三樁腿自升式平臺(tái)拔樁作業(yè)有限元計(jì)算方法研究

高　暢， 曲健冰， 李紅濤

(中國(guó)船級(jí)社 海工技術(shù)中心，天津 300452)

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三樁腿自升式平臺(tái)拔樁作業(yè)有限元計(jì)算方法研究

高暢， 曲健冰， 李紅濤

(中國(guó)船級(jí)社 海工技術(shù)中心，天津 300452)

摘要：拔樁作業(yè)是自升式平臺(tái)由支撐狀態(tài)向漂浮狀態(tài)過(guò)渡的重要過(guò)程，雖然相對(duì)平臺(tái)整個(gè)作業(yè)周期而言，這一過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短，但實(shí)際操作中卻為平臺(tái)損傷多發(fā)工況。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)平臺(tái)的校核主要針對(duì)作業(yè)和自存狀態(tài)，而對(duì)于這一工況尚未給予足夠的重視。該文以三樁腿91 m帶樁靴的桁架腿自升式平臺(tái)為例，對(duì)拔樁工況主要受力狀態(tài)及模擬方法進(jìn)行了研究，其中包括：拔樁狀態(tài)下主船體吃水及傾角的預(yù)估；靜水壓力的施加和校核模型主船體及樁腿強(qiáng)度的計(jì)算。利用該文計(jì)算方法得到的結(jié)果，能夠較為真實(shí)地模擬平臺(tái)拔樁作業(yè)時(shí)船體的漂浮狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái)；拔樁工況；有限元分析；平臺(tái)浮態(tài)

0引言

自升式平臺(tái)作業(yè)的狀態(tài)包括：平臺(tái)拖航、就位、樁腿下放、插樁、預(yù)壓載、升船、作業(yè)/自存、降船、拔樁、樁腿提升、拖航。拔樁作業(yè)是自升式平臺(tái)由支撐狀態(tài)向漂浮狀態(tài)過(guò)渡的重要過(guò)程，也是正常作業(yè)不可缺少的重要組成部分。拔樁是利用船體浮力將插入海底泥沙中的樁靴拔起，并提升到船底部預(yù)定高度的過(guò)程。然而，迄今為止國(guó)內(nèi)外對(duì)于自升式平臺(tái)拔樁研究還沒(méi)有成熟的計(jì)算和評(píng)估方法[1]，并且不是所有平臺(tái)的操作手冊(cè)中都對(duì)此狀態(tài)給出了明確的限制說(shuō)明。該文以某91 m桁架式樁腿自升式平臺(tái)為例，建立精確的ANSYS三維有限元模型，以探索拔樁工況平臺(tái)浮態(tài)為突破點(diǎn)，研究此工況下主船體及樁腿強(qiáng)度的計(jì)算方法和思路，為實(shí)際工程作業(yè)提供技術(shù)參考。

1拔樁操作簡(jiǎn)介

帶樁靴的自升式平臺(tái)在移位之前，需要將插入到海床中的樁靴從海底土壤中拔出(為了破壞樁靴與海底之間的吸附力，一些平臺(tái)還專(zhuān)門(mén)設(shè)置了沖樁管線，以達(dá)到減小拔樁力的目的)。為達(dá)到這一目的，需要將平臺(tái)主船體下降至水中，當(dāng)主船體吃水達(dá)到拖航吃水后，繼續(xù)增加平臺(tái)吃水，此時(shí)平臺(tái)的浮力大于重力，即進(jìn)入拔樁過(guò)程。拔樁力源于主船體的浮力與重力之差，通過(guò)齒輪齒條將其傳遞到樁腿上，最終傳遞至樁靴。

拔樁過(guò)程中，為使某一特定樁腿達(dá)到足夠的單樁拔樁力，平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生一定角度的傾斜，尤其在平臺(tái)剩余最后一個(gè)樁腿未拔活時(shí)，主船體處于半漂浮狀態(tài)，此時(shí)的傾斜角度相對(duì)較大。然而過(guò)大的傾角會(huì)使平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)受力不均，造成船體結(jié)構(gòu)及樁腿的損壞。因此在實(shí)際拔樁作業(yè)過(guò)程中，平臺(tái)需逐漸增大整體吃水，并時(shí)刻關(guān)注船體的傾斜角度，在保證達(dá)到足夠拔樁力的同時(shí)，也要避免平臺(tái)過(guò)傾現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

根據(jù)平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)類(lèi)型、樁靴入泥深度及海況等諸多因素，平臺(tái)拔樁作業(yè)會(huì)面臨多種工況。例如：可多條樁腿同時(shí)進(jìn)行拔樁；先拔入泥最深的樁腿；當(dāng)已有部分樁腿已經(jīng)拔活時(shí)，依次拔剩余的樁腿等情況。該文以三樁腿自升式平臺(tái)為例，挑選以下幾個(gè)典型工況進(jìn)行分析：

(1) 單樁拔樁工況：只剩余一條樁腿未拔活。此時(shí)平臺(tái)處于半漂浮狀態(tài)，所有浮力與重力的差值全部由單樁承受[3]。

(2) 雙樁拔樁工況：已拔活一條樁腿，同時(shí)拔其余兩樁。

(3) 三樁拔樁工況：三條樁腿同時(shí)拔樁。此時(shí)平臺(tái)可能需要較深的吃水，主船體承受較大的靜水壓力。

2平臺(tái)浮態(tài)的確定

不同的拔樁工況，主船體會(huì)呈現(xiàn)出不同的浮態(tài)，因此，如何確定各工況下主船體的吃水及傾斜角度尤為重要。首先通過(guò)查閱平臺(tái)操作手冊(cè)或根據(jù)齒輪的最大升降能力，推算出單樁極限拔樁力；再根據(jù)浮力、重力、拔樁力的平衡方程，計(jì)算出平臺(tái)所受的浮力，從而推出主船體平均吃水深度。

單樁拔樁、雙樁拔樁兩工況，采用迭代法計(jì)算平臺(tái)傾角。首先任意給出一個(gè)平臺(tái)的“假定傾角”，按照此“假定傾角”將靜水壓力施加到模型主船體外殼上。對(duì)模型進(jìn)行試算，從計(jì)算結(jié)果中提取出模型的位移，推算出此時(shí)模型的傾斜角度，稱(chēng)為“計(jì)算傾角”。調(diào)整“假定傾角”，重新施加面壓再次試算，如此循環(huán)，直到“假定傾角”和“計(jì)算傾角”相同為止，此時(shí)即為平臺(tái)的實(shí)際浮態(tài)，“假定傾角”和“計(jì)算傾角”示意圖如圖1、圖2所示。計(jì)算時(shí)，從0°開(kāi)始，以每0.1°為一個(gè)循環(huán)步長(zhǎng)，估算出解所在的區(qū)間，在此區(qū)間里以0.01°為一個(gè)循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，從而精確求解。

圖1　主船體水線以下濕表面靜水壓力分布圖(假定傾角示意圖)

圖2　主船體變形圖(計(jì)算傾角示意圖)

三樁同時(shí)拔樁工況，需使三個(gè)樁腿同時(shí)達(dá)到或接近最大拔樁力。由于三條樁腿同時(shí)受約束，因此計(jì)算得到的模型位移僅為主船體承受靜水壓力產(chǎn)生的變形，而并不能反映平臺(tái)的傾斜角度，無(wú)法通過(guò)迭代計(jì)算方法確定船體浮態(tài)。因此，此工況通過(guò)調(diào)整模型樁腿底部的初始位移使主船體產(chǎn)生傾斜，以此來(lái)模擬主船體傾角，再以對(duì)應(yīng)的傾斜角度將靜水壓力施加到主船體四周外殼，從而找到三樁腿均達(dá)到最大拔樁力時(shí)，主船體的浮態(tài)。

3模型邊界條件及載荷的簡(jiǎn)化

3.1邊界條件

在樁靴半高處對(duì)所拔樁腿采取固定約束，對(duì)于已經(jīng)拔活的樁腿則完全放開(kāi)約束。

3.2載荷的施加方式

自升式平臺(tái)在拔樁過(guò)程中所承受的載荷主要包括：

(1) 重力：包括平臺(tái)的固定載荷和可變載荷。固定載荷主要包括平臺(tái)自重和設(shè)備重量，可變載荷主要包括各液艙的配載、平臺(tái)作業(yè)的相關(guān)載荷等等。

(2) 浮力：主船體浮力按預(yù)估的浮態(tài)，以靜水壓力的形式施加到主船體外殼上。此外平臺(tái)樁腿也承受重力和浮力，可通過(guò)調(diào)整模型中樁腿材料的密度，使模型樁腿重量與樁腿實(shí)際水重一致。

(3) 環(huán)境載荷：環(huán)境載荷包括風(fēng)載荷和波流載荷。拔樁工況主船體下降至水面以下，因此除樁腿外，主船體也受波流作用產(chǎn)生阻力?？筛鶕?jù)海上拖航阻力估算方法，以拖航速度模擬流速，計(jì)算主船體產(chǎn)生的波流阻力[4]。

4算例

該文以某91 m桁架式樁腿自升式平臺(tái)為例，對(duì)拔樁工況主船體及樁腿強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。算例平臺(tái)主船體為多邊形箱體結(jié)構(gòu)。圍阱區(qū)為三角形，圍阱區(qū)上端設(shè)有升降室，升降裝置位于升降室內(nèi)，用以升降及約束樁腿垂直位移。升降室的頂部及圍阱區(qū)底部設(shè)有上、下導(dǎo)向，用以約束樁腿與船體之間水平相對(duì)運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)樁腿弦桿為圓柱齒條式，平臺(tái)升降室通過(guò)齒輪與齒條的嚙合保證主船體的升降。

4.1建立模型

利用ANSYS大型有限元軟件，建立包括主船體、桁架樁腿在內(nèi)的平臺(tái)有限元模型。模型為空間板單元、梁?jiǎn)卧?、管單元的組合結(jié)構(gòu)。對(duì)于平臺(tái)附屬結(jié)構(gòu)，例如生活樓、甲板室、直升飛機(jī)平臺(tái)等沒(méi)有直接進(jìn)行建模，而是通過(guò)將這些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成載荷的形式施加到平臺(tái)上。平臺(tái)有限元模型如圖3所示，主船體有限元模型如圖4所示。

圖3　平臺(tái)整體有限元模型　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　主船體有限元模型

4.2推算平臺(tái)浮態(tài)

根據(jù)算例平臺(tái)操作手冊(cè)給出的平臺(tái)最大升降能力8 790 t，推算出最不利情況時(shí)單樁拔樁力為2 903 t，從而估算出算例平臺(tái)在三種工況下的平均吃水，見(jiàn)表1。

表1　各工況平臺(tái)平均吃水

迭代計(jì)算平臺(tái)傾角前，應(yīng)先將環(huán)境載荷施加到模型主船體及樁腿上，具體方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]。

4.2.1單樁拔樁工況

單樁拔樁工況平臺(tái)傾角試算值見(jiàn)表2，平臺(tái)傾角插值圖如圖5所示。

表2　單樁拔樁工況平臺(tái)傾角試算表

圖5　單樁拔樁工況平臺(tái)傾角試算圖

4.2.2雙樁拔樁工況

雙樁拔樁工況平臺(tái)傾角試算值見(jiàn)表3，平臺(tái)傾角插值圖如圖6所示。

表3　雙樁拔樁工況平臺(tái)傾角試算表

圖6　雙樁拔樁工況平臺(tái)傾角試算圖

平臺(tái)艏艉吃水差應(yīng)隨傾斜角度的增大逐漸增大，而模型計(jì)算值卻與試算角度成反比，兩條曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度即為平臺(tái)真實(shí)的傾斜角度。

4.2.3三樁拔樁工況

三樁同時(shí)拔樁工況，通過(guò)調(diào)整模型樁腿底部的初始位移來(lái)模擬主船體傾角。當(dāng)算例模型艏樁腿鉸支點(diǎn)初始位移為-0.07 m時(shí)，三樁腿拔樁力均較為接近極限拔樁力2 903 t，因此，推算出此工況平臺(tái)主船體傾角為0.06°。

由上述計(jì)算得出三種工況下，主船體的浮態(tài)，見(jiàn)表4。

表4　不同工況下主船體浮態(tài)

4.3計(jì)算結(jié)果

各工況樁腿底部拔樁力的分布見(jiàn)表5。

表5　各工況樁腿底部拔樁力的分布

計(jì)算得到的平臺(tái)最大位移見(jiàn)表6，各工況位移云圖如圖7、圖8、圖9所示。

表6　拔樁工況最大位移

圖7　單樁拔樁工況位移云圖

圖8　雙樁拔樁工況位移云圖 　　　　　　　　　　　　圖9　三樁拔樁工況位移云圖

根據(jù)算例平臺(tái)圖紙資料，其主船體結(jié)構(gòu)采用屈服極限為235 MPa的普通鋼，樁腿弦桿則采用屈服強(qiáng)度為690 MPa的高強(qiáng)度鋼。根據(jù)CCS規(guī)范，取相當(dāng)應(yīng)力安全系數(shù)為1.11[6]，計(jì)算得到的主船體及樁腿最大應(yīng)力見(jiàn)表7，最大應(yīng)力發(fā)生位置如圖10、圖11所示。

表7　拔樁工況最大應(yīng)力

圖10　主船體最大應(yīng)力位置圖(雙樁拔樁工況)　　　　圖11　樁腿最大應(yīng)力位置圖(雙樁拔樁工況)

算例平臺(tái)在拔樁工況下主船體最大應(yīng)力發(fā)生在圍阱區(qū)與固樁架連接位置，樁腿最大應(yīng)力發(fā)生在下導(dǎo)向附近。對(duì)于其他平臺(tái)的類(lèi)似區(qū)域也同樣較為危險(xiǎn)，應(yīng)在拔樁工況予以重點(diǎn)關(guān)注。

5結(jié)語(yǔ)

該文以某91 m桁架式樁腿自升式平臺(tái)的拔樁強(qiáng)度計(jì)算為例，為自升式平臺(tái)拔樁工況主船體及樁腿的分析提供了一套行之有效的計(jì)算方法。即通過(guò)迭代計(jì)算、設(shè)定初始位移等方法找到拔樁工況下平臺(tái)的吃水及傾斜角度，并據(jù)此施加靜水壓力，計(jì)算并校核主船體及樁腿的屈服強(qiáng)度。該方法從平臺(tái)拔樁作業(yè)的實(shí)際浮態(tài)出發(fā)，較為真實(shí)的模擬出主船體及樁腿的受力情況，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]宋林松, 曹式敬, 李軍偉, 等. 基于拔樁能力的自升式平臺(tái)海外作業(yè)優(yōu)選[J]. 海洋石油, 2010, 30(4): 106-110.

[2]劉政, 常密生, 郭曉亮, 等. 帶樁靴自升式平臺(tái)拔樁問(wèn)題探討[J]. 科技與企業(yè), 2013, 22(7):208-209.

[3]李溢涵, 唐友剛. 自升式平臺(tái)單樁極限拔樁力的研究[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái), 2011, 26(5):24-26.

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[5]李紅濤, 李曄. 自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái). 2010, 25(2):28-33.

[6]中國(guó)船級(jí)社. 海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

Research on Analysis Method of Uplift Condition for Jack-up

GAO Chang, QU Jian-bing, LI Hong-tao

(Marine Technology Center of CCS, Tianjin 300452, China)

Abstract：Uplift operation of jack-up is an important process of transition from standing to floating condition. Although it takes a short time relative to the whole operation cycle of platform, but it is a dangerous condition. In traditional design, enough attention has not been given for uplift condition compared with working and storm conditions. Take a 300ft self-elevating drilling unit for example, the way of simulating and simplifying the main force on the jack-up during uplift condition is studied. Including the estimate of the draft and angle of platform; apply the hydrostatic pressure and check the strength of hull and legs. This method can reflect the real draft and inclination angle of the platform.

Keywords：jack-up; uplift condition; finite element analysis; float state of hull

中圖分類(lèi)號(hào):P752

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A