自升式鉆井平臺(tái)抗滑移能力分析

吳文樂，廖天岸，唐文獻(xiàn)，彭 偉

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

自升式鉆井平臺(tái)抗滑移能力分析

吳文樂，廖天岸，唐文獻(xiàn)，彭 偉

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

在理論公式的基礎(chǔ)上，通過Abaqus軟件模擬樁靴在土壤中的滑移過程，建立一種分析樁靴抗滑移阻力數(shù)值方法。首先研究各船級(jí)社抗滑移理論公式；在此基礎(chǔ)上，建立樁靴-土系統(tǒng)有限元模型，利用CEL方法，建立研究所需工況，研究土體受力產(chǎn)生流動(dòng)變形，得出抗滑移阻力數(shù)值解和土壤流動(dòng)機(jī)制；最后將抗滑移阻力理論解與數(shù)值解進(jìn)行對(duì)比分析與討論。彌補(bǔ)現(xiàn)有理論公式不足，為計(jì)算樁靴抗滑移阻力提供一種精確的方法。

自升式平臺(tái)；樁靴；抗滑移；數(shù)值分析

0 引 言

自升式海洋平臺(tái)為由樁腿支撐在海面上方進(jìn)行工程作業(yè)的海洋裝備，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等礦物資源的開采作業(yè)中。海洋平臺(tái)工作環(huán)境惡劣，需要承受復(fù)雜的載荷，進(jìn)而保證海洋平臺(tái)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。海洋平臺(tái)失穩(wěn)狀況主要有穿刺失穩(wěn)、滑移失穩(wěn)以及傾覆失穩(wěn)。本文著重研究自升式海洋平臺(tái)的抗滑移能力，抗滑移能力是指處于支撐狀態(tài)下自升式平臺(tái)，在最不利的組合載荷作用下，抵抗滑移的能力[1]。自升式平臺(tái)依靠樁靴與地基土壤的相互作用來獲得抗滑移阻力，抗滑移阻力主要來自于地基土壤的對(duì)樁靴的水平反作用力，而地基土所受的垂直載荷與水平載荷有著密切關(guān)系。

隨著近海油氣田的開采趨于飽和，油氣勘探逐漸向深海發(fā)展，海平面上的環(huán)境和海底土質(zhì)更加惡劣，導(dǎo)致平臺(tái)發(fā)生滑移失效較高。1982年，在加拿大紐芬蘭近岸油田作業(yè)的“海洋徘徊者”號(hào)鉆井平臺(tái)，遭遇時(shí)速高達(dá)190 km和浪高20 m的颶風(fēng)，發(fā)生滑移傾覆，造成重大沉船事故。我國(guó)常根據(jù)CCS規(guī)范對(duì)平臺(tái)進(jìn)行抗滑移能力的評(píng)估，雖然考慮到平臺(tái)所受到的水平載荷，能夠?yàn)樽陨姐@井平臺(tái)抗滑移力的校核提供部分理論參考。但是并未分析地基土壤流動(dòng)產(chǎn)生的影響，并且海上平臺(tái)所處的工作環(huán)境較為復(fù)雜，海底地基土壤環(huán)境參差交錯(cuò)，抗滑移力理論值難以與實(shí)際值相吻合，導(dǎo)致平臺(tái)在作業(yè)過程中發(fā)生滑移事故。

本文以某自升式鉆井平臺(tái)中的樁腿和樁靴為研究對(duì)象，在抗滑移理論研究的基礎(chǔ)上，借助有限元軟件Abaqus，采用CEL方法，研究樁靴在復(fù)雜工作環(huán)境下與海底土壤的相互作用，模擬滑移過程中土壤的流動(dòng)現(xiàn)象，分析平臺(tái)的抗滑移能力，并與已有的理論值相比較，驗(yàn)證數(shù)值解的優(yōu)越性，從而為自升式鉆井平臺(tái)的安全作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 樁靴抗滑移能力理論分析

1.1 地基土與抗滑移能力

自升式海洋平臺(tái)所受到水平載荷包括風(fēng)、海浪、海流等環(huán)境載荷。垂直載荷主要包括船體自身的固定載荷和水壓、地壓等環(huán)境載荷。水平載荷作用在樁腿上，對(duì)樁靴產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。所有水平載荷、垂直載荷以及彎矩自上而下由船體、樁腿和樁靴傳遞至地基土，引發(fā)樁土相互作用[4]。圖1為挪威船級(jí)社依據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得的地基穩(wěn)定曲線[3]，該圖描述分別描述了在完全排水與不排水狀況下地基土不失穩(wěn)所能承受的垂直載荷Fv與水平載荷FH之間的關(guān)系。圖1（a）為完全排水狀況下的地基穩(wěn)定曲線，可見在曲線的下半段垂直載荷Fv數(shù)值較小時(shí)，水平載荷FH與垂直載荷Fv為正比線性關(guān)系；而當(dāng)垂直載荷Fv足夠大時(shí)，隨垂直載荷Fv增大，水平載荷FH減小，地基土承載能力降低。圖1（b）表述了在不排水情況下地基土的承載能力，當(dāng)對(duì)地垂直載荷Fv為0或者數(shù)值較小時(shí)，臨界水平載荷FH基本保持不變；當(dāng)垂直載荷Fv足夠大時(shí)，水平載荷FH隨垂直載荷增加而減小。綜述以上2種情況，當(dāng)垂直載荷過大時(shí)，地基土所能承受的水平載荷數(shù)值較小，地基土水平方向上承載能力不足。

根據(jù)對(duì)地基土承載能力的了解，本文在探討樁靴抗滑移能力時(shí)，選擇較小對(duì)地比壓工況能更加有效地靠近自升式海洋平臺(tái)的工作環(huán)境。

1.2 水平載荷理論值計(jì)算方法

采用中國(guó)船級(jí)社在《海上移動(dòng)式平臺(tái)入級(jí)與制造規(guī)范》[5]所給出的相應(yīng)公式。

風(fēng)載荷主要由海風(fēng)作用在船體、樁腿、工作樓等產(chǎn)生，具體計(jì)算公式：

水平載荷還主要包括海浪、海流對(duì)樁腿的水平作用力，其具體計(jì)算公式為：

1.3 抗滑移能力計(jì)算方法

中國(guó)船級(jí)社（CCS）《海上移動(dòng)式平臺(tái)規(guī)范》中抗滑移力和衡準(zhǔn)中給出：側(cè)向滑移可能由水平力引起，滑移力計(jì)算方法為：

對(duì)抗滑安全系數(shù)KH的要求：

因而，為了更好地計(jì)算抗滑移力，本文在沿用理論公式的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析方法，模擬樁靴滑移過程，并將理論解與數(shù)值解進(jìn)行對(duì)比分析。

2 樁-土系統(tǒng)的數(shù)值模型

Abaqus軟件能夠?qū)ν馏w的變形和流動(dòng)進(jìn)行耦合分析，在Abaqus中使用歐拉網(wǎng)格來劃分土體單元，可以模擬土壤在外力作用下的流動(dòng)變形。

2.1 樁-土系統(tǒng)模型

本文所研究的獨(dú)立樁腿式自升式平臺(tái)，每個(gè)樁腿都安裝一個(gè)獨(dú)立樁靴，該種自升式平臺(tái)的樁靴插樁深度大，抗滑移能力強(qiáng)，一般對(duì)地比壓在150～350 kPa。本文研究對(duì)象為典型樁靴，最大斷面直徑為6 m。利用ANSA軟件對(duì)樁靴實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以C3D8R網(wǎng)格對(duì)樁靴進(jìn)行網(wǎng)格離散。由于樁靴滑移過程中，土壤相對(duì)樁靴的變形要大許多。因而在模擬樁靴滑移過程中，將樁靴整體結(jié)構(gòu)設(shè)置為剛體，在樁腿處施加速度載荷完成加載。

考慮到土體的邊界效應(yīng)，土體直徑選取6倍樁靴直徑。土體網(wǎng)格采用歐拉網(wǎng)格離散，借鑒CEL方法進(jìn)行分析，將土體網(wǎng)格設(shè)置為EC3D8R。土體完全包覆樁靴以此模擬獨(dú)立樁腿式自升式平臺(tái)樁靴入土深的狀況，同時(shí)在樁靴滑移過程中模擬各個(gè)方向土體的變形。由于土體內(nèi)部存在應(yīng)力而從樁靴滑移初始過程中就會(huì)影響整個(gè)分析過程，因而模型建立需要在一開始平衡初始地應(yīng)力，限制土壤底部變形，并設(shè)置土體邊界條件。

在CEL法中，材料會(huì)在歐拉網(wǎng)格中流動(dòng)，而實(shí)際樁靴滑移過程土壤的流動(dòng)方向不確定。因此，為了真實(shí)模擬樁靴滑移過程中土壤流動(dòng)，為土壤流動(dòng)提供所需空間，本文采用完全包覆樁靴的土體來給土壤流動(dòng)提供空間。樁靴滑移的數(shù)值模型如圖2所示。

2.2 樁-土模型材料參數(shù)選擇

土體材料參數(shù)選取Hossain試驗(yàn)中所測(cè)得的參數(shù)[7]。其中硬質(zhì)土比重為8.03 kN/m3，彈性模量19.2 MPa，抗剪強(qiáng)度為38.3 kPa，內(nèi)摩擦角為8°。樁靴及樁腿材料參數(shù)：比重為20 kN/m3，彈性模量2e5 MPa。

2.3 邊界條件及接觸

在土體模型底面施加全約束，頂面不施加約束。土體和樁靴之間的接觸屬性定義為“通用接觸”。由于樁靴滑移路徑相對(duì)較小，因此可以忽略樁土摩擦，其摩擦系數(shù)選為0。

2.4 載荷施加

樁靴模型為一剛體，為模擬樁靴滑移過程，給樁靴模型施加一沿水平方向0.1 m/s的移動(dòng)速度。自升式平臺(tái)三樁系統(tǒng)承受自升式平臺(tái)重量，平臺(tái)空船重量4 010 t，單個(gè)樁靴承重設(shè)為1 337 t。

3 樁靴抗滑移結(jié)果分析與討論

3.1 抗滑移阻力理論計(jì)算

因此，抗滑移阻力理論值為2.17 MN。

3.2 數(shù)值解結(jié)果分析

將模型提交計(jì)算后，得到1條阻力曲線如圖3所示。從圖中可看出，當(dāng)樁靴發(fā)生橫向短距離快速位移時(shí)，樁靴滑移阻力迅速增長(zhǎng)至最大；滑移距離增加后，阻力迅速降低，阻力變小并在0 kN上下浮動(dòng)。樁靴抗滑移阻力數(shù)值解選取滑移過程中所受到的最大阻力為1.81 MN。

3.3 理論與數(shù)值解對(duì)比分析

為確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文將理論解與數(shù)值解進(jìn)行比較。在本文所設(shè)定的工況下，樁靴抗滑移阻力理論解為2.17 MN，數(shù)值解為1.81 MN。數(shù)值解與理論解差值為354 kN。這是由于理論解公式依據(jù)土壤的粘附特性來推導(dǎo)抗滑移阻力，在計(jì)算過程中只是賦予公式某一狀態(tài)下的土壤材料性質(zhì)。而在樁靴滑移過程中，樁靴發(fā)生位移并擠壓土壤，同時(shí)海水進(jìn)入土壤，改變了土壤的剪切強(qiáng)度，容易造成誤差，理論解較為保守。而樁靴抗滑移阻力的數(shù)值解是選取的在模擬樁靴發(fā)生微量滑移過程中樁靴所受到最大阻力，并且選用可以模擬土壤流動(dòng)的EC3D8R來劃分土壤，相比于理論解的靜態(tài)求解，數(shù)值解更加有效的得到樁土互相擠壓作用下，土壤所能提供的最大抗滑移阻力。

3.4 滑移過程中土壤的流動(dòng)分析

地基土壤在抵抗樁靴滑移過程中同樣受力發(fā)生擠壓、流動(dòng)等變形，在數(shù)值解析過程中，模擬出土壤流動(dòng)過程。

從圖4可知，在樁靴微小滑移過程中，由于所選用的土體模型邊界廣，樁靴發(fā)生位移較小，滑移過程中只會(huì)影響周邊土體，圖中曲線可以反映土體的流動(dòng)狀況。如圖4（a）所示，樁靴剛開始位移，在位移方向上產(chǎn)生抗滑移阻力，土體開始發(fā)生微小變形。如圖4（b）所示，樁靴發(fā)生位移并受到最大抗滑移阻力，土體在位移方向上被擠壓開始向上流動(dòng)。如圖4（c）所示，樁靴繼續(xù)位移，土壤受擠壓向樁靴上部流動(dòng)。

4 結(jié) 語

為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)樁靴所受到的抗滑移阻力，本文采用中國(guó)船級(jí)社抗滑移穩(wěn)性的理論計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上沿用該理論，結(jié)合CEL耦合方法，采用Abaqus建立數(shù)值模型，對(duì)初始條件進(jìn)行限制，計(jì)算得出理論與數(shù)值解，并對(duì)兩者進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

1）國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)樁靴滑移理論的研究存在不足，傳統(tǒng)理論公式中抗滑移阻力來自于土壤的粘附力和摩擦力，該方法只是在靜態(tài)工況下以某一時(shí)刻的土壤材料屬性來計(jì)算其抗滑移阻力，而樁靴在工作狀態(tài)下會(huì)發(fā)生微小位移，同時(shí)土壤還會(huì)發(fā)生流動(dòng)，容易產(chǎn)生誤差。

2）數(shù)值解是以實(shí)際狀況下模擬樁靴在微小滑移過程中，所得結(jié)果選取的是微小滑移過程中受到的最大阻力值，能夠較為精確地得出抗滑移阻力。綜合2種結(jié)果，2種不同方法得出的阻力都能夠保證平臺(tái)抗滑移穩(wěn)性。與理論值相比，數(shù)值解能夠更好的在動(dòng)態(tài)下反映土壤的抗滑移屬性，并且得到土壤的流動(dòng)情況。

[1]龔閩, 譚家華. 獨(dú)立樁靴自升式平臺(tái)抗滑能力計(jì)算方法研究[J]. 中國(guó)海洋臺(tái), 2004, (6): 23–27. GONG Min, TAN Jia-hua. The methods research of calculating anti-sliding ability for jackups with separated spuncans[J]. China offshore Platform, 2004, (6): 23–27.

[2]周煜. 自升式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)體系研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2006. ZHOU Yu. Research on the software of jack up estimation[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2006.

[3]DnV. Classfictation Notes ＜FOUNDATIONS＞[S]. 1992, 30(4).

[4]季春群, 孫東昌. 自升式平臺(tái)上外載荷的分析計(jì)算[J]. 海洋工程, 1995, (3): 19–24. JI Chun-qun, SUN Dong-chang. The calculation an analysis of environment loads for jack-up rig[J]. The Ocean Engineering, 1995, (3): 19–24.

[5]CCS. 海上移動(dòng)式平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S], 1992. CCS. Rules for construction and classification of mobile offshore drilling units[S], 1992.

[6]蔡宏. 海洋鉆井平臺(tái)穩(wěn)定性分析研究[D]. 西安: 西安石油大學(xué), 2011. CAI Hong. Analysis and research on the stability of sea drilling platform[D]. Xi’an: Xi’an Shiyou University, 2011.

[7]HOSSAIN. Cavity stability and bearing capacity of spudcan foundation on clay[C]//Offshore Technology Conference. Houston, OTC 17770.

Anti-slide ability analysis of jack-ups

WU Wen-le, LIAO Tian-an, TANG Wen-xian, PENG Wei
(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Based on the formula, the paper simulates the process of spudcan slide in the soil, and now to construct a numerical method to analye the anti-slide force of spudcan. First of all, the paper researches the theoretical anti-slide formula from different paper, based on which, the finite element model of spudcan-soil system is built to, using CEL method and establishing the required conditions, study on the flow deformation of soil and calculate the numerical result. Finally, the theoretical result and numerical result are compared and discussed to compensate for the lack of theoretical formula and provide a accurate method to calculate the anti-slide force of spudcan.

jack-up platform；spudcan；anti slide；numerical analysis

TE951; P751

A

1672 – 7649(2017)08 – 0075 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.016

2016 – 07 – 01；

2016 – 11 – 02

江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(2011A031)；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)-青年基金資助項(xiàng)目(BK20150469)；江蘇科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(YCX15S-06)

吳文樂(1992 – )，男，碩士研究生，主要從事海洋工程裝備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。