自升式平臺(tái)樁腿強(qiáng)度對(duì)弦管間距敏感性分析

朱亞洲，孫承猛，張曉宇，戚欣，秦洪德，姜濱

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

自升式平臺(tái)樁腿強(qiáng)度對(duì)弦管間距敏感性分析

朱亞洲1，孫承猛2，張曉宇2，戚欣2，秦洪德1，姜濱1

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

以自升式平臺(tái)桁架式樁腿結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化為目標(biāo)，進(jìn)行了樁腿強(qiáng)度對(duì)弦管間距敏感性分析，給出了樁腿弦管間距優(yōu)選值。分析平臺(tái)所受環(huán)境載荷，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)獲取風(fēng)暴條件下風(fēng)載荷數(shù)據(jù)，通過(guò)理論計(jì)算得到波浪載荷和海流載荷數(shù)據(jù)。通過(guò)特征值分析得到平臺(tái)自振周期和一階偏移值，進(jìn)而獲取計(jì)及水動(dòng)力放大效應(yīng)的慣性載荷和計(jì)及幾何非線性效應(yīng)的慣性矩，分析發(fā)現(xiàn)：波流角一定的情況下，計(jì)及水動(dòng)力放大效應(yīng)的慣性載荷對(duì)弦管間距較敏感，隨著弦管間距增大基本呈遞減趨勢(shì)；隨著弦管間距增大，計(jì)及幾何非線性效應(yīng)的慣性矩減小。結(jié)合環(huán)境載荷計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同弦管間距下的樁腿各結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，對(duì)比了各結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)弦管間距的敏感性，在此基礎(chǔ)上給出了所研究的3種作業(yè)水深平臺(tái)的樁腿弦管間距優(yōu)選值。圖11表4參21

自升式平臺(tái)；環(huán)境載荷；樁腿強(qiáng)度；弦管間距

0 引言

自升式平臺(tái)因其作業(yè)穩(wěn)定、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)成為目前淺海油氣開發(fā)的主流裝備。自升式平臺(tái)主要通過(guò)樁腿結(jié)構(gòu)支撐于海底實(shí)現(xiàn)主船體升降作業(yè)，因此，樁腿結(jié)構(gòu)是自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中的核心部件。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造技術(shù)展開了深入研究，形成了較為成熟的樁腿結(jié)構(gòu)形式[1-5]。對(duì)于作業(yè)水深91.5 m（300 ft）以上的自升式平臺(tái)，樁腿主要為逆“K”斜撐型，以滿足海洋環(huán)境條件。隨著作業(yè)水深的不斷增加，作業(yè)水深107.0～152.4 m（350～500 ft）的平臺(tái)系列日益成為主流，作業(yè)水深以15.24 m（50 ft）步長(zhǎng)遞增的傳統(tǒng)平臺(tái)劃分模式被打破，需要具有個(gè)性化功能和作業(yè)水深劃分更細(xì)化的平臺(tái)類型。

本文針對(duì)作業(yè)水深91.5 m（300 ft）以上的自升式平臺(tái)，對(duì)影響樁腿承載能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的弦管間距進(jìn)行研究，采用SESAM軟件開展樁腿強(qiáng)度對(duì)弦管間距敏感性分析，給出該型平臺(tái)最優(yōu)弦管間距設(shè)計(jì)方案，為個(gè)性化平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 環(huán)境載荷

在自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)中，海洋環(huán)境條件可以分為靜態(tài)環(huán)境條件和動(dòng)態(tài)環(huán)境條件。靜態(tài)環(huán)境條件包括水深、海底地質(zhì)、氣溫、水溫、濕度和海洋生物等；動(dòng)態(tài)環(huán)境條件包括風(fēng)、波浪和海流。對(duì)于自升式平臺(tái)樁腿強(qiáng)度評(píng)估，只需考慮風(fēng)載荷、海流載荷和波浪載荷的影響。

1.1 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷是影響自升式平臺(tái)站立穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及漂浮穩(wěn)定性的主控載荷之一，風(fēng)載荷作用在自升式平臺(tái)水面以上的部分結(jié)構(gòu)和設(shè)備，其大小與風(fēng)速、受風(fēng)面積以及結(jié)構(gòu)物或設(shè)備高度和形狀等因素有關(guān)。目前，風(fēng)載荷計(jì)算主要有4種方法：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、風(fēng)洞試驗(yàn)法、數(shù)值計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)公式法[6-11]。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法是確定風(fēng)載荷大小最直接最真實(shí)的方法，但該方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高，且不能對(duì)將來(lái)由于平臺(tái)周圍環(huán)境變化而可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行研究，因此該方法具有一定的局限性；應(yīng)用CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）技術(shù)可以計(jì)算作用在平臺(tái)上的風(fēng)載荷的大小和分布，但該技術(shù)在海洋工程結(jié)構(gòu)物風(fēng)載荷模擬中應(yīng)用并不多見，主要應(yīng)用于建筑和飛機(jī)工業(yè)中[12-13]；經(jīng)驗(yàn)公式法是計(jì)算風(fēng)載荷的較為簡(jiǎn)單和快捷的方法，但因其對(duì)構(gòu)件間遮蔽效應(yīng)等因素考慮不足，計(jì)算結(jié)果偏于保守；在缺乏母型船資料的情況下，風(fēng)洞試驗(yàn)是研究風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)物作用的一種常用方法，該方法可以綜合考慮構(gòu)件形狀、高度、位置和遮蔽效應(yīng)等影響因素。

本文在某國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室模擬中國(guó)A類地表自然流場(chǎng)的TJ-2風(fēng)洞中按1∶100縮尺比模型（見圖1）進(jìn)行五分量測(cè)力實(shí)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10 m處風(fēng)速為51.5 m/s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)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.2 波浪載荷

波浪對(duì)海水中的結(jié)構(gòu)物可能造成嚴(yán)重傷害，是引起結(jié)構(gòu)物破壞的又一主控載荷。根據(jù)研究對(duì)象的不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中所采用的確定波浪模型的方法包括設(shè)計(jì)波方法和波浪譜統(tǒng)計(jì)方法[14-16]。本文建立設(shè)計(jì)波方法的波浪模型，結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)分析方法對(duì)自升式平臺(tái)樁腿強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，為了分析風(fēng)暴自存工況下的樁腿強(qiáng)度，選用Stokes五階波以便更好地描述波浪特性。

自升式平臺(tái)樁腿屬于桁架式結(jié)構(gòu)物，其弦管和撐管的截面直徑和波長(zhǎng)之比滿足細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件要求，因此波浪載荷的計(jì)算可以采用Morison公式[17]：

（1）式中的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為水質(zhì)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的相對(duì)速度，加速度為水質(zhì)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的相對(duì)加速度。

本文基于Stokes五階波浪理論，得到任意位置處水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度，采用SESAM軟件WAJAC模塊計(jì)算得到波浪載荷數(shù)值。

1.3 海流載荷

海流的流速隨水深而變化，隨時(shí)間和空間而變化，在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物計(jì)算中，一般不考慮海流引起的渦激振動(dòng)，將海流視為定常流，即只需要確定海流在海水表面的流速和流速剖面即可[18-19]。

海流和波浪同時(shí)存在的情況下，可以將海流速度與波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度相加，通過(guò)（1）式計(jì)算出在波浪和海流共同作用下樁腿上的水動(dòng)力載荷。

海流單獨(dú)作用在樁腿構(gòu)件上產(chǎn)生的拖曳力應(yīng)按下式計(jì)算：

1.4 水動(dòng)力放大效應(yīng)

波浪或波浪和海流聯(lián)合周期性作用將誘發(fā)自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，對(duì)隨之發(fā)生的動(dòng)力響應(yīng)必須予以足夠的重視。對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)物振動(dòng)問(wèn)題，主要涉及結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法，迄今為止大體可分為動(dòng)態(tài)系數(shù)放大法、頻域分析法和時(shí)域分析法[20-21]。

本文采用動(dòng)態(tài)系數(shù)放大法，以慣性載荷代表動(dòng)態(tài)響應(yīng)的貢獻(xiàn)。動(dòng)力響應(yīng)通過(guò)全局準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)來(lái)考慮，將慣性載荷以均勻分布的形式加載或以等效點(diǎn)載荷的形式加載于船體重心。慣性載荷通過(guò)單自由度方法（SDOF）求解，該方法假設(shè)自升式平臺(tái)及其基礎(chǔ)相當(dāng)于質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅值與準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)幅值的比值是穩(wěn)定狀態(tài)下頻率和周期的函數(shù)，通過(guò)DAF（動(dòng)態(tài)放大因子）來(lái)計(jì)算周期性的正弦激勵(lì)[17]：

當(dāng)DAF大于等于1.05時(shí)，需要計(jì)及慣性載荷影響，

慣性載荷計(jì)算公式為：

動(dòng)態(tài)放大因子計(jì)算過(guò)程中的關(guān)鍵是求解平臺(tái)固有周期TN。本文采用SESAM軟件GeniE模塊對(duì)不同弦管間距的平臺(tái)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到不同樁腿構(gòu)型下的固有周期值。

1.5 幾何非線性效應(yīng)

自升式平臺(tái)在升船狀態(tài)下，樁腿插入海底，全部載荷由樁腿傳遞至海底地基土層。與主船體結(jié)構(gòu)相比，自升式平臺(tái)的樁腿為柔性構(gòu)件，尤其在水深增加時(shí)柔性更加顯著，剛度較小，在上述載荷的作用下將產(chǎn)生較大的水平位移，樁靴垂向支反力的作用線不再通過(guò)樁腿的型心，導(dǎo)致樁腿彎矩與線性分析結(jié)果相比偏大，產(chǎn)生附加變形，屬于大位移非線性問(wèn)題。對(duì)此非線性問(wèn)題，目前主要用附加彎矩法、放大系數(shù)法和幾何非線性有限元法進(jìn)行求解[21]。

本文所采用的SESAM軟件GeniE模塊是基于線彈性理論進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)多次迭代計(jì)算考慮幾何非線性效應(yīng)，計(jì)算公式為[17]：

等效慣性矩計(jì)算公式為：

等效二次力的計(jì)算公式為：

2 有限元計(jì)算

2.1 工況條件

選取對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最不利的風(fēng)暴條件為分析工況（見表1），取3個(gè)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，波流角（風(fēng)向角）分別為0°、60°、90°、120°和180°。分別計(jì)算了波浪和海流引起的水動(dòng)力載荷、風(fēng)載荷、計(jì)及DAF效應(yīng)（水動(dòng)力放大效應(yīng)）的慣性載荷和計(jì)及幾何非線性效應(yīng)的慣性矩。本文中的風(fēng)載荷數(shù)據(jù)（見表2）來(lái)源于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。

表1 各工況環(huán)境參數(shù)

表2 風(fēng)暴環(huán)境下風(fēng)載荷數(shù)據(jù)

2.2 模型建立

本文采用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，通過(guò)調(diào)整材料密度和施加質(zhì)量球的形式來(lái)調(diào)整整個(gè)主船體的質(zhì)量和重心。利用強(qiáng)度等效原則，樁腿弦管采用等效梁建模。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)范取為泥線下3.05 m處鉸支[17]。以樁腿弦管、圍阱區(qū)上下導(dǎo)塊和鎖緊結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)連接模擬樁腿與主船體的連接，上下導(dǎo)塊只約束水平位移，鎖緊位置同時(shí)約束水平和垂直位移。

以107.0 m（350 ft）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)重心距外底板基線垂直高度10.779 m，空船質(zhì)量12 564 t。本文采用參數(shù)化建模方法對(duì)不同弦管間距條件下樁腿在風(fēng)暴環(huán)境中的承載能力進(jìn)行評(píng)估，給出平臺(tái)最優(yōu)樁腿弦管間距設(shè)計(jì)方案。弦管間距10.80 m、11.25 m、11.80 m、12.25 m和12.70 m對(duì)應(yīng)的樁腿質(zhì)量分別為2 720 t、2 750 t、2 790 t、2 830 t和2 860 t。圖2為樁腿結(jié)構(gòu)有限元校核位置。

圖2 樁腿校核位置示意圖

3 計(jì)算結(jié)果與討論

通過(guò)軟件分析，提取了影響慣性載荷的平臺(tái)固有周期值（見表3）和影響慣性矩的平臺(tái)水平位移量（見表4）。

表3 不同弦管間距對(duì)應(yīng)的平臺(tái)固有周期

3.1 環(huán)境載荷計(jì)算結(jié)果

由圖3—圖5可知：①波流角一定的情況下，計(jì)及DAF效應(yīng)的慣性載荷對(duì)樁腿弦管間距較敏感，工況1條件下，弦管間距10.80 m與弦管間距12.70 m時(shí)的慣性載荷相比增加達(dá)50%左右。但慣性載荷隨波流角變化不明顯，可以忽略不計(jì)。②計(jì)及DAF效應(yīng)的慣性載荷隨弦管間距變大基本呈遞減趨勢(shì)，但在工況1和工況3條件下，弦管間距11.80 m時(shí)的慣性載荷大于弦管間距11.25 m時(shí)的慣性載荷。這是由于在工況1和工況3條件下，弦管間距11.80 m時(shí)的平臺(tái)固有周期比弦管間距11.25 m時(shí)的平臺(tái)固有周期更接近于波浪周期（見表3），導(dǎo)致DAF值偏大，從而出現(xiàn)慣性載荷逆變現(xiàn)象。

表4 不同弦管間距對(duì)應(yīng)的平臺(tái)水平位移

圖3 工況1計(jì)及DAF效應(yīng)的慣性載荷

圖4 工況2計(jì)及DAF效應(yīng)的慣性載荷

圖5 工況3計(jì)及DAF效應(yīng)的慣性載荷

圖6 工況1計(jì)及幾何非線性效應(yīng)的慣性矩

由圖6—圖8可知：隨著弦管間距增大，平臺(tái)整體剛度增強(qiáng)，平臺(tái)水平位移變小，所以計(jì)及幾何非線性效應(yīng)的慣性矩隨弦管間距增大而減小，總體變化趨勢(shì)均勻。此外，由表4可知，波流角為120°時(shí)，平臺(tái)水平位移最大，幾何非線性效應(yīng)顯著，即在此波流方向作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)最高。

3.2 樁腿強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

對(duì)3種工況下的樁腿結(jié)構(gòu)屈曲和屈服聯(lián)合校核結(jié)

果進(jìn)行分析，即對(duì)UC值（結(jié)構(gòu)屈曲和屈服強(qiáng)度聯(lián)合計(jì)算結(jié)果與許用應(yīng)力的比值）進(jìn)行分析。

由圖9—圖11可知：弦管是樁腿所有部件中主要的承力單元，其UC值隨弦管間距增大呈緩慢遞減趨勢(shì)；弦管間距12.70 m時(shí)的管節(jié)點(diǎn)UC值與弦管間距12.25 m時(shí)的管節(jié)點(diǎn)UC值相比大幅減小，即弦管間距較大時(shí)管節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)安全性更高；撐管結(jié)構(gòu)中，斜撐管承力較大，其UC值隨弦管間距增大呈緩慢遞增趨勢(shì)；外水平撐管UC值為0.1～0.2，內(nèi)水平撐管UC值為0.2～0.3，安全裕度非常大，因此內(nèi)、外水平撐管屈曲和屈服聯(lián)合校核結(jié)果對(duì)弦管間距的敏感性可不予考慮。

通過(guò)上述環(huán)境載荷和樁腿強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析，結(jié)合樁腿質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，為了保證弦管的安全裕度，認(rèn)為弦管間距10.80 m的樁腿形式可滿足結(jié)構(gòu)安全要求，同時(shí)鋼材用量最低，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。此外，工況2條件下，當(dāng)弦管間距由11.25 m降至10.80 m時(shí)，管節(jié)點(diǎn)UC值由0.53突增至0.77，如繼續(xù)降低弦管間距，管節(jié)點(diǎn)處安全性能降低，綜合考慮疲勞等因素影響，管節(jié)點(diǎn)將率先失效。因此，可以確定10.80 m為最優(yōu)樁腿弦管間距。

圖7 工況2計(jì)及幾何非線性效應(yīng)的慣性矩

圖8 工況3計(jì)及幾何非線性效應(yīng)的慣性矩

圖9 工況1條件下UC值

圖10 工況2條件下UC值

圖11 工況3條件下UC值

4 結(jié)論

考慮風(fēng)載荷、海流載荷和波浪載荷，結(jié)合有限元計(jì)算，給出了計(jì)及DAF效應(yīng)和樁腿幾何非線性效應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)。波流角一定的情況下，計(jì)及DAF效應(yīng)的慣性載荷對(duì)樁腿弦管間距較敏感，隨著弦管間距變大基本呈遞減趨勢(shì)；隨著弦管間距增大，平臺(tái)水平位移變小，計(jì)及幾何非線性效應(yīng)的慣性矩減小。對(duì)不同弦管間距的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析，包括弦管、外水平撐管、內(nèi)水平撐管、斜撐管和重要管節(jié)點(diǎn)等。給出了本文所研究的3種作業(yè)水深工況下樁腿弦管間距優(yōu)選值。

符號(hào)注釋：

a——水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加速度，m/s2；Cd——水質(zhì)點(diǎn)拖曳力系數(shù)；Cm——水質(zhì)點(diǎn)慣性力系數(shù)；d——水深，m；D——結(jié)構(gòu)特征直徑，m；DAF——水動(dòng)力放大因子；F——等效二次力，N；Fc——海流載荷，N；Fin——慣性載荷，N；Fw——波浪載荷，N；H——作用力至泥面的垂直高度，m；M——等效彎矩，N·m；P——單樁腿軸向載荷，N；PE——單樁腿歐拉屈曲載荷，N；s——深度，m；Sa——1個(gè)波浪周期內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)基礎(chǔ)剪力的幅值，N；Smax——最大基礎(chǔ)剪力，N；Smin——最小基礎(chǔ)剪力，N；T——波浪周期，s；TN——平臺(tái)固有周期，s；u——水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，m/s；uc——海流速度，m/s；δs——主船體線彈性一階位移，m；Δ——考慮幾何非線性效應(yīng)的近似平臺(tái)水平位移，m；ε——自升式平臺(tái)阻尼比，取0.07；η——瞬時(shí)波面高度，m；ρ——流體密度，kg/m3。

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（編輯 胡葦瑋）

Sensitivity of self-elevating unit leg strength to different chord space

Zhu Yazhou1,Sun Chengmeng2,Zhang Xiaoyu2,Qi Xin2,Qin Hongde1,Jiang Bin1
(1.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.China Petroleum Liaohe Equipment Company,CNPC,Panjing 124010,China)

Aiming to optimize the truss leg structure of self-elevating unit,the sensitivity of leg strength to different chord space was analyzed,and the optimal value of chord space for legs was presented.The wind load under storm condition was obtained by wind tunnel test,and the wave and current loads were calculated based on theoretical and numerical methods.The natural vibration period and first order offset value were obtained by eigenvalue analysis,thus the inertial load considering the dynamic amplification factor and the inertial moment considering the geometric nonlinearity were obtained.It is found out through analysis that:the inertial load considering the dynamic amplification factor is more sensitive to chord space under a certain wave and current angle,and decreases with the increase of chord space in general;the inertial moment considering the geometric nonlinearity also decreases with the increase of chord space.According to the environment load,the strength of leg structures at different chord spaces were checked and the sensitivity of the structure strength to chord space was compared.Based on this,the optimal values of chord space for legs at three water depths were presented.

self-elevating unit;environment load;leg strength;chord space

中國(guó)石油裝備制造分公司科技統(tǒng)籌項(xiàng)目“CP-375自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件研制”（Y-14M000003）

TE53

A

1000-0747(2015)05-0656-06

10.11698/PED.2015.05.14

朱亞洲（1982-），男，江蘇鹽城人，哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院在讀博士研究生，主要從事船舶與海洋工程性能分析與結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方面的研究工作。地址：遼寧省盤錦市興隆臺(tái)區(qū)迎賓路32號(hào)，郵政編碼：124010。E-mail:zhuyazhou_cplec@126.com

2015-01-27

2015-07-13