風(fēng)暴條件下自升式平臺(tái)樁腿強(qiáng)度對(duì)節(jié)距敏感性分析研究

朱亞洲 孫承猛 王 凱 樊巖松 秦洪德 姜 濱

（1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001；2.中國石油集團(tuán)渤海裝備 遼河重工有限公司 盤錦124010）

引 言

自升式平臺(tái)是當(dāng)今海洋油氣開發(fā)的主流裝備，因其移動(dòng)靈活，作業(yè)穩(wěn)定、造價(jià)較低等優(yōu)勢(shì)備受廣大鉆井承包商親睞［1］。目前自升式平臺(tái)作業(yè)水深基本集中在90 m以內(nèi)，且以15 m為步長(zhǎng)，基本覆蓋了76 m、90 m、107 m、122 m系列型號(hào)，上述型號(hào)已初步形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式。近年來，為提升平臺(tái)經(jīng)濟(jì)性，適應(yīng)更細(xì)化水深要求的自升式平臺(tái)需求顯著，對(duì)新型號(hào)自升式平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出新的挑戰(zhàn)。本文以114 m作業(yè)水深的自升式平臺(tái)為目標(biāo)，對(duì)其樁腿結(jié)構(gòu)單元節(jié)距設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，采用SESAM軟件，研究在風(fēng)暴條件下的自升式平臺(tái)樁腿節(jié)距設(shè)計(jì)方法，為個(gè)性化平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 環(huán)境載荷

環(huán)境參數(shù)是任何一座海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)初始需要確定的外界輸入之一。本文以風(fēng)暴環(huán)境條件為外界輸入，選取三種作業(yè)水深及其對(duì)應(yīng)的氣隙和波高條件進(jìn)行組合，假設(shè)浪向和風(fēng)向一致，以0°、60°、90°、120°和180°風(fēng)向和浪向進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)波浪周期不隨波高和水深變化，選取目標(biāo)平臺(tái)作業(yè)海域的波浪周期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)15 s進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)暴條件環(huán)境參數(shù)

1.1 風(fēng)載荷計(jì)算

自升式平臺(tái)風(fēng)載荷計(jì)算方法主要包括經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬法和風(fēng)洞試驗(yàn)法［2-4］。經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算簡(jiǎn)單方便，但由于僅考慮構(gòu)件高度系數(shù)和形狀系數(shù)對(duì)載荷的影響，并沒有計(jì)及構(gòu)件之間遮蔽效應(yīng)等因素的影響，導(dǎo)致風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果偏大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于保守［5］。風(fēng)洞試驗(yàn)方法是公認(rèn)的自升式鉆井平臺(tái)風(fēng)載荷計(jì)算方法，試驗(yàn)結(jié)果接近真實(shí)，較為可靠，但國內(nèi)外關(guān)于此類問題研究較少［6］。數(shù)值模擬方法介于規(guī)范計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)兩者之間，基于CFD計(jì)算方法，完成風(fēng)載荷計(jì)算，此方法計(jì)算結(jié)果對(duì)流場(chǎng)參數(shù)選取較為敏感，其經(jīng)濟(jì)性較好［7］。

本研究采用在某國家重點(diǎn)試驗(yàn)室模擬的我國A類地表自然流場(chǎng)的TJ-2風(fēng)洞中按1/100縮尺比模型進(jìn)行五分量測(cè)力試驗(yàn)，對(duì)目標(biāo)平臺(tái)在風(fēng)暴條件下的風(fēng)載荷進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試時(shí)參考高度href=10 m處風(fēng)速為51.5 m/s（100 kn）的研究結(jié)果，每隔15°為偏角方位，模型在水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)。

圖1 風(fēng)洞模型

圖2 樁腿節(jié)距內(nèi)參數(shù)化設(shè)計(jì)有限元模型

1.2 波流載荷計(jì)算

波浪載荷是自升式平臺(tái)僅次于風(fēng)載荷的第二主控載荷，波浪載荷的計(jì)算首先需要確定選用適當(dāng)?shù)牟ɡ死碚?，本文采用STOKES五階波理論得到波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)或者流函數(shù)［8-11］，進(jìn)而得到水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度和加速度，由于樁腿結(jié)構(gòu)為小尺度結(jié)構(gòu)型式，因此采用MORISON方程［12］計(jì)算波浪載荷。MORISON公式表達(dá)如下：

式中：η為瞬時(shí)波面高度，m；d為水深，m；Cd為水質(zhì)點(diǎn)拖曳力系數(shù)；Cm為水質(zhì)點(diǎn)慣性力系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；D為柱體直徑，m；u為水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

海流速度受潮汐、涌和風(fēng)等因素影響，根據(jù)平臺(tái)作業(yè)海域的不同，流速隨水深分布可按三角形分布或指數(shù)函數(shù)分布［13］。在進(jìn)行環(huán)境載荷計(jì)算時(shí)，可將流速和波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行疊加，組合計(jì)算波流載荷。ABS的流速計(jì)算推薦公式［14］：

當(dāng)z≤h時(shí)，Vc=Vt+Vs+Vw［（h-z）/h］；

當(dāng)z＞h時(shí)，Vc=Vt+Vs

式中：Vt、Vs和Vw分別為潮汐、涌和風(fēng)引起的流速，m/s；h為風(fēng)對(duì)浪的作用深度，m；z為參考深度，m。

通過上述流速計(jì)算，同樣可以通過MORISON方程，給出流載荷計(jì)算公式：

式中：v為海流速度，m/s。

則可將波浪載荷和海流載荷結(jié)合在一起進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)一到波流載荷計(jì)算公式中［13］：

本研究采用SESAM軟件的WAJAC模塊計(jì)算既定工況條件下的水動(dòng)力載荷。

1.3 DAF效應(yīng)

自升式平臺(tái)水動(dòng)力放大系數(shù)的計(jì)算可采用時(shí)域分析、頻域分析和單自由度SDOF方法求解［15］。本研究將平臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單點(diǎn)質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng)，采用SDOF方法，求解平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)在水質(zhì)點(diǎn)往復(fù)周期性外力作用下的水動(dòng)力放大系數(shù)DAF。

式中：TN為平臺(tái)固有周期，s；T為波浪周期，s；ε為阻尼比，取0.07。當(dāng)DAF≥1.05時(shí)，需要計(jì)及慣性載荷影響，慣性載荷計(jì)算公式如下：

式中：BSmax為最大波浪力；BSmin為最小波浪力。

通過SESAM軟件GeniE模塊進(jìn)行特征值分析，得出不同節(jié)距條件下的平臺(tái)固有周期，進(jìn)而可以得到DAF因子，結(jié)合最大和最小基底剪力，采用公式（4）和公式（5）計(jì)算，得到計(jì)及DAF效應(yīng)的慣性載荷［16-17］。該方法可有效規(guī)避平臺(tái)固有周期與波浪周期接近引起的共振效應(yīng)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響。

1.4 P-△效應(yīng)

對(duì)于大水深自升式平臺(tái)而言，較長(zhǎng)的樁腿結(jié)構(gòu)柔性特性顯著，在外載荷作用下，平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向偏移，樁腿與主船體連接區(qū)域?qū)a(chǎn)生較大的附加彎矩，導(dǎo)致樁腿截面出現(xiàn)二次應(yīng)力作用，此種情況下傳統(tǒng)的線彈性小變形有限元程序分析方法已不再適用，一般采用大變形方法或幾何剛度法［16-17］。本研究采用幾何剛度法分析P-△效應(yīng)，通過放大線彈性位移確定，公式如下所示：

式中：Δ為含P-△效應(yīng)的近似位移，m；δs為主船體線彈性一階位移，m；P為單樁腿軸向載荷；PE為單樁腿歐拉屈曲載荷。

等效彎矩計(jì)算公式如下：

等效二次力的計(jì)算由下式得出：

式中：H為作用力至泥面的垂直高度，m。

2 有限元計(jì)算

采用SESAM軟件GeniE模塊建立自升式平臺(tái)有限元模型，對(duì)主船體結(jié)構(gòu)縱橫艙壁采用等效截面梁的形式進(jìn)行模擬，并以質(zhì)量球的形式施加結(jié)構(gòu)自重，樁腿弦管單元采用等效梁進(jìn)行模擬，撐管單元以實(shí)際尺寸的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

樁腿底部邊界條件依據(jù)規(guī)范取泥線下3.05 m處鉸支［16］。樁腿與主船體的連接模擬是樁腿弦管與圍阱區(qū)上、下導(dǎo)塊和鎖緊結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)連接，上下導(dǎo)塊只約束水平位移，鎖緊位置同時(shí)約束水平和豎直位移。

以114 m作業(yè)水深的自升式平臺(tái)為研究對(duì)象，型長(zhǎng)68.15 m、型寬66.10 m、型深8.30 m、懸臂梁最大外伸21.4 m、樁腿長(zhǎng)度155.57 m、平臺(tái)質(zhì)心距外底板基線垂向高度10.779 m、空船質(zhì)量12 564 t。

本文主要針對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)節(jié)距變化對(duì)強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析，表2為樁腿構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 樁腿構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸表

結(jié)合主流平臺(tái)樁腿節(jié)距值，本研究對(duì)目標(biāo)平臺(tái)樁腿節(jié)距分別取值為：7.090 m、7.485 m、7.935 m、8.420 m、8.980 m，不同節(jié)距型式下的樁腿質(zhì)量估算如表3所示，采用參數(shù)化建模方法對(duì)上述五組節(jié)距形式下的樁腿在風(fēng)暴環(huán)境條件下的承載能力進(jìn)行評(píng)估，給出平臺(tái)樁腿節(jié)距設(shè)計(jì)最優(yōu)方案，通過SESAM軟件模態(tài)分析得到的3種工況在不同節(jié)距型式下的平臺(tái)固有周期如表4所示［18］。

表3 不同節(jié)距對(duì)應(yīng)的樁腿質(zhì)量s

本研究采用的風(fēng)載荷來自于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，假設(shè)不考慮節(jié)距變化對(duì)風(fēng)載荷影響，僅計(jì)及節(jié)距變化對(duì)平臺(tái)DAF因子影響，得出環(huán)境載荷如下：

表5 風(fēng)暴環(huán)境條件下風(fēng)載荷計(jì)算表（風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)）

表6 計(jì)及DAF效應(yīng)的環(huán)境載荷計(jì)算表（工況1）

續(xù)表6

表7 計(jì)及DAF效應(yīng)的環(huán)境載荷計(jì)算表（工況2）

表8 計(jì)及DAF效應(yīng)的環(huán)境載荷計(jì)算表（工況3）

續(xù)表8

圖3 工況1：波流載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)柱狀圖

圖4 工況1：P -△矩?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)柱狀圖

圖5 工況2：波流載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)柱狀圖

圖6 工況2：P -△矩?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)柱狀圖

圖7 工況3：波流載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)柱狀圖

圖8 工況3：P -△矩?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)柱狀圖

3 結(jié)果分析

3.1 載荷比較分析

由表5-表8統(tǒng)計(jì)的載荷計(jì)算結(jié)果比較分析可知，隨著節(jié)距變大，波流載荷呈遞減趨勢(shì)，二次慣性矩隨節(jié)距變化趨勢(shì)平緩。

（1）在工況1條件下，波流載荷在樁腿節(jié)距7.485 m時(shí)，由于平臺(tái)固有周期接近波浪周期，如表4所示，導(dǎo)致水動(dòng)力放大效應(yīng)引起的慣性載荷顯著增大，同時(shí)引起P-△二次慣性矩跳躍式增加，不利于結(jié)構(gòu)安全。因此，對(duì)本平臺(tái)而言選取7.485 m節(jié)距不安全。

（2）在工況2條件下，波流載荷隨節(jié)距增大呈逐級(jí)遞減趨勢(shì)，P-△二次慣性矩幾乎不受節(jié)距變化影響，僅對(duì)載荷方向變化較為敏感。因此，對(duì)本平臺(tái)而言在此工況下選取較大節(jié)距，載荷條件較優(yōu)。

（3）在工況3條件下，節(jié)距取值7.485 m和7.935 m時(shí)，波流載荷逆勢(shì)小幅增大，P-△二次慣性矩受節(jié)距變化影響可以忽略不計(jì)。因此，對(duì)本平臺(tái)而言此工況下，基本驗(yàn)證工況2下的波流載荷變化趨勢(shì)與節(jié)距的關(guān)系，即隨著節(jié)距變大，波流載荷呈遞減趨勢(shì)，二次慣性矩隨節(jié)距變化趨勢(shì)平緩。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較分析

通過有限元軟件對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)各組成單元強(qiáng)度進(jìn)行校核，對(duì)結(jié)構(gòu)UC值列圖如下：

圖9 樁腿弦管有限元計(jì)算UC值

（1）由圖9分析可知，弦管結(jié)構(gòu)在工況1條件下，節(jié)距取值7.485 m時(shí)UC值達(dá)0.84，比較危險(xiǎn)，節(jié)距取值7.935 m或7.09 m較為理想。

（2）由圖10分析可知，外水平撐管在工況2條件下，節(jié)距取值8.98 m時(shí)UC值達(dá)0.23，雖然滿足安全要求，但相對(duì)同類結(jié)構(gòu)在其他節(jié)距時(shí)的UC值增幅明顯，因此，節(jié)距8.98 m不是優(yōu)選節(jié)距。

圖10 樁腿外水平撐管有限元計(jì)算UC值

（3）由圖11分析可知，斜撐管在工況1條件下，節(jié)距取值7.485 m時(shí)UC值達(dá)0.58，節(jié)距取值7.09 m時(shí)的UC值也高于節(jié)距取值7.935 m時(shí)的UC值，即7.935 m節(jié)距優(yōu)于7.09 m節(jié)距。

圖11 樁腿斜撐管有限元計(jì)算UC值

（4）由圖12分析可知，樁腿水平內(nèi)撐管UC值受節(jié)距變化影響不大。

（5）由圖13分析可知，撐管接頭是有限元分析主要關(guān)注的區(qū)域，綜合分析可知7.935 m節(jié)距為最優(yōu)節(jié)距。

結(jié)合上述不同樁腿節(jié)距形式針對(duì)載荷影響及對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核UC值的影響分析，綜合考慮樁腿質(zhì)量變化趨勢(shì)（如表3所示），本平臺(tái)確定7.935 m為樁腿節(jié)距最優(yōu)尺寸。

圖12 樁腿內(nèi)水平撐管有限元計(jì)算UC值

圖13 樁腿管節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算UC值

4 結(jié) 論

本文針對(duì)目前稀有型號(hào)114 m作業(yè)水深自升式平臺(tái)桁架式樁腿結(jié)構(gòu)節(jié)距優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，完成風(fēng)暴條件下樁腿強(qiáng)度對(duì)節(jié)距敏感性分析。通過風(fēng)洞試驗(yàn)與STOKES五階波理論等試驗(yàn)與理論研究，采用SESAM軟件進(jìn)行特征值分析，得出計(jì)及DAF水動(dòng)力放大效應(yīng)和P-△二次慣性效應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)，并重點(diǎn)對(duì)不同節(jié)距形式的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，如弦桿結(jié)構(gòu)、外水平撐管、內(nèi)水平撐管、斜撐管和重要管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)等，確定目標(biāo)平臺(tái)節(jié)距優(yōu)選值，形成樁腿強(qiáng)度對(duì)節(jié)距敏感性分析技術(shù)，為該稀有型號(hào)平臺(tái)核心部件的自主設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，并可為廣大工程技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

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