自升式平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

王勁倩，方晨帆，張兆德

（1. 浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山，316022；2. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島，266100；3. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山，316122）

0 引 言

自升式平臺屬于海上移動平臺，由于其定位精度高和作業(yè)狀態(tài)穩(wěn)定，在大陸架的油氣勘探開發(fā)中居重要位置。自升式平臺是指具有活動樁腿，且其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進(jìn)行作業(yè)的平臺，此種平臺在海洋石油開發(fā)中被廣泛應(yīng)用[1]。對于自升式海洋平臺，站立狀態(tài)下總體性能分析是平臺作業(yè)的重要基礎(chǔ)，是平臺設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，其包含：樁腿強(qiáng)度、鎖緊系統(tǒng)（升降系統(tǒng)）承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴承載性能和抗傾穩(wěn)性。因此，總體性能將直接影響到平臺的操作安全及作業(yè)能力，是平臺使用者最關(guān)注的重點(diǎn)[2～4]。

自升式平臺適用于幾米到百余米水深，在我國渤海、黃海、東海水深都適合自升式平臺使用。對選定的自升式平臺，通過對其強(qiáng)度計(jì)算，能夠了解所選的平臺的強(qiáng)度與安全狀況，對平臺的安全性具有重要的參考價值[5～7]。

1 平臺結(jié)構(gòu)與模型建立

以勝利開發(fā)三號平臺為例，對自升式平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。該平臺主體長 50m，型寬 20m，型深4.5m。平臺的總體布置見圖1。為計(jì)算方便，將平臺甲板上的設(shè)備與工作載荷簡化為甲板載荷施加在平臺主體上。在建模中坐標(biāo)系是舯部右側(cè)3m與第一層甲板交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以平臺的縱向即有艉部向艏部為X軸正方向，右舷向左舷為Y軸的正方向，向上層甲板為Z軸的正方向。模型中一共有35549個單元，其中包括板單元和梁單元，一共16874個節(jié)點(diǎn)。樁腿采用泥面下3m處約束。樁腿厚度是40mm。樁腿在有限元建模中可以等效為二維梁結(jié)構(gòu)，鋼材彈性模量E=2×1011Pa，泊松比λ=0.3，密度ρ=7800 kg/m3。

圖1 自升式平臺的有限元模型

平臺工作環(huán)境是在渤海埕島海域，設(shè)計(jì)水深20m，最大波高H=6m，最大波浪周期8.65s本海區(qū)潮流的運(yùn)動形式為往復(fù)流，主流的方向大致與等深線平行，海流最大速度1.029m/s；工作狀態(tài)下設(shè)計(jì)風(fēng)速為36.0m/s，自存狀態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)速下為51.5m/s；設(shè)計(jì)冰厚（50a一遇）為0.45m，其抗壓強(qiáng)度為1717kPa[8]。

計(jì)算工況[9]為：平臺在自存狀態(tài)下受到風(fēng)冰載荷作用：1）風(fēng)、冰、甲板載荷, 作用方向 0°；2）風(fēng)、冰、甲板載荷, 作用方向 23°48′；3）風(fēng)、冰、甲板載荷, 作用方向 90°。平臺在自存狀態(tài)下受到風(fēng)浪流作用：1）風(fēng)、浪、流、甲板載荷，作用方向0°；2）風(fēng)+浪+流+甲板載荷，作用方向23°48′；3）風(fēng)、浪、流、甲板載荷，作用方向90°。

2 載荷計(jì)算

按中國船級社《海上平臺狀態(tài)評定指南》進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算，工作狀態(tài)下0°方向風(fēng)載荷的等效風(fēng)力大小為149197N，作用位置在泥面上32.1m；工作狀態(tài)下23°48′斜方向風(fēng)載荷等效作用力大小為272659N，作用位置31.5m；工作狀態(tài)下90°方向風(fēng)載荷等效作用力大小為255794 N，作用位置31.5m。 自存狀態(tài)下0°方向風(fēng)載荷作用力大小為303900N，作用位置32.1 m，自存狀態(tài)下斜向風(fēng)載荷作用力大小557993N，等效作用位置31.5 m，自存狀態(tài)下90°方向風(fēng)載荷作用力大小為523387N，作用位置31.5m。

波浪和海流載荷可用Morison公式計(jì)算（小尺度圓形構(gòu)件），計(jì)算過程中將波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度和海流速度疊加，作為波浪和海流工況下的水質(zhì)點(diǎn)速度，代入公式計(jì)算，得出單樁的浪流載荷：拖曳力為54139N，合力距離泥面12.5m，慣性力170201N，距離泥面11.3m。

根據(jù)中國船級社《海上平臺狀態(tài)評定指南》，樁所受的冰載荷為P=2.78154× 106N ，可以看出按設(shè)計(jì)冰厚的極限強(qiáng)度計(jì)算的冰載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)載荷和浪流載荷。

甲板載荷總共2000t，平臺自重通過自動輸入Z軸方向重力加速度（9.8m/s2）由軟件直接生成。

3 計(jì)算結(jié)果

用MSC/Nastran有限元分析軟件對平臺的各工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，得到平臺的彎曲應(yīng)力和平臺主體板的應(yīng)力張量以及平臺在各種工況下的位移情況。

3.1 樁腿彎曲應(yīng)力

樁腿的彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1，其中最大彎曲應(yīng)力為99.7MPa。

3.2 平臺主體的應(yīng)力

在平臺主船體上，對其中的梁單元，分析其彎曲應(yīng)力。圖2～4為平臺主體中梁單元的彎曲應(yīng)力云圖；對平臺主體上的板單元，分析其von Mises合成應(yīng)力，圖5～7為平臺主體板單元的合成應(yīng)力云圖。

表1 樁腿的彎曲應(yīng)力 單位：MPa

圖2 風(fēng)冰工況1時主體梁彎曲應(yīng)力

圖3 風(fēng)冰工況2主體梁彎曲應(yīng)力

圖4 風(fēng)冰工況3主體梁彎曲應(yīng)力

圖5 風(fēng)冰工況1主體板單元的合成應(yīng)力

圖7 風(fēng)冰工況3主體板單元的合成應(yīng)力

綜上所述,平臺主體在不同工況下所受彎曲應(yīng)力見表2。

表2 平臺主體的應(yīng)力 單位：MPa

可見，平臺主體梁單元在風(fēng)冰載荷工況3時，彎曲應(yīng)力最大為134MPa；平臺主體板單元在風(fēng)冰載荷工況3時受到的應(yīng)力最大，最大值為138MPa。按《海上平臺狀態(tài)評定指南》要求，計(jì)算平臺主體的許用應(yīng)力為144MPa，平臺的最大應(yīng)力未超過許用應(yīng)力。

3.3 平臺主體的位移

平臺梁單元的位移計(jì)算結(jié)果見圖8、9。

圖8 風(fēng)冰載荷工況1平臺位移

圖9 風(fēng)冰載荷工況2平臺位移

由計(jì)算結(jié)果可知，冰載荷作用下平臺主體發(fā)生的最大位移為 61.1mm，風(fēng)浪載荷作用下平臺主體發(fā)生的最大位移為11mm。

4 結(jié) 語

1) 平臺主體上彎曲應(yīng)力發(fā)生在冰載荷橫向作用的工況時，平臺樁腿上的最大應(yīng)力也發(fā)生在冰載荷橫向作用的工況；

2）在外載荷的作用下，樁腿靠近泥面的部分和固樁室附近受到的應(yīng)力大，所以要在下部下上部進(jìn)行局部加強(qiáng)，樁腿中部壁厚可以適當(dāng)減??；

3) 平臺主體部分局部載荷很大的甲板區(qū)域應(yīng)該也要加強(qiáng)。主體的最大應(yīng)力應(yīng)該出現(xiàn)在主甲板，所以主甲板上在局部載荷較大的區(qū)域要進(jìn)行加強(qiáng)?？v向構(gòu)件一定要有足夠的強(qiáng)度才能確保平臺的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，保證平臺結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度要求。

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