自升式鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)強度分析

李永超，孫雪榮

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

0 引 言

隨著市場經(jīng)濟的不斷繁榮和發(fā)展，中國對石油的需求也在持續(xù)增長，而海洋石油資源的可持續(xù)開發(fā)已成為我國的重要目標[1,2]。自升式鉆井平臺對近海海洋石油資源的開發(fā)起著積極的推動作用，廣泛應(yīng)用于200m以下的近海海域石油開采活動。在海洋平臺中，只有自升式平臺使用樁靴來承載海底對平臺的支撐力，是整個平臺的基礎(chǔ)。目前新平臺都有一個圓錐形的、與水平成 120°～150°的樁靴，很多樁靴都有一個突出的錐點以降低其在淺樁靴插入時的滑移風險[3]。以某自升式平臺的樁靴為例，建立樁靴強度的工程化分析流程，為樁靴的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 樁靴結(jié)構(gòu)分析模型

1.1 有限元模型

采用通用有限元程序 MSC. Patran/Nastran對樁靴結(jié)構(gòu)進行有限元建模。為消除邊界效應(yīng)，樁靴結(jié)構(gòu)的分析模型（見圖1）包括整個樁靴和部分樁腿，樁腿部分取至距離樁靴底部16.82m處。整個分析模型由板、梁單元構(gòu)成，樁靴的板材由板單元模擬，樁腿的弦桿和撐桿由梁單元模擬，板、梁單元的過渡通過MPC單元連接。

1.2 邊界條件

樁靴插入海底的過程是樁靴底部與海底底基間的耦合過程，考慮到樁靴與底基相互作用過程中，底基性質(zhì)的變化及變形對樁靴作用的影響屬于非線性接觸[4]，這種方法計算量大，且底基的資料不全面也會造成校核結(jié)果偏于危險，不便在工程上實施，需要進行簡化處理。根據(jù)總強度計算的數(shù)據(jù)，將底基的反作用力施加到樁靴上，并在樁腿頂部的三個角點處約束其三個方向的位移。

圖1 樁靴結(jié)構(gòu)分析模型

1.3 材料與許用應(yīng)力

樁靴結(jié)構(gòu)材料為高強度鋼和甚高強度鋼，楊氏模量E=206800MPa；泊松比ν=0.3。依據(jù)ABS規(guī)范[5]，安全系數(shù)為1.11。許用應(yīng)力見表1。

表1 許用應(yīng)力

2 設(shè)計載荷

2.1 預壓載工況

在平臺主體按鉆井作業(yè)要求舉升到規(guī)定高度以前，必須對全部樁腿進行預壓，使樁腿底下的底基所承受的載荷能預先達到并略微超過風暴狀態(tài)下可能出現(xiàn)的最大軸向力。

根據(jù)總強度計算，平臺在預壓載工況下，每個樁靴承受的最大垂向力 112073kN，考慮到海底底基的不同情況，樁靴與海底的接觸范圍也不同，選定6種工況（計算結(jié)果見表2），并在接觸范圍內(nèi)以均布力的形式加載到樁靴的底部。

如圖 2所示，樁靴內(nèi)圈半徑r=2.4375m。剩余 3個環(huán)形艙壁分別為A、B、C，其半徑分別為：ROA=4.5725m，ROB=6.8025m，ROC=8.9925m。樁靴底部與水平夾角為α=10.12°。在計算過程中，假定樁靴底部與海底的接觸范圍內(nèi)受到均布壓力P，方向垂直于接觸面，而最大升樁力與樁腿重力總共為112073kN，方向垂直于水平面向下，根據(jù)平衡原理，兩者在垂向上的矢量和為0。

圖2 預壓載工況樁靴載荷

1) 樁靴與海底接觸有效半徑為OA，則取ROA=4.5725m，假定樁靴底部受到的壓力為P，均勻分布于接觸面，根據(jù)平衡原理有：

得：P=1725 467.392 Pa≈1.73MPa

同理可以得到接觸有效半徑為ROB、ROC時樁靴底部的均布壓力P。

2) 若考慮到海水沖刷導致的偏心載荷，取50%計算，則接觸面積減為樁靴底部面積的1/2，根據(jù)平衡原理，垂向的矢量和為0，得關(guān)于P的方程：

得：P=895 210.905 4 Pa≈0.9MPa

表2 預壓載條件下的計算工況

2.2 生存工況

生存工況是指平臺遭遇極端環(huán)境載荷時停止鉆井且仍能自存的狀態(tài)，生存工況的可變載荷較鉆井作業(yè)工況為小，但將承受很大的環(huán)境載荷。在此狀態(tài)下，平臺主體受重力與風力的作用，而樁腿則受到浮力、重力以及風、浪、流諸外力的聯(lián)合作用。在生存工況下，考慮到風、浪、流等環(huán)境載荷的作用，樁靴底部與海底接觸的區(qū)域不再是均布載荷。

在工況分析中，使用三角載荷模擬樁靴底部承受的載荷。并在水平方向加載水平力，彎矩均與環(huán)境載荷方向相反，大小相等。考察自升式鉆井平臺在不同水深條件下，環(huán)境載荷方向為0°、60°、90°、120°、180°時每個樁靴的受力情況，在每種深度下，樁靴承受水平力H，垂向力V以及35%的平臺傾覆力矩M。水平力H，垂向力V以及平臺傾覆M由總強度計算[6]得到。

如圖3所示，為了計算樁靴在環(huán)境載荷下的總強度問題，樁靴底部承受垂向力和彎矩。彎矩以三角載荷的形式加載到樁靴的底面，簡化后壓力分布可以用如下形式的方程描述：

式中：D——樁靴底面的投影直徑；

在整個積分域上對軸x=D/2取矩，可得到樁靴承受的彎矩M：

另外，在整個積分域上三角載荷在Z向上的矢量和為V：

每個樁靴承受的彎矩以及偏心距可采用下式計算：

式中：OTM——平臺的傾覆力矩，由總強度計算得到；

將式(1)、式(2)、式(3)、式(4)聯(lián)立，即可得壓力分布P(x)。

采用上述方法對總強度計算的結(jié)果數(shù)據(jù)進行計算分析，得到所有工況下的載荷分布P(x)，并把較嚴重的工況挑選出來，得到生存條件下的計算工況（見表3）。

圖3 樁靴生存工況載荷

表3 生存條件下樁靴的計算工況

表3中的每一組數(shù)據(jù)都可以通過上述方法計算得到對應(yīng)的壓力分布P(x)，并通過場函數(shù)加載到有限元模型中進行計算。

3 結(jié)果分析

通過對樁靴結(jié)構(gòu)在不同工況下的分析計算，然后將結(jié)果進行對比和匯總（見表4）。表4中數(shù)據(jù)是匯總了所有的計算工況后，只給出樁靴各個結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力對應(yīng)的計算工況（結(jié)構(gòu)和應(yīng)力見圖 4(a)～(g)。結(jié)果顯示，樁靴計算的主控工況是預壓載工況。

表4 樁靴結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果匯總

圖4 結(jié)構(gòu)和應(yīng)力

4 結(jié) 語

以某型自升式鉆井平臺的樁靴結(jié)構(gòu)分析為例，建立了樁靴強度分析力學模型，通過仿真程序 MSC.Patran/Nastran建立了結(jié)構(gòu)有限元分析模型，探討了自升式鉆井平臺樁靴的載荷簡化分析方法。對預壓載和生存工況下的結(jié)構(gòu)強度進行分析和評估。主要結(jié)論如下：

1) 得到了樁靴結(jié)構(gòu)強度分析的工程化分析流程；

2) 樁靴的計算結(jié)果表明，其主控工況是預壓載工況；

3) 樁腿與樁靴連接處的三角形過渡艙壁、樁靴內(nèi)弦桿的主要支撐構(gòu)件是樁靴結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，這些區(qū)域的應(yīng)力水平較高，設(shè)計過程中應(yīng)該給予高度重視；

4) 隨著樁靴底部受力面積的不斷擴大，樁靴結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布會有所改善。

[1] 方銀霞，包更生，金翔龍. 21世紀深海資源開發(fā)利用的展望[J]. 海洋通報，2009,19(5): 73-78.

[2] 李永芹. 海域油氣資源—中國未來能源的接力軍[J]. 中國石油和化工經(jīng)濟分析，2001(1): 55-60.

[3] 任憲剛，李春第，楊紅敏. 海洋自升式鉆井平臺樁靴研究[J]. 石油礦場機械，2009,38(12): 18-29.

[4] 馬曙光，馮昌寧，吳 晗. 自升式平臺砂箱支撐塢內(nèi)升樁技術(shù)研究[A]. 上海市船舶與海洋工程學會論文集[C]，2012.

[5] ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S]. 2012.

[6] JU2000E, Storm Survival in Place Analysis[Z]. Friede&Goldman.