一種懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

劉 遠(yuǎn)，黃曌宇，金 晶

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

一種懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

劉 遠(yuǎn)，黃曌宇，金 晶

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

針對(duì)目前自升式懸臂梁結(jié)構(gòu)的形式和特點(diǎn)，以某自升式平臺(tái)為例提出一種優(yōu)化方法，使用較小的修改成本即可以使得站位作業(yè)區(qū)域最遠(yuǎn)點(diǎn)的承載能力明顯增加，擴(kuò)大懸臂梁的作業(yè)范圍。

優(yōu)化設(shè)計(jì)；懸臂梁；載荷表；自升式平臺(tái)

油價(jià)不斷創(chuàng)出新低的背景下，性價(jià)比高且日均消耗低的自升式平臺(tái)勢(shì)必占有較大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。須在市場(chǎng)的低谷期做好產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供性能更好的新產(chǎn)品，才能跟上客戶的新要求。懸臂梁作為自升式平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其承載能力提升對(duì)自升式平臺(tái)整體性能提升效果明顯，在站立作業(yè)區(qū)域，懸臂梁最大外伸時(shí)，鉆臺(tái)在左右最遠(yuǎn)點(diǎn)的作業(yè)能力也通常作為衡量自升式平臺(tái)作業(yè)能力的重要指標(biāo)之一。目前對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)的研究多為對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)原型的認(rèn)識(shí)和理解[1-2]，多集中在結(jié)構(gòu)有限元分析和荷載表編制等工作上；項(xiàng)目中遇到懸臂梁承載能力不足時(shí)常用的優(yōu)化措施主要是側(cè)壁局部加強(qiáng)及懸臂基座加強(qiáng)等，對(duì)懸臂梁承載能力提升不明顯。

實(shí)際建造過(guò)程中，往往由于設(shè)計(jì)原因或者采購(gòu)的設(shè)備超重，導(dǎo)致懸臂梁能夠承載的最大許可組合載荷能力降低。擬以某即將完成建造的自升式平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)為例，提出一種全新的優(yōu)化方案，嘗試以較小的代價(jià)獲得鉆井能力顯著提升。

1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)限值

圖1 懸臂梁及鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

以某400 ft自升式鉆井平臺(tái)為例，其懸臂梁結(jié)構(gòu)主體為門(mén)字形結(jié)構(gòu)，尾端有鉆臺(tái)支撐橫梁，鉆臺(tái)可以在橫梁上的一定范圍內(nèi)左右滑移，見(jiàn)圖1。懸臂梁在外伸時(shí)，鉆井載荷、鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)及設(shè)備重量主要是由懸臂梁的縱向構(gòu)件即兩側(cè)工字形的側(cè)壁承載，見(jiàn)圖2。

圖2 懸臂梁典型橫剖面結(jié)構(gòu)圖

作業(yè)時(shí)，懸臂梁和鉆臺(tái)移動(dòng)到某特定位置時(shí)結(jié)構(gòu)所能承載的最大荷載是由主要是由側(cè)壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，懸臂基座強(qiáng)度，以及懸臂梁鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)連接高應(yīng)力區(qū)域等位置的局部強(qiáng)度來(lái)決定的，通過(guò)懸臂梁縱向和鉆臺(tái)橫向的移動(dòng)，井口可以在整個(gè)作業(yè)區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，懸臂梁在作業(yè)區(qū)域(即包絡(luò)線區(qū)域)的作業(yè)能力通常用載荷表的形式給出。在編制載荷表時(shí)，可以根據(jù)懸臂梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)將懸臂梁兩側(cè)的工字形側(cè)壁板簡(jiǎn)化為2個(gè)單跨梁結(jié)構(gòu)。其中，鉆井荷載、鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)及設(shè)備重量根據(jù)按照集中載荷處理，懸臂梁的結(jié)構(gòu)重量及懸臂甲板上的設(shè)備重量等效成2段均布荷載加載[3]。

按照上述的簡(jiǎn)化方法，單跨梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以依據(jù)懸臂梁側(cè)壁的縱向構(gòu)件剖面特性得出[4],根據(jù)許用的最大應(yīng)力,得到懸臂梁側(cè)壁截面能夠承載的最大彎矩和剪力；抓緊基座和支撐基座最大承載能力，按照AISC 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)評(píng)估得出[5-6]。在每個(gè)作業(yè)位置對(duì)懸臂梁進(jìn)行加載，在不超過(guò)上述4個(gè)設(shè)計(jì)限值的情況下得到最大的許可載荷值，即為鉆井平臺(tái)在該工況下的最大鉆井能力，進(jìn)而得到包絡(luò)線區(qū)域載荷表(見(jiàn)表1)，上述步驟通常使用程序自動(dòng)計(jì)算得出。

懸臂梁結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度可選取幾個(gè)典型工作位置，按照載荷表中得到最大許可載荷值進(jìn)行整體有限元分析評(píng)估，這是目前懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍采用的方法。其中，懸臂梁二層甲板，堆場(chǎng)甲板等結(jié)構(gòu)尺寸較小，或在縱向僅部分連續(xù)，僅在有限元方法進(jìn)行整體強(qiáng)度分析時(shí)才加以考慮。

表1 某400 ft平臺(tái)載荷表 kN

2 懸臂梁結(jié)構(gòu)和布置優(yōu)化

由表1可見(jiàn)，包絡(luò)區(qū)域內(nèi)平臺(tái)的鉆井能力隨著懸臂外伸，鉆井載荷會(huì)逐步降低，并在最遠(yuǎn)端的2側(cè)降低到最小值，該位置的載荷許可值不及中心區(qū)域的一半，許可值的降低意味著平臺(tái)的鉆井能力降低。圖3為某400 ft自升式平臺(tái)懸臂梁外伸22.86 m(75 ft)時(shí)抓緊基座及支撐基座承載隨著鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)左右移動(dòng)的變化趨勢(shì)，可以看出降低的原因主要是鉆井載荷在達(dá)到最大設(shè)計(jì)值之前，結(jié)構(gòu)的承載已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)限值。由于鉆井載荷主要由懸臂梁兩側(cè)的側(cè)壁結(jié)構(gòu)承載，鉆臺(tái)向某一側(cè)移動(dòng)時(shí)，該側(cè)的側(cè)壁承載的載荷隨之增加，直到承載能力達(dá)到設(shè)計(jì)限值，另一側(cè)載荷值相應(yīng)降低。如左側(cè)壁承載的載荷Fside可以按照以下公式得出。

圖3 外伸22.9 m工況鉆臺(tái)左右滑移時(shí)載荷趨勢(shì)

式中：a,b分別為鉆臺(tái)載荷合力Fcom作用點(diǎn)到懸臂梁左、右兩側(cè)壁的距離。在設(shè)計(jì)的包絡(luò)線區(qū)域內(nèi)左右移動(dòng)井口位置時(shí)，a和b的差值會(huì)逐步增加，左、右兩側(cè)壁承載的載荷差距也相應(yīng)變大。

圖4 滑移軌道間距示意

從圖4載荷趨勢(shì)圖看到，在靠近中心線左、右兩側(cè)約1.5 m的范圍內(nèi)，最大組合載荷達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)(范例平臺(tái)為13 610 kN)抓緊基座和支撐基座承載逐步達(dá)到設(shè)計(jì)限值，如果鉆臺(tái)繼續(xù)向外側(cè)移動(dòng)，則需要逐步降低最大組合載荷值(通過(guò)降低鉆井載荷或者立根數(shù)量實(shí)現(xiàn))，以保證抓緊基座和支撐基座上的反力不超過(guò)設(shè)計(jì)限值。本范例中，懸臂梁承載彎矩和剪力能力余量較大，在整個(gè)包絡(luò)線內(nèi)都未達(dá)到設(shè)計(jì)限值，因此未在圖3中給出。

目前，范例所述400 ft平臺(tái)的懸臂梁側(cè)壁間距為18.27 m，鉆臺(tái)的允許最大橫向滑移距離為4.57 m(單側(cè))，在鉆井載荷不變的情況下，通過(guò)降低鉆臺(tái)左右的滑移距離，或者增大懸臂梁側(cè)壁間距，都可以使得2側(cè)壁分擔(dān)的載荷差異降低，避免某一側(cè)壁迅速達(dá)到承載能力的極限值。由于鉆臺(tái)左右滑移距離和作業(yè)包絡(luò)線大小直接相關(guān)，是自升式平臺(tái)鉆井能力的重要指標(biāo)之一，僅剩下懸臂側(cè)壁間距即懸臂梁的寬度可以調(diào)整。

通過(guò)該平臺(tái)的布局研究獲悉，甲板設(shè)備通過(guò)重新布置，可以給懸臂梁的側(cè)壁外移即懸臂梁基座外移預(yù)留出優(yōu)化空間。如果保留和滑移相關(guān)的設(shè)備如拖曳電纜，泥漿回流槽，滑移裝置等的布置空間，懸臂梁側(cè)壁和尾部樁腿抬升機(jī)構(gòu)之間的間距仍有3 m左右。實(shí)際由于懸臂梁側(cè)壁間距增加，內(nèi)部布置空間相應(yīng)變大，拖曳電纜和滑移裝置等設(shè)備可以移到懸臂梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，以預(yù)留更多空間。最終外移的距離可以根據(jù)甲板設(shè)備布置，支撐橫梁的強(qiáng)度等尤其是客戶客戶實(shí)際需求等因素綜合考慮來(lái)決定。在保持懸臂梁及懸臂基座的設(shè)計(jì)載荷限值大小不變的情況下，將懸臂梁2側(cè)側(cè)壁各向外移3 m(10 ft)時(shí)的載荷見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化后的載荷表—右舷 kN

選取懸臂梁向后滑移22.9 m，鉆臺(tái)向右滑移4.6 m和7.6 m位置工況使用有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度進(jìn)行校核。由于懸臂梁的加寬導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加大約120 t，約占鉆臺(tái)和懸臂梁結(jié)構(gòu)和設(shè)備總重的4%左右，主要集中在靠近船艏一側(cè)；懸臂梁上的鉆井設(shè)備重量參照原始布置位置進(jìn)行加載，鉆臺(tái)和鉆井荷載使用MPC點(diǎn)加載到鉆臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的4個(gè)點(diǎn)位置，計(jì)算得到的懸臂梁側(cè)壁的應(yīng)力見(jiàn)圖5，懸臂梁側(cè)壁最大應(yīng)力為338 MPa，符合ABS規(guī)范要求，并且仍有較大的余量。

3 結(jié)論

1)相同尺寸的包絡(luò)線區(qū)域內(nèi)，表2中優(yōu)化后的載荷表和表1原設(shè)計(jì)載荷表相比較，兩側(cè)最遠(yuǎn)端的鉆井載荷值增幅約為1/3。

2)由于側(cè)壁外移，鉆臺(tái)可以左右滑移的距離相應(yīng)增加，即一次站位可作業(yè)范圍變大。

可以看出側(cè)壁外移對(duì)鉆井能力提升明顯，在

實(shí)際工作中，如果能夠結(jié)合其他的優(yōu)化方法，比如調(diào)整懸臂梁局部的側(cè)壁高度，提高支撐位置等高應(yīng)力區(qū)域的材料等級(jí)，對(duì)懸臂基座加強(qiáng)等，能夠進(jìn)一步提升和改善懸臂梁的承載能力。文中提出的設(shè)計(jì)思路對(duì)舊船型優(yōu)化或者新船設(shè)計(jì)也應(yīng)有借鑒意義。

[1] 劉祥建，戴挺，張佳寧，等.自升式平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)分析方法的研究[C].中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)海洋鋼結(jié)構(gòu)分會(huì)2010年學(xué)術(shù)會(huì)議暨第六屆理事會(huì)第三次會(huì)議論文集,鄭州,2010.

[2] 任憲剛,白勇,賈魯生.自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁研究[J].船舶力學(xué), 2011,15(4):402-409.

[3] 劉遠(yuǎn)，張家齊.懸臂梁載荷表計(jì)算過(guò)程中的重量處理方法[J].船舶工程，2013，35(2)：23-24.

[4] 汪怡，黃曌宇.自升式平臺(tái)懸臂梁載荷表的編制方法[J].船舶工程，2013,35(2)：72-74.

[5] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. ABS,2012.

[6] AISC. Specification for structural steel buildings ASD [S]，AISC，1989.

A Method of Cantilever Structure Optimization for Jack-up Drilling Unit

LIU Yuan, HUANG Zhao-yu, JIN Jing

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd, Shanghai 200125, China)

Taking one jack up rig as an example, according to the characteristic of the cantilever beam, an optimization method is proposed to improve drilling capacity of jack up rig significantly at the furthest point in the drilling envelope with a small cost.

optimization design; cantilever; load chart; jack up rig

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.008

2016-04-18

劉 遠(yuǎn)(1978—)，男，碩士，高級(jí)工程師

P751

A

1671-7953(2016)06-0034-04

修回日期：2016-06-06

研究方向:自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

E-mail:liuyuan_hg@zpmc.net