多國家把注意力轉(zhuǎn)向海洋，并投入大量的人力物力來開發(fā)海洋資源，自升式海洋鉆井平臺在其中扮演著舉足輕重的角色。

自升式鉆井平臺的設(shè)計使用年限一般是20年，經(jīng)過翻新可使用30年。到2012年，全球大部分的自升式鉆井平臺運作已達30年，其中一些已經(jīng)無法翻新或有效地采納先進科技，必須被新的取代，同時市場對更先進、效率更高的設(shè)備需求增加，海事行業(yè)前景較為樂觀［1］。我國在海洋鉆井平臺的設(shè)計、建造、檢驗和科研方面都迫切需要發(fā)展，特別是在海洋鉆井平臺的設(shè)計上，目前大多依靠外國的技術(shù)。自升式鉆井平臺的載荷情況復雜，船體和樁腿之間的連接機制也很復雜，很難找到簡單的公式對平臺的受力進行計算，隨著工作水深的增加，平臺的受力情況將會變得更加復雜［2］。目前，針對自升式平臺開展的相關(guān)技術(shù)研究較多［3－4］，但對平臺總體參數(shù)進行具體計算方法的研究未見報道。

為此，本文試圖通過對現(xiàn)有自升式平臺尺寸進行研究，找出平臺相關(guān)參數(shù)與工作水深的關(guān)系，運用擬合函數(shù)建立數(shù)學模型，以此為依據(jù)可以更快估算出平臺尺寸。

1 模型建立

1.1 深水自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)介紹

要確定的平臺參數(shù)是平臺自重、樁腿長度、弦桿間距、樁腿橫縱間距、船體體積和樁靴面積等，如圖1所示。

圖1自升式鉆井平臺術(shù)語

1.2 參數(shù)建模

根據(jù)收集到的資料數(shù)據(jù)(見表1)，繪制了需要設(shè)計的參數(shù)與可能相關(guān)的已知參數(shù)的關(guān)系圖，畫出趨勢線(線性、對數(shù)、多項式、乘冪、指數(shù)、移動平均值)，計算出方差，取方差值最小的趨勢線作為此關(guān)系圖的規(guī)律線。

表1 世界主要深水自升式鉆井平臺［5］

1.2.1 平臺自重—工作水深

平臺自重是由樁腿、樁靴、升降裝置、船體以及平臺上其他一些固有構(gòu)件的質(zhì)量所組成。在平臺設(shè)計時，應確保平臺具有足夠的強度，除承載設(shè)備及人員外，還能抵御環(huán)境載荷產(chǎn)生的不利影響，眾多因素使平臺自重隨著工作水深的加深變化很大，如圖2所示。

圖2 平臺自重—工作水深

1.2.2 樁腿長度—工作水深

工作時樁腿下放插入海底，平臺被抬起到離開海面的安全工作高度，并對樁腿進行預壓，以保證平臺遇到風暴時樁腿不致下陷。樁腿長度由極限波高、氣隙高度、樁腿入土深度、工作水深、船體型深、樁腿剩余長度等幾部分組成(如圖1所示)，其中工作水深對樁腿長度影響最大。從圖3中可以看出，樁腿長度和工作水深成正比關(guān)系，由此可以近似地得出兩者之間呈線性關(guān)系。

1.2.3 弦桿間距—船體自重

利用麥稈原理，把一些高大的柱子和桿件都設(shè)計成空心的。這樣可以大大提高他們的承壓能力。起到“重半功倍”的作用［6］。為承受特定質(zhì)量的平臺，樁腿中主弦桿間距相當重要，其中主弦桿間距與船體自重的關(guān)系如圖4所示。

圖3 樁腿長度—工作水深

圖4 弦桿間距—船體自重

1.2.4 樁腿橫縱間距—工作水深

樁腿的分布位置，即樁腿之間的縱向間距和橫向間距，直接影響到平臺的著底穩(wěn)性，也影響著環(huán)境力作用的各樁腿所承受的軸向載荷。樁腿之間的縱向間距和橫向間距越大，平臺的抗傾斜穩(wěn)性也越好［7］，如圖5 所示。

1.2.5 船體體積—船體自重

船體體積和船體自重成正比關(guān)系，如圖6所示。1.2.6 樁靴面積—船體體積

圖5 樁腿橫、縱間距—工作水深

圖6 船體體積—船體自重

樁靴的主要作用是減少樁腿的入泥深度，使吊裝船在升起的時候更平穩(wěn)，減少樁腿的受力等。樁靴的設(shè)計質(zhì)量直接影響整個平臺的性能好壞，因此平臺樁靴的設(shè)計至關(guān)重要。依據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及平臺的設(shè)計質(zhì)量和環(huán)境因素，選擇合適的樁腿形式［8］。樁靴面積與船體體積之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 樁靴面積—船體體積

2 應用實例

以水深為180m的自升式鉆井平臺為例，平臺正常工作時的可變載荷為4 000t，自存工況下的可變載荷為2 700t，通過調(diào)研得到南海的波高為16.8m，氣隙高度15.2m。結(jié)合已經(jīng)得到的函數(shù)關(guān)系，可以計算出該自升式鉆井平臺的平臺自重、樁腿長度、弦桿間距、船體體積和樁靴面積，詳見表2。

表2 平臺主要參數(shù)

首先參照 CJ80—X175—A(工作水深175m)的比例，船體尺寸初定型長110m、型寬100m、型深13m。其次，由于樁腿材料相同，即屈服極限一定，那么樁腿主弦桿外徑D和厚度h與船體的自重T呈一定的數(shù)學關(guān)系，即D2∝T及h2∝T，初定樁腿主弦桿外徑與厚度值為735mm×137mm。

3 基于有限元的樁腿結(jié)構(gòu)強度校核及優(yōu)化

樁腿作為自升式鉆井平臺的重要組成部分，其安全性直接關(guān)系到整個平臺的安全性，因而有必要對樁腿結(jié)構(gòu)進行強度校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證樁腿結(jié)構(gòu)安全的前提下，不斷優(yōu)化樁腿結(jié)構(gòu)型式，使其受力更加合理并且經(jīng)濟性更佳。

3.1 樁腿結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)上述方法初取樁腿結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表3。

選取樁腿材料為MW450V(屈服極限應力為520MPa)，安全系數(shù)取1.67。采用Hepermesh軟件對所設(shè)計的樁腿進行仿真分析，得到最優(yōu)的樁腿結(jié)構(gòu)形式。

表3 樁腿結(jié)構(gòu)參數(shù) m

3.2 計算條件

平臺工作水深為180m，考慮50年一遇的極限設(shè)計海況，即風暴自存工況，風速為51.5m/s，波高為15.2m，周期為9s，海流速度為1.8m/s，海水密度為1 029kg/m3，可變載荷2 700t。

用Hepermesh軟件對所設(shè)計的樁腿進行仿真分析:考慮單樁腿結(jié)構(gòu)，風載荷是靜力作用，而且相對較小，可以忽略不計，因而載荷組合為波浪載荷+海流載荷+重力載荷。由于波流同向時產(chǎn)生的應力和位移最大，因而考慮波流同向。由已有知識可知，波流入射角為80°時，應力和位移最大。

3.3 靜力結(jié)果分析

由圖8和圖9可知，最大應力值為273.5MPa，最大位移值為0.518 9m。

圖8 應力云圖(單位:Pa)

圖9 位移云圖(單位:m)

3.4 樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從整體看，樁腿下部受力較大，上部受力較小;主弦桿受力較大，支撐桿受力較小。從局部看，泥面處主弦桿應力最大，要考慮對相應結(jié)構(gòu)進行加強。計算分析表明，主弦桿受到的最大應力為273.5MPa，水平撐桿的最大應力為51.9MPa，斜撐桿的最大應力為36.1MPa，水平撐桿的最大應力為12.6MPa，說明主弦桿受到的力比支撐桿大得多，因此在設(shè)計中可以適當減小支撐桿的尺寸。

在外力、結(jié)構(gòu)形式和桿件外徑保持不變，最大應力小于312MPa，最大位移小于0.4m的情況下，通過改變桿件的壁厚來使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量最輕。適當增加樁腿底部桿件的壁厚，減小上部桿件的壁厚。主弦桿從底部向上應力越來越小，特別是樁腿泥面處，有應力集中現(xiàn)象，需增加壁厚來增加強度;而向上壁厚可以逐漸減小，支撐桿應力都小，可以減小尺寸。此外，水平撐桿、斜撐桿、小撐桿壁厚均可相應減小，且優(yōu)化后樁腿質(zhì)量為20 130t。通過綜合比較分析，為使樁腿結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕，優(yōu)化后各桿件的壁厚見表4。

表4 優(yōu)化后樁腿結(jié)構(gòu)參數(shù) m

3.5 優(yōu)化后樁腿結(jié)構(gòu)靜力分析

優(yōu)化后的樁腿應力與位移如圖10、圖11所示。

圖10 應力云圖(單位:Pa)

圖11 位移云圖(單位:m)

通過計算、分析表明:在滿足各種約束條件的情況下，優(yōu)化后的樁腿質(zhì)量比優(yōu)化前的樁腿減小14.9%。

4 結(jié)束語

本文通過對已建成的自升式鉆井平臺的主要數(shù)據(jù)進行研究，運用擬合函數(shù)建立數(shù)學模型，并以此為依據(jù)計算出了工作水深為180m(600ft)的自升式平臺主要參數(shù)。結(jié)果表明，本文所用的分析方法可靠有效，對深水自升式鉆井平臺主要參數(shù)的設(shè)計具有指導意義。但這些不是最終的參數(shù)，隨著設(shè)計的深入，會不斷地對這些參數(shù)進行修正。

［1］陳宏.自升式鉆井平臺的最新進展［J］.中國海洋平臺，2008，23(5):1－7.

［2］陸晟.350ft自升式平臺站立工況總體分析［J］.船舶設(shè)計通訊，2010，2(S2):71－75.

［3］王運龍，林焰，紀卓尚.自升式鉆井平臺方案設(shè)計系統(tǒng)分析和結(jié)構(gòu)模型［J］.中國造船，2009，50(4):149－155.

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［9］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2005.

Study on the Structural Parameters Design Method of Deepwater Jack－up Drilling Platform

XIE Jianxin，ZHUANG Hong，TAO Weifeng，ZHOU Chunhua，
WANG Guangmao，TANG Wenxian，ZHANG Jian
(Jiangsu University of Science and Technology，Jiangsu Zhenjiang，212003，China)

Based on the structural parameters analysis of deepwater jack－up drilling platform including platform weight，length of spud leg，chord pitch，horizontal and vertical spacing of legs，pile shoe size and so on，it illustrates the main parameters and the main performance according to relevant design specifications，extracts relevant dimensions，establishes the mathematical model，and builds the relationship between the parameters of the platform.Based on above result，it can estimate the parameters of the corresponding depth platform.

Jack－up Drilling Platform;Parameter Design;Fitting Function

U661.4，U674.38

A

2095－509X(2013)11－0030－05

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.008

2013－05－28

謝建新(1991—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，江蘇科技大學本科生，主要研究方向為結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。