自升式平臺樁腿建造柔性胎架設(shè)計與力學(xué)分析

王 順, 劉玉君, 汪 驥, 于澤桐

(1.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

自升式平臺樁腿建造柔性胎架設(shè)計與力學(xué)分析

王 順1, 劉玉君1, 汪 驥1, 于澤桐2

(1.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

針對目前自升式平臺樁腿建造專用胎架通用性差、耗費工時和成本的缺點，開發(fā)了新型柔性胎架，并分析柔性胎架中存在的力學(xué)問題，按照國家標(biāo)準(zhǔn)對螺紋副設(shè)計，并校核支撐立柱穩(wěn)定性。設(shè)計出的新型柔性胎架，滿足目前常見平臺樁腿建造對胎架承載能力的強度要求和建造精度的直線度要求，同時滿足施工便利性。可減少胎架制作工時、節(jié)約建造成本、提高海洋工程的建造效率。

自升式平臺；柔性胎架；樁腿建造；力學(xué)分析

0 引言

在自升式鉆井平臺樁腿的建造過程中[1]，樁腿胎架是必需的工裝設(shè)備，除了在建造過程中能夠?qū)锻绕鹬魏投ㄎ蛔饔茫匾氖且ＷC樁腿的直線度[2]。目前樁腿胎架的典型結(jié)構(gòu)主要由胎架基礎(chǔ)、胎箱和支撐立柱等三部分組成[3, 4]，如圖 1所示。

圖1 樁腿胎架典型形式

由于不同型號平臺樁腿的齒條板尺寸不同[5]，半圓管半徑不同，以及樁腿分段重量不同，目前自升式平臺樁腿建造中使用的基本都是專用胎架，即樁腿胎架是針對某特定平臺產(chǎn)品的尺寸進行設(shè)計和建造，如果建造其他型號的平臺樁腿，還需要對樁腿胎架進行重新設(shè)計和建造，既造成原有胎架的浪費，又增加了新胎架建造的工時和成本。

因此，設(shè)計自升式鉆井平臺樁腿柔性胎架，并對柔性胎架使用過程中的工藝力學(xué)問題進行分析，并對危險區(qū)域按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，提高胎架的多產(chǎn)品通用性，能夠滿足目前常見的平臺樁腿建造要求，對于減少胎架制作工時、節(jié)約建造成本、提高海洋工程的建造效率具有十分重要的意義。

1 新型柔性胎架的設(shè)計

目前常見平臺樁腿半圓板的半徑變化范圍較大，因此要求胎箱支撐面半徑的調(diào)整范圍必須滿足半圓板半徑變化范圍，更重要的是，胎箱支撐面在建造中必須對樁腿剛性固定不變形，以滿足樁腿建造的直線度要求，因此，如何調(diào)整胎箱支撐面半徑和保證樁腿固定是研究的關(guān)鍵問題，即如何解決胎箱和支撐立柱的柔性設(shè)計問題。

1.1 胎箱柔性設(shè)計

胎箱結(jié)構(gòu)柔性設(shè)計要求滿足半圓管半徑在一定范圍內(nèi)變化(150 mm～350 mm)。首先根據(jù)常見平臺對應(yīng)的最大的半圓管半徑初步確定胎箱的尺寸，如圖 2所示。

圖 2 胎箱總體外形圖 圖 3 半圓管尺寸變小后的胎箱總體圖

圖2中五個螺栓主要起支撐和定位作用，可實現(xiàn)齒條不同方向偏差的調(diào)整。建造過程中需保證齒條的直線度，其與水平方向夾角是60°，以保證三個樁腿中心圍成的是等邊三角形?，F(xiàn)場吊放齒條到胎架后，需調(diào)整齒條的傾斜角度以保證傾斜角度與要求一致。

當(dāng)半圓管半徑變小后，如圖 3所示，左、右圖分別對應(yīng)不同半圓管半徑的情形。平臺尺寸變化后，蓋板上的兩個角度螺栓需根據(jù)齒條尺寸的變化調(diào)整蓋板上螺栓的位置，以實現(xiàn)不同平臺對應(yīng)半圓管尺寸的變化后角度調(diào)整螺栓仍有較好的作用效果。胎箱模板上斜向螺栓的位置也根據(jù)齒條尺寸的變化相應(yīng)進行調(diào)整，保證斜向螺栓的作用點位于齒條的中心位置，以實現(xiàn)胎箱模板上的斜向螺栓都能對支撐和調(diào)整平臺樁腿有良好的效果。

1.2 支撐立柱柔性設(shè)計

目前常見平臺樁腿尺寸和重量差別較大，因此不僅要求支撐立柱在高度方向的調(diào)節(jié)范圍必須滿足樁腿尺寸變化范圍，而且要求其強度和穩(wěn)定性必須滿足樁腿承重要求，該設(shè)計支撐立柱高度變化范圍為7.5 m～16 m。

由于不同型號平臺尺寸不同，對應(yīng)的支撐立柱高度也不同，同時避免每次不同型號的平臺對應(yīng)的支撐立柱的專用性。盡量使用較多的適應(yīng)不同型號平臺要求尺寸的通用構(gòu)件，試圖通過較小的改變滿足不同型號平臺樁腿尺寸對支撐立柱高度的要求。

圖 4 支撐立柱總體外形圖

設(shè)計的支撐立柱總體外形如圖 4所示。圖4中支撐立柱主要由頂部特殊件，1 m、2 m、5 m等一系列不同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件，底部特殊件組成。頂部特殊件上方開有與平臺尺寸對應(yīng)的凹槽，各構(gòu)件之間端部設(shè)有法蘭，各構(gòu)件之間通過法蘭用螺栓連接。根據(jù)平臺樁腿分段尺寸的不同選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件組合，以滿足不同型號平臺樁腿尺寸對支撐立柱高度的要求。

2 胎箱柔性設(shè)計中的力學(xué)分析

2.1 力學(xué)分析

在胎箱結(jié)構(gòu)形式柔性設(shè)計中，關(guān)鍵在于保證對應(yīng)不同的平臺尺寸，都能保證胎箱在支撐平臺樁腿分段建造過程中不失效，而決定胎箱是否正常工作的關(guān)鍵在于胎箱上的螺栓，尤其是支撐螺栓，而決定螺栓是否失效的關(guān)鍵在于螺紋副耐磨性是否滿足要求。因此，只要在螺栓最大受力的工況下確保支撐螺栓的螺紋副耐磨性不失效即可保證胎箱在整個平臺樁腿分段建造過程中正常工作。按照實際可能發(fā)生的最危險的工況，從螺紋副耐磨性出發(fā)，對螺紋副設(shè)計及進行相關(guān)的強度校核。

基于自升式鉆井平臺樁腿結(jié)構(gòu)圖建立的有限元模型[6-9]，可計算出平臺樁腿分段重量確定各支撐位置支反力的大小。將胎架整體結(jié)構(gòu)可承受最大載荷加載到整個平臺樁腿分段模型上，再計算得到各支撐位置支反力的大小。最后根據(jù)胎架和立柱支反力的計算結(jié)果進行胎架底部和支撐立柱頂部的螺旋副的設(shè)計。

根據(jù)實際工況，胎箱固定，將平臺樁腿吊放到胎箱上時，可能發(fā)生胎箱上垂向位移調(diào)整螺栓與樁腿半圓管接觸，而胎箱斜向位移調(diào)整螺栓沒有參與受力的情況，此時工況為危險工況。需按此工況計算各個螺栓的受力情況。

螺旋副的設(shè)計需先根據(jù)用途選擇合適的牙型和材料，再根據(jù)工作條件按耐磨性計算螺桿中徑，根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)確定螺桿和螺母的螺紋參數(shù)，對耐磨性進行校驗，最后需驗算自鎖性，校核螺桿強度、螺牙強度及對螺桿的受壓穩(wěn)定性進行計算，要求各項校核均滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)?；瑒勇菪齻鲃拥氖问街饕锹菽嘎菁y磨損，因此，螺桿的直徑和螺母的高度通常是根據(jù)耐磨性確定的。

2.2 螺旋副設(shè)計實例

螺紋副的設(shè)計先由耐磨性條件出發(fā)，算出螺桿的中徑，然后根據(jù)梯形螺紋國家標(biāo)準(zhǔn)確定梯形螺紋參數(shù)，然后對可能發(fā)生的其他失效逐一進行校核，螺紋副的設(shè)計包括胎架位移調(diào)整螺桿螺旋副設(shè)計和立柱頂部位移調(diào)整螺栓螺旋副設(shè)計。根據(jù)平臺樁腿分段有限元模型計算得到危險工況下螺栓承受最大力為150 000 N。

參考機械設(shè)計手冊[10]和梯形螺紋國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5796.3-2005[11]，以胎架位移調(diào)整螺桿螺旋副設(shè)計為例介紹螺紋副設(shè)計的具體步驟。

考慮到螺母選用鑄造鋁青銅耐磨性好，摩擦因數(shù)相對較低(0.06～0.08)，設(shè)計的螺紋副尺寸較小，故選取鑄造鋁青銅作為螺母的材質(zhì)。

(1)牙型、材料和許用應(yīng)力

采用梯形螺紋，單線n=1。螺桿45鋼調(diào)質(zhì)處理，螺母ZCuAl10Fe3，鑄造鋁青銅。

牙面滑動速度為低速、潤滑良好，許用壓強[p]=18MPa～25MPa,取[p]=20MPa。

螺桿的許用應(yīng)力：

螺母的許用應(yīng)力：

彎曲許用應(yīng)力σbP=(40～60)MPa,取σbP=50MPa；剪切許用應(yīng)力τP=(30～40)MPa,取τP=35MPa。

(2)按耐磨性設(shè)計

采用整體式螺母，取ψ=1.8

計算螺桿中徑：

(1)

按梯形螺紋國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5796.3-2005，取螺桿螺紋參數(shù)如下：

螺距P=9mm，公稱直徑d=60mm,中徑d2=50mm,小徑d1=50mm。

螺母螺紋參數(shù)：

公稱直徑D=60mm，中徑D2=55.5mm，小徑D1=51mm，大徑D4=61mm；螺母高度H=ψd2=1.8×55.5=99.9mm；螺紋旋合圈數(shù)z=H/P=11.1,取z=11，螺母高度H=Pz=99mm；螺紋的工作高度h=0.9P=4.5mm。

(3)驗算耐磨性

螺紋接觸壓強

(4)驗算自鎖

滿足自鎖性的條件為：

(2)

式中：d2為螺紋中徑(mm)；γ為導(dǎo)程角(°)；ρv為當(dāng)量摩擦角(°)；S為螺距，S=nP(mm)；μ為螺旋副的摩擦因數(shù)，無量綱。

(5)螺桿強度校核

螺桿受有軸向力Fa，因此在螺桿軸向產(chǎn)生壓應(yīng)力，同時由于摩擦扭矩T使螺桿截面內(nèi)產(chǎn)生扭切應(yīng)力，T按螺桿實際的受力情況確定，其計算公式為：

(3)

式中：Fa為軸向力(N)；d2為螺紋中徑(mm)；γ為螺紋升角；ρv為當(dāng)量摩擦角。

根據(jù)壓應(yīng)力和扭切應(yīng)力，按第四強度理論可求出危險截面的當(dāng)量應(yīng)力σca，強度條件為

(4)

式中：d1為螺紋小徑；[σ]為螺桿材料的許用應(yīng)力。

螺紋摩擦扭矩T=518 452N·mm，σca=84.4MPa<ρv=90MPa，螺桿強度滿足要求。

(6)螺牙強度校核

選取螺桿材質(zhì)為45鋼調(diào)質(zhì)，螺母材質(zhì)為鑄青銅，螺桿螺牙強度高于青銅螺母的強度，只需校核螺母的螺牙強度即可。

防止沿螺母螺紋牙根部剪切和彎曲的校核公式分別為：

(5)

(6)

式中：b為螺紋牙根部的寬度，mm；z為結(jié)合圈數(shù)；d為公稱直徑，mm；

(7)螺桿的受壓穩(wěn)定性計算

(7)

式中：Fcr為臨界載荷，N；S為穩(wěn)定性校核安全系數(shù)，通常取S=2.5～4。

3 支撐立柱設(shè)計中的力學(xué)分析

支撐立柱各構(gòu)件之間采用法蘭連接，法蘭尺寸大于立柱本身的尺寸，所以在強度分析過程中為安全性考慮，將立柱模型簡化為均由立柱主體構(gòu)成。由于支撐立柱高度方向尺寸相對于截面尺寸很大，因此立柱可簡化成細長桿模型。細長桿收到較大的軸向壓力時，最可能喪失穩(wěn)定性，因此首先需對立柱的穩(wěn)定性進行校核，再對立柱進行強度校核。立柱底端通過座板固定在地面上，底端可簡化成固定端；由于立柱頂端可自由活動，將其簡化成自由端。細長螺桿失穩(wěn)的臨界載荷與材料、柔度相關(guān)，在強度校核過程中使用歐拉公式進行計算并注意歐拉公式的使用范圍(細長壓桿)，需判斷簡化后的模型是否符合歐拉公式適用范圍。

由于λ=143.5>100，臨界載荷由歐拉公式確定：

(8)

式中：μ為長度因數(shù)，桿兩端一端固定，一端自由時取為2；L為細長桿長度，m；E為彈性模量，GPa；I為細長桿的截面慣性矩。

立柱強度校核要求：

(9)

式中：σS為材料的屈服強度，低碳鋼取235MPa；S為強度校核安全系數(shù)，取為4；[σ]為許用應(yīng)力，MPa。

計算得到許用應(yīng)力為[σ]=58.75MPa,σ=11.2MPa<[σ]=58.75MPa，則立柱強度滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

針對由于不同型號鉆井平臺的齒條板尺寸不同，半圓管半徑不同導(dǎo)致自升式鉆井平臺樁腿建造中使用的專用胎架通用性差、增加建造工時和成本的缺點，研制開發(fā)了自升式鉆井平臺樁腿建造柔性胎架，并對胎架中胎箱和支撐立柱等核心構(gòu)件進行強度分析，螺紋副耐磨性和支撐立柱的穩(wěn)定性是胎架強度的關(guān)鍵，參考相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進行螺紋副設(shè)計，并對立柱進行穩(wěn)定性校核。設(shè)計出的新型柔性胎架，已應(yīng)用于國內(nèi)某大型海工企業(yè)多艘不同型號自升式平臺樁腿的建造。根據(jù)不同型號的平臺樁腿尺寸調(diào)節(jié)胎架上的調(diào)節(jié)螺栓，支撐立柱采用多個標(biāo)準(zhǔn)件的組合滿足不同型號平臺對支撐高度的要求。新型柔性胎架的多產(chǎn)品通用性提高，可減少胎架制作工時、節(jié)約建造成本，從而提高海洋工程的建造效率，縮短建造周期。

[ 1 ] DONG Wei-liang. Recent advances on operation of jackup rigs in China[C]. Maui, HI, United states: International Society of Offshore and Polar Engineers, 2011.

[ 2 ] 丁果林，徐捷. JU2000自開式鉆井平臺樁腿建造檢驗[J]. 中國船檢. 2005，17(11): 86-88.

[ 3 ] 中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S]. 2005.

[ 4 ] Society of Naval Architects and Marine Engineers. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units[S]. 2007.

[ 5 ] 周宏，羅宇，蔣志勇，等. 高強度樁腿齒條厚板切割數(shù)值仿真研究[J]. 中國造船. 2013，54(03): 105-113.

[ 6 ] ANON. Slant leg jack-up rig increases water depth[J]. Journal of Offshore Technology. 2000, 8(1): 23-26.

[ 7 ] FU Peng, YANG Shu-geng. Sensibility analysis for the main parameter of simplification of boundary condition for legs of jack-up[C]. Nanjing, China: IEEE, 2011.

[ 8 ] 唐文獻，秦文龍，張建，等. 自升式平臺樁靴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 中國造船. 2013, 54(03): 78-84.

[ 9 ] 王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[10] 聞邦椿. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.

[11] GB/T 5796.3-2005.梯形螺紋 第3部分：基本尺寸[S]. 北京, 2005.

Design and Mechanical Analysis of Flexible Jig for Leg Manufacturing of Jack-up

WANG Shun1, LIU Yu-jun1, WANG Ji1, YU Ze-tong2

(1.School of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China;2.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China)

Due to various designs in racks and semicircle tubes, dedicated jigs are used in the manufacturing of most jack-up legs, which decreases the productivity. In this research, a new flexible jig system with jig and support column was designed to meet different production requirements of many jack-up platforms. Mechanical problems in the flexible jig were analyzed, screw pair was designed according to the national standards. Stability and strength of support column were checked. The new flexible jig designed in this study can satisfy the varied requirements of the strength and the straightness for common jack-up leg manufacturing and the convenience of construction, reduce the production time and the construction cost of jig, and improve the construction efficiency of marine engineering.

jack-up platform; flexible jig; leg manufacturing; mechanical analysis

2013-11-22

國家863計劃海洋技術(shù)領(lǐng)域課題“300英尺自升式鉆井平臺關(guān)鍵技術(shù)與裝備”(2011AA090201)。

王 順(1988-)，男，博士研究生。

1001-4500(2015)05-0042-06

P75

A