淺海坐底式平臺(tái)強(qiáng)度分析研究

安長(zhǎng)武

（中石化勝利石油工程有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

淺海坐底式平臺(tái)結(jié)構(gòu)由沉墊、主體及兩者間連接支柱組成，是最早應(yīng)用的一種移動(dòng)式海洋平臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、造價(jià)遠(yuǎn)、工作可靠、操作便利等特點(diǎn)，一般適于10 m以內(nèi)作業(yè)水深的淺海區(qū)域勘探作業(yè)。當(dāng)作業(yè)水深較大時(shí)，平臺(tái)沉墊與主體間連接支柱尺寸需要加大，這不僅增加了結(jié)構(gòu)與成本，而且在漂浮狀態(tài)平臺(tái)重心過高，降低了平臺(tái)拖航的安全性[1，2，3]。

淺海坐底式平臺(tái)在拖航、正常作業(yè)、風(fēng)暴自存等狀態(tài)不僅承受船體重量和作業(yè)載荷，還受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷作用，因此必須首先保證平臺(tái)作業(yè)的安全性[3]，而平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)具有重要意義。本文以勝利作業(yè)八號(hào)坐底式平臺(tái)為例，利用ANSYS軟件建立了包括沉墊、主甲板及支柱等結(jié)構(gòu)的平臺(tái)整體強(qiáng)度有限元分析模型，對(duì)坐底式平臺(tái)整體強(qiáng)度分析的方法及過程進(jìn)行了研究。

1 示例平臺(tái)介紹

1.1 平臺(tái)簡(jiǎn)介

勝利作業(yè)八號(hào)平臺(tái)是一座坐底式作業(yè)平臺(tái)。平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)由沉墊、主甲板、作業(yè)甲板、連接支撐立柱等部分組成。沉墊內(nèi)設(shè)有泵艙、壓載艙、燃油艙、淡水艙和油污水艙等。主甲板上的生活區(qū)設(shè)有生活居住房間及全套生活設(shè)施，動(dòng)力設(shè)備區(qū)設(shè)有主機(jī)房、空壓器間、鍋爐房、液壓站、配電間等。

1.2 主要參數(shù)

平臺(tái)主體型長(zhǎng)60.0 m、型寬28.0 m、型深2.7 m；主甲板邊線距基線13.5 m；作業(yè)甲板長(zhǎng)31 m，寬25 m，作業(yè)甲板距基線18.5 m；主甲板及沉墊肋距0.5 m；泵艙主通道直徑Φ2.5 m，副通道直徑Φ1.0 m.

1.3 設(shè)計(jì)工況

設(shè)計(jì)最大作業(yè)水深8.5 m（含天文潮及風(fēng)暴潮）；修井作業(yè)工況最大風(fēng)速36 m/s，表面流速2.5節(jié)（1.285 m/s），最大波高4.6 m，相應(yīng)周期8 s；風(fēng)暴自存工況最大風(fēng)速51.5 m/s，表面流速2.5節(jié)（1.285 m/s），最大波高5.6 m，相應(yīng)周期8 s；油田拖航設(shè)計(jì)風(fēng)速36 m/s，遠(yuǎn)洋拖航設(shè)計(jì)風(fēng)速51.5 m/s.

2 結(jié)構(gòu)分析模型

2.1 結(jié)構(gòu)分析基本假定

（1）材料是線彈性的，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變之間符合胡可定律，成比例關(guān)系。

（2）結(jié)構(gòu)變形后尺寸與原始尺寸相比可忽略不計(jì)，均為小尺度變形，可采用疊加原理。

2.2 結(jié)構(gòu)分析基本方程式

2.2.1 靜力平衡方程[4，5，6]

節(jié)點(diǎn)所受外載荷與節(jié)點(diǎn)位移引起的內(nèi)力相等，即

式中：P為節(jié)點(diǎn)所受外載荷；F為節(jié)點(diǎn)位移引起的內(nèi)力。

2.2.2 變形協(xié)調(diào)方程[4，5，6]

匯于一個(gè)節(jié)點(diǎn)的各單元在外載荷作用下，保持變形后仍匯于一點(diǎn)，整個(gè)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)間幾何尺寸滿足變形協(xié)調(diào)方程。

2.2.3 應(yīng)力應(yīng)變方程[4，5，6]

節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)應(yīng)變呈比例關(guān)系，即

式中：f為應(yīng)力；Δ為應(yīng)變；k為剛度系數(shù)。

2.3 有限元模型

2.3.1 建模要求

平臺(tái)沉墊、主甲板及作業(yè)甲板為空間板、梁的組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用板殼單元SHELL63、梁?jiǎn)卧?BEAM188及管單元 PIPE59、PIPE16等建立平臺(tái)有限元模型。

平臺(tái)主甲板、作業(yè)甲板及沉墊甲板、底板、舷側(cè)板、艏艉壁板、艙壁板等板結(jié)構(gòu)采用SHELL63板單元模擬；泵艙通道、主甲板與沉墊間連接立柱、斜撐、作業(yè)甲板立柱及沉墊艙內(nèi)支柱等結(jié)構(gòu)采用PIPE59、PIPE16管單元模擬；縱桁、強(qiáng)橫梁及艙壁扶強(qiáng)材等框架構(gòu)件采用BEAM188梁?jiǎn)卧M。在模型中未對(duì)主甲板上部橫移軌道、起重機(jī)基座、工程房、生活樓、直升飛機(jī)平臺(tái)等平臺(tái)附屬結(jié)構(gòu)建模，而是通過將上述結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度分析獲得的支反力按載荷施加在主體結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置上加以考慮。

平臺(tái)坐底狀態(tài)時(shí)，在垂向方向海底地基對(duì)沉墊底板的起彈性支撐約束作用，在水平方向海底土對(duì)沉墊底板有摩擦作用力并對(duì)抗滑樁入泥部分提供水平約束。在模型中，按沉墊底板單元的彈性基礎(chǔ)（即彈性基礎(chǔ)板單元）來考慮垂向約束。根據(jù)海底地基條件確定彈性基礎(chǔ)剛度系數(shù)。在ANSYS程序中Shell63板殼單元具有一個(gè)實(shí)常數(shù)，專門用來處理彈性基礎(chǔ)，將彈性基礎(chǔ)剛度系數(shù)k輸入，ANSYS即可對(duì)地基進(jìn)行計(jì)算處理。

建立模型時(shí)，考慮板梁復(fù)合彎曲時(shí)板、梁中性軸不一致產(chǎn)生的偏心問題，根據(jù)板、梁構(gòu)件實(shí)際尺寸，對(duì)梁?jiǎn)卧O(shè)定相應(yīng)的偏心值，保證構(gòu)件模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸一致。

平臺(tái)有限元模型共有個(gè)38 107節(jié)點(diǎn)，52 680個(gè)單元，包括698個(gè)PIPE59單元，898個(gè)PIPE16單元，21 870個(gè)BEAM188管單元，29 214個(gè)SHELL63殼單元。平臺(tái)有限元模型圖如圖1所示。

圖1 平臺(tái)有限元模型圖

2.3.2 腐蝕裕量考慮

平臺(tái)沉墊甲板、艙壁板及主甲板、作業(yè)甲板等SHELL63板單元以及BEAM188梁?jiǎn)卧牧?、面板腐蝕裕量按1.5 mm考慮，PIPE59、PIPE16等管單元壁厚腐蝕裕量按1.5 mm考慮，沉墊底板腐蝕裕量按3 mm考慮。

2.4 載荷施加

綜合考慮平臺(tái)平臺(tái)各工況所受到的載荷，在計(jì)算時(shí)主要考慮平臺(tái)固定載荷、可變載荷及環(huán)境載荷。

2.4.1 固定載荷

固定載荷主要包括平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線、電纜、舾裝等重量，其中鋼結(jié)構(gòu)重量由程序根據(jù)所建模型自動(dòng)完成計(jì)算，而設(shè)備、管線、電纜、舾裝等根據(jù)實(shí)際情況，按照《甲板載荷圖》進(jìn)行施加。

2.4.2 可變載荷

可變載荷主要包括平臺(tái)試油、修井作業(yè)時(shí)大鉤、泥漿、藥品、鉆具等作業(yè)載荷及起重機(jī)吊重載荷、直升機(jī)降落沖擊載荷、生活淡水、備品等生活載荷等。

泥漿艙、散料堆場(chǎng)作為均布面載荷施加于相應(yīng)位置，將局部分析獲得的作業(yè)甲板修井模塊載荷支反力根據(jù)相應(yīng)作用位置施加于作業(yè)甲板縱軌道節(jié)點(diǎn)，生活區(qū)結(jié)構(gòu)及可變載荷、鉆具等作為按線載荷施加于相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置，燃燒臂載荷、起重機(jī)及吊重載荷、錨機(jī)等作為集中載荷施加于相應(yīng)位置。

2.4.3 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷主要包括風(fēng)載荷、波浪與海流載荷等，環(huán)境載荷計(jì)算坐標(biāo)系如圖2所示，計(jì)算中按縱向（0°）、橫向（90°）及斜向作用方向考慮，各工況中按上述環(huán)境載荷作用方向相同考慮。

（1）相應(yīng)工況構(gòu)件所受風(fēng)載荷根據(jù)《風(fēng)載荷計(jì)算書》選取，按均布或集中載荷施加到相應(yīng)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)或單元上，對(duì)于未建模的構(gòu)件所受風(fēng)載荷施加至對(duì)應(yīng)平臺(tái)上部對(duì)應(yīng)位置，對(duì)應(yīng)折減的風(fēng)彎矩轉(zhuǎn)化為力偶矩施加。

（2）沉墊作為按大尺度結(jié)構(gòu)物，其所受波流載荷按繞射理論進(jìn)行計(jì)算，作為面載荷施加到到沉墊相應(yīng)單元上；沉墊與上甲板連接支柱及泵艙通道作為小尺度構(gòu)件，采用莫里森公式進(jìn)行計(jì)算，在模型中采用PIPE59單元模擬受波流載荷作用的上述結(jié)構(gòu)，程序可自動(dòng)計(jì)算、施加相應(yīng)結(jié)構(gòu)的波流載荷。見圖2.

圖2 計(jì)算坐標(biāo)系

2.5 計(jì)算工況

按修井作業(yè)工況、風(fēng)暴自存工況和遠(yuǎn)洋拖航工況進(jìn)行平臺(tái)整體強(qiáng)度分析。

（1）修井作業(yè)工況：平臺(tái)進(jìn)行試油、修井等作業(yè)，鉆臺(tái)移出至鉆盤中心距船艉8.0 m，橫移至鉆盤中心距船中2.5 m，大鉤載荷為最大鉤載1 580 kN（注：計(jì)算時(shí)按起重機(jī)吊重載荷與與環(huán)境載荷作用方向相同考慮）。

（2）風(fēng)暴自存工況：平臺(tái)不進(jìn)行試油、修井等作業(yè)，將鉆臺(tái)收至拖航位置，并進(jìn)行固定。

（3）遠(yuǎn)洋拖航工況：平臺(tái)漂浮于水面，考慮風(fēng)及波浪載荷作用，按中拱（波峰位于船舯）與中垂（波谷位于船舯）2種情況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)取為平臺(tái)型長(zhǎng)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 許用應(yīng)力

平臺(tái)沉墊材質(zhì)采用CSA、CSB船用鋼，主甲板及作業(yè)甲板材質(zhì)采用DH36、EH36高強(qiáng)度船用鋼，沉墊與主甲板之間連接支柱材質(zhì)采用DH32高強(qiáng)度船用鋼。板結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.11，梁及支柱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.25[7，8]，相應(yīng)屈服強(qiáng)度及許用應(yīng)力如表1所示。

表1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力

3.2 結(jié)果分析

平臺(tái)各工況下整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析結(jié)果如表2所示，從表中可以看出：正常作業(yè)工況、風(fēng)暴自存工況及遠(yuǎn)洋拖航工況下平臺(tái)沉墊、主甲板、作業(yè)甲板及支柱結(jié)構(gòu)的計(jì)算最大應(yīng)力均小于相應(yīng)的材料許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求。作業(yè)工況（環(huán)境載荷斜向作用）下平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布見圖3、4.

表2 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析結(jié)果

圖3 平臺(tái)應(yīng)力整體分布圖

圖4 立柱應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

（1）從計(jì)算過程及結(jié)果分析，筆者提出的坐底式平臺(tái)整體強(qiáng)度有限元分析模型與方法是合理的，可準(zhǔn)確模擬平臺(tái)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，具有一定的實(shí)際工程意義。

（2）以勝利作業(yè)八號(hào)坐底式平臺(tái)為例，對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，結(jié)果表明，在各種工況下，平臺(tái)沉墊、主甲板、作業(yè)甲板及支柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求。

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