基于Usfos的非線性分析程序研究海洋平臺的極限承載力

劉 續(xù)，陳 達，錢亞林

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術研究院， 上海 200120）

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基于Usfos的非線性分析程序研究海洋平臺的極限承載力

劉 續(xù)，陳 達，錢亞林

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術研究院， 上海 200120）

摘 要：海洋平臺極限承載力研究一直是平臺結(jié)構(gòu)安全評估的最重要部分，越來越受到人們的關注。以“勘探二號”自升式鉆井平臺為研究對象，利用非線性分析USFOS軟件分析計算了該平臺的極限強度，評估了現(xiàn)役平臺的安全性能。研究結(jié)果表明，“勘探二號”平臺在45°環(huán)境極限條件時平臺結(jié)構(gòu)最危險。該研究為現(xiàn)役自升式鉆井平臺安全風險評估提供了一種比較先進而精確的方法，對今后類似海洋平臺安全風險評估具有一定的指導意義。

關鍵詞：極限承載力；非線性分析；安全性能

眾所周知，海洋平臺在海洋石油工業(yè)發(fā)展中是必不可少的，但是，海洋平臺都存在使用壽命問題。截止目前，海洋平臺已有三分之一達到了設計使用壽命，其中，一部分平臺已經(jīng)報廢，另外一部分平臺通過不斷升級改造和修理，通過了船級社的評估和論證，延長了使用壽命，還在繼續(xù)使用。由于海洋環(huán)境的影響和意外情況的發(fā)生，平臺在長期使用中勢必會受到一些損傷破壞，從而導致平臺結(jié)構(gòu)強度下降，影響平臺的安全性能。因此，對海洋平臺的結(jié)構(gòu)極限承載力的研究顯得十分重要，尤其對于老齡平臺。極限承載力的研究分析是平臺結(jié)構(gòu)安全風險評估的最重要的手段和方法。

USFOS軟件是DNV研發(fā)的有限元結(jié)構(gòu)分析程序，它在國外海洋工程上的應用非常多，但它在國內(nèi)應用還不夠廣泛。該程序在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)遭受碰撞或損壞后的完整性評價、垮塌分析、事故載荷分析等方面的應用研究具有至關重要的作用。USFOS能夠精確真實地模擬垮塌過程，從最初的屈服，到完全倒塌變形，到最后的傾倒過程。本研究就是基于Usfos的非線性分析程序來研究海洋平臺的極限承載力，平臺結(jié)構(gòu)材料處于彈塑性狀態(tài)下呈現(xiàn)出非線性特性[1]。

1 分析理論

通過持續(xù)增加平臺結(jié)構(gòu)的環(huán)境載荷，計算分析結(jié)構(gòu)的應力應變情況，直到結(jié)構(gòu)因受力較大產(chǎn)生較大變形甚至損傷破壞而不能繼續(xù)承受更大的載荷時，可以得到結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。研究分析時要考慮大位移和塑性的影響，單個結(jié)構(gòu)桿件剛度變化的影響也是需要考慮的因素，如屈曲或塑性。這樣的失效破壞能引起應力的重新分布[2]，從而使結(jié)構(gòu)的非線性特性表現(xiàn)突出直至結(jié)構(gòu)達到極限受損失效。

海洋平臺結(jié)構(gòu)較復雜，冗余度[3]較大，屬于高次超靜定體系，其富余的冗余度為平臺結(jié)構(gòu)抵抗外界載荷作用提供了較大的強度保障；此外，平臺在制造和施工安裝及平臺服役期間都會受到碰撞或者損傷，以及海洋環(huán)境對平臺的影響，如腐蝕、變形和疲勞破壞等，從而導致平臺結(jié)構(gòu)整體性能受到影響，極限承載力下降。因此，海洋平臺的安全風險評估必須研究結(jié)構(gòu)體系的極限承載能力[4]。

2 工程實例

2.1 有限元模型

以“勘探二號”自升式鉆井平臺為研究對象，采用USFOS程序進行建模：

（1）根據(jù)桁架式自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)特點，采用板、梁單元來模擬平臺結(jié)構(gòu)。通過合理的計算簡化，將平臺結(jié)構(gòu)模擬為板梁空間結(jié)構(gòu)。鑒于本文主要研究樁腿結(jié)構(gòu)，因此把主船體簡化成合理的剛性板梁結(jié)構(gòu)。采用板單元來模擬平臺的主甲板、機械甲板及底板、縱橫艙壁等主要結(jié)構(gòu)；其加強筋等結(jié)構(gòu)未加考慮。

（2）按照平臺結(jié)構(gòu)實際尺寸對樁腿的水平撐桿、水平腹桿以及斜撐桿進行建模模擬。弦桿由兩個半圓管與齒條板焊接而成，而USFOS程序無法模擬這種特殊結(jié)構(gòu)，因此采用等效圓截面法來模擬該特殊結(jié)構(gòu)。樁靴部分采用等效梁來簡化計算，未考慮樁靴對平臺的影響，假設認為樁靴的強度足夠大。

（3）樁腿和主船體通過樁腿上的齒條與升降裝置上的齒輪連接，模擬結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 齒輪齒條連接模擬模型

（4）板單元采用USFOS程序中4節(jié)點四邊形和3節(jié)點三角形的單元進行模擬。

根據(jù)以上模擬處理方法建立“勘探二號”平臺整體和樁腿有限元模型，分別如圖2和圖3所示。

圖2 平臺整體有限元模型

圖3 樁腿有限元模型

2.2 環(huán)境載荷

針對南海某海域環(huán)境條件，進行非線性分析時選擇該海域環(huán)境最惡劣環(huán)境條件，具體參數(shù)如表1所示。

表1 極端環(huán)境參數(shù)

2.3 載荷組合

在平臺計算分析中，選取八個方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°）施加環(huán)境載荷。因此每個方向的載荷由兩部分組成：一部分是結(jié)構(gòu)垂向載荷（主要為結(jié)構(gòu)自重、設備載荷、浮力等）；另一部分是水平環(huán)境荷載。垂向荷載以一步加載到結(jié)構(gòu)上，水平荷載以逐步增加加載到結(jié)構(gòu)上，直到結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷失效。因此，對平臺進行分析時將垂向載荷與水平載荷組合，組合載荷如表2所示。

表2 載荷組合

3 結(jié)果分析

腐蝕對海洋平臺帶來了嚴重的安全隱患[5]，嚴重影響了海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全可靠性?？紤]到腐蝕的影響，假設均勻腐蝕量為5 mm，使用USFOS計算分析時，在USFOS設定中將最大分析步數(shù)設定為500，最大加載步長為1，程序自動累加載荷，自動步長，直至計算不收斂時程序運算停止。當結(jié)構(gòu)達到了極限狀態(tài)時，可以得出完好與腐蝕工況下平臺載荷對位移的響應情況。

程序計算時，垂向載荷一步運行，水平載荷是逐步施加到結(jié)構(gòu)上的，因此載荷對位移的響應情況在剛開始變化是一樣的，隨著水平載荷的作用，載荷隨著位移變化的增加而不斷增加。根據(jù)載荷對位移的變化規(guī)律可以得出，平臺在八個方向的極限承載力與位移的關系變化趨勢是相同的，其在45°方向承載力最小，平臺在此方向載荷作用時最危險。

當結(jié)構(gòu)達到了極限狀態(tài)時，用程序提取此時的結(jié)構(gòu)底部各個節(jié)點的基底剪力值，得到結(jié)構(gòu)極限承載力與海洋環(huán)境作用角度數(shù)據(jù)的關系曲線圖，見表3和圖4。

表3 平臺極限承載力數(shù)據(jù)

圖4 極限承載力與載荷作用角度曲線圖

從表3和圖4可以看出，“勘探二號”平臺受到腐蝕后，平臺結(jié)構(gòu)的極限承載力明顯下降，完好平臺在45°極限承載力最小為28 300 kN，而受到均勻腐蝕的極限承載力為24 700 kN，說明腐蝕對平臺結(jié)構(gòu)安全性能的影響還是很大的，但是該平臺仍具有較大的剩余強度。

4 結(jié)論

本研究通過利用USFOS非線性分析軟件建立了“勘探二號”自升式鉆井平臺的實體模型，分析了該平臺的極限承載力，并且考慮了腐蝕對平臺結(jié)構(gòu)強度的影響，得出了“勘探二號”平臺仍具有較大的剩余強度的結(jié)論。它具有以下特點：

（1）比較精確地模擬了自升式鉆井平臺和樁腿的有限元模型，合理簡化處理了樁靴、樁腿齒條和升降裝置齒輪等結(jié)構(gòu)模型，比較真實地模擬了平臺的實際情況；

（2）發(fā)現(xiàn)腐蝕對平臺極限承載力的影響是很大的；

（3）發(fā)現(xiàn)平臺在八個方向中處于45°時極限承載力最弱，但仍然具有較大的強度潛力，該平臺通過合理的、經(jīng)濟有效的修理改造和維護保養(yǎng)，仍然可以繼續(xù)使用數(shù)年；

（4）Usfos非線性分析在海洋平臺上的應用研究為海洋平臺結(jié)構(gòu)安全風險評估提供了一種比較先進、精確而有效的方法。

參考文獻：

[1]Ueda Y，RASHED S M H. Modern Method of Ultimate Strength Analysis of Offshore Structures[C]. International Journal of Offshore and Polar Engineering，1991，1（1）：27-41.

[2]許濱，申仲翰．海洋導管架平臺的極限強度分析[J]. 海洋工程，1994，12（3）：8-16.

[3]歐進萍，肖儀清，劉學東．導管架式海洋平臺結(jié)構(gòu)極限承載力分析的整體推進法及其軟件[J].海洋工程，1999，17（3）：1-10.

[4]王楠，吳建政，徐永臣，等．硬土層地基破壞模式及承載能力有限元分析[J].海洋石油，2012，32（4）：88-95.

[5]肖儀清，歐進萍． 缺陷和損傷對導管架式海洋平臺結(jié)構(gòu)極限承載力的影響[J]. 中國海上油氣，1999，11（6）：16-22.

Study about the Ultimate Bearing Capacity of Offshore Platform with Usfos Nonlinear Analyzing Program

LIU Xu, CHEN Da, QIAN Yalin
（Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

Abstract：Study about the ultimate bearing capacity of offshore platform is an important part of safety assessment on the platform structure. People are paying more and more attention to it. With “KAN TAN 2” jack-up drilling platform as an example, the ultimate bearing capacity of offshore platform was analyzed and the safety performance of the platform in-service was evaluated with the Usfos nonlinear analysis software. The study results indicated that the patform of “KAN TAN 2 ” is in the most dangerous conditions in the 45° extreme environment. This study can provide a more advanced and accurate method for security risk assessment of the jackup drilling platform in-service， and also has some guiding significance for security risk assessment of the similar offshore platform in the future.

Keywords：ultimate bearing capacity; non-linear analysis; safety performance

中圖分類號：P75

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.01.083

文章編號：1008-2336（2016）01-0083-04

收稿日期：2015-10-22；改回日期：2016-01-13

第一作者簡介：劉續(xù)，男，1990年生，助理工程師，大學本科，現(xiàn)從事海洋石油工程技術研究工作。E-mail：liux.shhy@sinopec.com。