自升式鉆井平臺吊機(jī)基座強(qiáng)度分析

鄭 義， 余建星， 盧賀帥， 許曉麗， 林秋雅

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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自升式鉆井平臺吊機(jī)基座強(qiáng)度分析

鄭 義1,2， 余建星1,2， 盧賀帥1,2， 許曉麗3， 林秋雅1,2

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

吊機(jī)基座是自升式鉆井平臺的一個(gè)重要的局部結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對平臺安全生產(chǎn)作業(yè)有很重要的影響。以某自升式鉆井平臺吊機(jī)基座為研究對象，按照中國船級社(CCS)的規(guī)范要求，建立了吊機(jī)基座的簡化力學(xué)模型，并通過ANSYS軟件的2次開發(fā)，對處于最惡劣環(huán)境下的吊機(jī)基座在8個(gè)方向上進(jìn)行了強(qiáng)度分析，同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的屈曲計(jì)算，通過實(shí)例驗(yàn)證了方法的可靠性和適用性。

自升式鉆井平臺；吊機(jī)基座；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元分析

0 引言

隨著中國市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家對石油資源的需求也越來越大，而海洋石油資源也越來越受到重視[1]。自升式鉆井平臺在近海海洋石油資源開發(fā)中被廣泛使用[2,3]，吊機(jī)基座是自升式鉆井平臺重要的組成部分，在自升式鉆井平臺的安全作業(yè)和服役中起到了重要作用，各個(gè)船級社也將吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)定義為主要結(jié)構(gòu)[4]。該文以某自升式鉆井平臺的吊機(jī)基座為例，詳細(xì)介紹了吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)模型的建立、載荷計(jì)算和屈曲分析，形成了吊機(jī)基座的工程化分析流程，為吊機(jī)基座的工程設(shè)計(jì)提供了參考。

1 吊機(jī)強(qiáng)度分析

該文使用ANSYS有限元分析軟件對某自升式平臺吊機(jī)基座進(jìn)行建模分析，并依據(jù)中國船級社海上平臺入級與建造規(guī)范(2005)和船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核和載荷計(jì)算[5,6]。

1.1 計(jì)算工況和載荷計(jì)算

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》 3.2.14.3規(guī)定，起重機(jī)在有風(fēng)狀態(tài)下，應(yīng)取的組合載荷按3.2.14.2所表示的組合載荷加上最不利的風(fēng)載荷計(jì)算，具體為：

(1) 自重載荷；

(2) (起升載荷+船舶傾斜所產(chǎn)生的起升載荷水平分力)×起升系數(shù)φh；

(3) 其它最不利的水平力；

(4) 由船舶傾斜產(chǎn)生的自重載荷水平分力。

組合載荷為：〔(1)+(2)+(3)+(4)〕×作業(yè)系數(shù)φd。

1.1.1 起升系數(shù)計(jì)算

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》3.3.3.2的規(guī)定，考慮起升動載力的起升系數(shù)φh，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)工作海況(蒲氏風(fēng)級、海況或波高和波浪周期)按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：φw為波浪系數(shù)；K為起重機(jī)系統(tǒng)的剛度，N/mm；Qt為起升載荷，N。

按照《法規(guī)》3.2.12.1規(guī)定，起重機(jī)工作時(shí)的風(fēng)速應(yīng)取20 m/s，對應(yīng)的蒲式風(fēng)級為8級，參照《法規(guī)》中表3.3.3.2取φw為33.3，那么φh的取值為：

(2)

1.1.2 風(fēng)載荷計(jì)算

按《海上平臺入級與建造規(guī)范(2005)》2.2的規(guī)定，計(jì)算風(fēng)載荷。

由風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)壓P按式(2)計(jì)算：

(3)

式中：V為風(fēng)速。

作用于構(gòu)件上的風(fēng)力F應(yīng)按式(4)計(jì)算，并確定合力作用點(diǎn)的垂直高度：

(4)

式中：P為風(fēng)壓，kPa；S為平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2；Ch為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)。

根據(jù)《海上移動平臺入級與建造規(guī)范(2005)》2.2 的規(guī)定，對于吊臂取Ch=1.2，Cs=0.6；對于將軍柱取Ch=1.1，Cs=0.5。吊臂的正投影面積折減系數(shù)為0.6。

取將軍柱頂端為基準(zhǔn)面進(jìn)行力矩計(jì)算，最后計(jì)算出的結(jié)果見表1。

表1 吊機(jī)載荷

1.1.3 總載荷計(jì)算

總載荷包括：軸向載荷N(對應(yīng)有限元模型Z 向力)，包括吊機(jī)重、吊臂重和起升載荷；徑向載荷V(對應(yīng)有限元模型X、Y 向力)，包括風(fēng)力；吊臂豎向平面內(nèi)的彎矩，包括吊臂和吊機(jī)的自重產(chǎn)生的彎矩；吊臂豎向平面外的彎矩，包括吊臂和將軍柱由風(fēng)力產(chǎn)生的彎矩；扭矩，包括吊臂的風(fēng)力產(chǎn)生的扭矩。

吊車工作時(shí)，吊臂可以在水平面360°范圍內(nèi)以不同的偏角起吊重物。為此在0°～360°范圍內(nèi)分8個(gè)方向來施加荷載以涵蓋危險(xiǎn)工況，即每偏轉(zhuǎn)45°進(jìn)行一次計(jì)算。加載時(shí)把載荷通過多點(diǎn)約束的方法加載到將軍柱的頂端[7]，各個(gè)工況載荷計(jì)算見表2。

表2 各個(gè)工況載荷

1.2 有限元模型

為了保證計(jì)算精度，從平臺主體中取出部分結(jié)構(gòu)，其范圍為左舷主甲板結(jié)構(gòu)、上甲板結(jié)構(gòu)以及吊機(jī)底座結(jié)構(gòu)，以保證邊界條件不影響計(jì)算結(jié)果。結(jié)構(gòu)采用有限元分析法，有限元模型如圖1所示，模型中板材均采用SHELL63 單元進(jìn)行模擬，骨材采用beam188 模擬，模型中整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格密度為200 mm×200 mm[8]。采用ANSYS 軟件計(jì)算出平臺甲板結(jié)構(gòu)及底座的變形、內(nèi)力、應(yīng)力等，吊機(jī)底座及其支撐結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖1 有限元模型 圖2 吊機(jī)基座及其支撐結(jié)構(gòu)

在主甲板、上甲板、縱橫艙壁的邊界施加鉸支約束來模擬邊界條件，通過耦合模型中吊機(jī)底座最頂端節(jié)點(diǎn)模擬吊機(jī)主體傳給底座的載荷。

1.3 計(jì)算結(jié)果及分析

吊機(jī)載荷在吊臂0°~360°范圍內(nèi)的8個(gè)方向施加，詳盡計(jì)算各工況下，不同角度對應(yīng)的結(jié)構(gòu)Von-Mises應(yīng)力，并依據(jù)規(guī)范對其進(jìn)行校核，吊機(jī)基座復(fù)合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 吊機(jī)基座復(fù)合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位：kN

圖3 整體模型受力 圖4 骨材應(yīng)力

由上述不同起吊角度下吊車基座Von Mises應(yīng)力云圖可以得出結(jié)論，吊機(jī)強(qiáng)度均滿足許用強(qiáng)度要求。

1.3.1 屈曲分析

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》3.2.21.1 規(guī)定，對于吊機(jī)底座立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析，由3.2.21.2 計(jì)算得：

根據(jù)3.2.21.4規(guī)定，許用屈曲應(yīng)力為：

許用應(yīng)力[σ]= 355/1.33=266.92 MPa

由3.2.17.2，同時(shí)承受壓力和彎曲的構(gòu)件，應(yīng)按式(5)校核穩(wěn)定性：

(5)

式中：σm為構(gòu)件承受的彎曲應(yīng)力，MPa；σc為構(gòu)件承受的壓應(yīng)力，MPa；σs為鋼材屈服強(qiáng)度，MPa；n為安全系數(shù)，計(jì)算中取對應(yīng)于工況2的安全系數(shù)1.33。

計(jì)算得：

由此得出，吊機(jī)底座立柱的屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2 結(jié)語

以某自升式鉆井平臺為例，使用ANSYS軟件建立了吊機(jī)基座的有限元模型，形成了系統(tǒng)化的分析流程。從分析中得出以下結(jié)論：

(1) 吊機(jī)基座在工作中受到很大的載荷，在最不利的載荷下其應(yīng)力主要集中在將軍柱和平臺主甲板連接處的上方，在實(shí)際工程中應(yīng)該考慮對其進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

(2) 吊機(jī)基座的構(gòu)件布局在考慮吊機(jī)工作方向的任意性后應(yīng)該盡量保證分布平均，并避免局部開孔或是連接處截面不連續(xù)。

(3) 對于將軍柱較高的吊機(jī)應(yīng)該在設(shè)計(jì)中著重考慮其屈曲強(qiáng)度問題。

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Strength Analysis of Crane Pedestals for Jack-up

ZHENG Yi1,2, YU Jian-xing1,2, LU He-shuai1,2, XU Xiao-li3, LIN Qiu-ya1,2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-sea Exploration, Shanghai 200240, China;3.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd, Tianjin 300451,China)

Crane pedestal is one of the most important partial structures of Jack-up and its structural strength plays a vital role in the safety of the whole drilling platform. Taking a crane pedestal from a Jack-up platform as the research project, this study establishes a structural strength analysis model according to the CCS (China Classification Society) regulations with some proper simplification. Using finite element analysis software Ansys as the method to obtain 8 results of every 45°of the structure strength of crane pedestal under the most server condition, with relevant buckling analysis. The reliability and responsibility of this method are proved by the analytic result.

jack-up drilling platform; crane pedestal; structural strength; finite element analysis

2015-07-27

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014CB046804)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51239008)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51179126)。

鄭 義(1991-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2016)01-0091-05

P75

A