自升式平臺壓載作業(yè)樁腿側(cè)向滑移的極限RPD

(中國船級社 海工技術(shù)中心， 天津 300457)

0 引 言

自升式平臺是指具有活動樁腿，且其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進行作業(yè)的平臺，此種平臺在海洋石油開發(fā)中被廣泛應(yīng)用[1]。隨著油氣開采向深海發(fā)展，自升式平臺的作業(yè)水深不斷加大，其自身的結(jié)構(gòu)安全問題越來越受到各方的重視。自升式平臺在進行修井作業(yè)前，往往需要在已有的樁坑附近進行插樁，稱為“踩腳印”，此過程極易產(chǎn)生樁腿側(cè)滑，導(dǎo)致樁腿、升降系統(tǒng)以及平臺結(jié)構(gòu)損壞。2012年5月，“勝利作業(yè)3號”平臺在渤海海域進行插樁作業(yè)時發(fā)生側(cè)滑，平臺結(jié)構(gòu)嚴重受損，最終平臺傾覆，發(fā)生嚴重作業(yè)事故；2017年6月，“HYSY944” 在中國東海海域進行修井作業(yè)時，艏部樁腿發(fā)生滑移，導(dǎo)致船首傾斜5°，3根斜撐、1根內(nèi)水平撐發(fā)生變形。因此，對于自升式平臺的“踩腳印”作業(yè)，應(yīng)建立詳細的預(yù)警方案和應(yīng)對措施，避免滑移對平臺結(jié)構(gòu)造成損傷。

傳統(tǒng)的齒條相位差(Rack Phase Difference， RPD)監(jiān)測系統(tǒng)對樁腿各個弦桿變形進行監(jiān)測，一旦樁腿變形接近臨界值，RPD系統(tǒng)就會報警，船體升降操作必須停止，隨后要按操作規(guī)程調(diào)整升降系統(tǒng)，使船體恢復(fù)水平。目前國外先進的自升式鉆井平臺都配備有RPD監(jiān)測系統(tǒng)，比如：F&G公司JU-2000E平臺的極限RPD為203 mm[2]；Gusto MSC公司CJ46平臺的極限RPD為58 mm[3]。BMC375平臺上也安裝了類似的監(jiān)視系統(tǒng)，但其傳統(tǒng)設(shè)計方法只是對樁腿強度進行極限RPD值分析，并沒有涉及升降系統(tǒng)以及固樁區(qū)結(jié)構(gòu)強度等，對于側(cè)滑等特殊工況須綜合考慮各種因素影響，因此并不適用。

本文對“踩腳印”過程的RPD計算原理進行研究，推算適用于樁腿側(cè)滑的RPD計算方法；然后采用有限元分析方法模擬樁腿在不同方向、不同距離的側(cè)滑，計算平臺樁腿、升降系統(tǒng)以及固樁區(qū)結(jié)構(gòu)強度，確定平臺系統(tǒng)的臨界極限能力；通過迭代搜索最終確定平臺“踩腳印”時的極限RPD值。以某作業(yè)水深為400英尺(1英尺=0.304 8 m)的自升式平臺為例，通過上述原理和方法計算樁腿滑移過程的極限RPD值，并以此得出幾個有益的結(jié)論。將RPD理論應(yīng)用于自升式平臺“踩腳印”插樁過程，當(dāng)樁腿變形接近臨界值時，RPD監(jiān)測系統(tǒng)報警，提醒作業(yè)者及時調(diào)整平臺插樁狀態(tài)，可有效降低樁腿的側(cè)滑風(fēng)險，對設(shè)計者和作業(yè)者具有較強的指導(dǎo)作用，應(yīng)用價值較高。

1 RPD計算原理

RPD的定義為桁架式樁腿的兩相鄰弦桿具有相同標(biāo)高的齒條板相對于升降室頂部的垂向位移的絕對差值。測量時需記錄不同主弦桿上具有相同標(biāo)高的齒節(jié)點距離參考平面的垂直距離，即齒條相位值(Rack Phase Value， RPV)，再經(jīng)計算得到樁腿上的RPD值[4]：

RPD=max(|RPVi-RPVj|)

(1)

式中：i、j為任意兩根相鄰弦桿。

在常規(guī)情況下，平臺的極限RPD值表征樁腿可容許的最大彎矩，與樁腿支撐桿的軸向屈曲密切相關(guān)。其理論計算方法一般為：建立樁腿的有限元模型，模擬升降系統(tǒng)、上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)作為邊界條件，在樁腿底部位置加載垂向載荷；下導(dǎo)向位置施加彎矩，此彎矩值應(yīng)使樁腿弦桿或撐桿發(fā)生屈曲(應(yīng)力比接近1.0)，此時可計算分析得到3個弦桿的垂向位移，即可計算得到極限RPD值[5]：

(2)

式中：ΔZmax為計算得到的弦桿垂向位移差值；UCL為樁腿構(gòu)件的最大名義應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值；ΔZ0為樁腿初始傾斜產(chǎn)生的垂向位移差值。

在一般情況下，樁腿弦桿齒條板與上下導(dǎo)向之間會存在一定的間隙，尤其對于老齡平臺，當(dāng)齒條板和導(dǎo)向板存在磨損時，這一間隙不可忽略。間隙的存在使樁腿相對于主船體存在一定的初始傾斜而不會產(chǎn)生樁腿應(yīng)力，這部分傾斜所導(dǎo)致的RPD稱為無限制RPD。

當(dāng)自升式平臺在舊腳印附近就位時，極易引起樁腿滑移，不但對樁腿結(jié)構(gòu)構(gòu)成危害，還對導(dǎo)向產(chǎn)生擠壓，甚至使升降系統(tǒng)過載。因此，自升式平臺“踩腳印”過程極限RPD的計算原理應(yīng)綜合考慮樁腿結(jié)構(gòu)、船體結(jié)構(gòu)及升降系統(tǒng)極限能力等3個方面的因素，進而推算出適用于樁腿側(cè)向滑移的極限RPD值：

(3)

UCmax=max(UCL,UCH,UCJ)

(4)

式中：UCH為船體構(gòu)件(包括圍肼區(qū)及固樁架結(jié)構(gòu))的最大名義應(yīng)力與許用應(yīng)力比；UCJ為升降系統(tǒng)最大受載與升降能力比。UCmax取三者中的最大值。

2 “踩腳印”時的平臺極限能力

自升式平臺極限滑移能力指的是平臺結(jié)構(gòu)所能承受的最大側(cè)向滑移距離，超過該滑移距離，則平臺樁腿、升降裝置或平臺樁腿下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)就會發(fā)生損壞。

2.1 計算模型

為計算出“踩腳印”時的平臺極限能力，一般需要建立有限元模型，保證模型剛度、質(zhì)量及載荷模擬與實際預(yù)壓載條件一致。

(1) 樁腿剛度。桁架式樁腿弦桿一般采用相當(dāng)剛度的梁進行模擬，梁的剛度應(yīng)與實際樁腿一致。確定剛度的主要要素包括截面面積、截面慣性矩、剪切面積和扭轉(zhuǎn)慣性矩。樁腿撐桿則按照實際結(jié)構(gòu)以管單元模擬。

圖1 平臺主船體舷側(cè)艙壁等截面梁模擬方法

(2) 主船體剛度。根據(jù)研究對象的不同，平臺主船體的剛度一般有簡化模擬和詳細模擬兩種方法。

在分析樁腿強度時可應(yīng)用簡化方法，即采用等截面梁單元模擬平臺主船體，將平臺實際的橫縱艙壁及各層甲板簡化為梁架結(jié)構(gòu)，同時保證截面慣性矩、剪切面積及扭轉(zhuǎn)慣性矩與平臺結(jié)構(gòu)一致，具體的等效方法可參見SNAME 5-5A[6]。平臺主船體舷側(cè)艙壁等截面梁模擬方法如圖1所示。

在分析固樁區(qū)及船體結(jié)構(gòu)時，需應(yīng)用詳細模擬方法，即采用板、梁單元完全模擬平臺橫縱艙壁、各層甲板及固樁區(qū)結(jié)構(gòu)，單元尺寸及屬性與平臺實際結(jié)構(gòu)一致。

(3) 樁腿-升降系統(tǒng)連接。為準確模擬樁腿側(cè)向滑移對升降系統(tǒng)及上下導(dǎo)向的載荷傳遞，應(yīng)充分考慮樁腿和船體的連接剛度。在有限元分析中，建立詳細的固樁架模型，并在導(dǎo)向及升降齒輪的位置與樁腿之間采用彈簧單元模擬。單個弦桿上升降系統(tǒng)彈簧垂直剛度系數(shù)KV,j可用式(5)[7]表示：

(5)

式中：np為單弦桿上的齒輪個數(shù)；KV,p為單個齒輪的垂向剛度系數(shù)；KV,jh為單弦桿升降齒輪箱的垂向剛度系數(shù)。

圖2 樁腿與導(dǎo)向之間的非線性彈簧單元示例

(4) 樁腿-導(dǎo)向連接。為準確模擬樁腿與導(dǎo)向之間間隙導(dǎo)致的無限制RPD，在有限元分析時，可在上下導(dǎo)向與樁腿之間采用非線性彈簧單元連接，單元設(shè)置初始間隙δ0，且單元僅在接觸后軸向受壓，如圖2所示。

(5) 邊界條件。在平臺預(yù)壓載過程中，由于土壤處在不斷被樁靴壓實的過程，因此無法確定準確的土壤剛度。如果考慮水平方向的土壤剛度，可使樁靴允許的滑移距離增大；而考慮土壤的轉(zhuǎn)動剛度，則使樁靴允許的滑移距離減小。通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)，將樁端簡化為鉸支約束(水平剛度無限大，轉(zhuǎn)動剛度為0)，與同時考慮水平剛度和轉(zhuǎn)動剛度的計算結(jié)果差別不大。因此，對于不滑移樁腿，可采用鉸支約束，滑移樁腿則通過給定強制位移模擬側(cè)向滑移。

圖3 樁腿滑移方向與環(huán)境載荷入射方向關(guān)系

2.2 樁腿側(cè)滑計算載荷

將平臺整體結(jié)構(gòu)作為研究對象，計算預(yù)壓載時樁腿側(cè)向滑移需考慮的載荷包括重量載荷、環(huán)境載荷及樁端側(cè)向位移。

(1) 重量載荷包括固定載荷、可變載荷及壓載水重量。

(2) 環(huán)境載荷為平臺壓載作業(yè)時受到的載荷，包括風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷及P-Δ效應(yīng)載荷等，具體計算方法參見CCS相關(guān)規(guī)范[8]。

(3) 樁端側(cè)向位移是模擬平臺某一樁腿發(fā)生側(cè)向滑移產(chǎn)生的大變形對平臺及樁腿造成的不利影響。

關(guān)于載荷方向需強調(diào)的是，由于實際就位點與舊腳印之間方位的不同，需研究不同滑移方向?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，因此在0°～180°范圍內(nèi)進行多方向滑移分析。出于保守考慮，環(huán)境載荷的入射方向按照加重結(jié)構(gòu)破壞的原則，向樁端滑移的反方向施加，如圖3所示。

2.3 平臺極限能力

為保證平臺結(jié)構(gòu)安全，平臺踩腳印時的極限能力應(yīng)確保樁腿結(jié)構(gòu)、船體、固樁架結(jié)構(gòu)以及升降系統(tǒng)均不發(fā)生損壞，即

UCmax=max(UCL,UCH,UCJ)≤1

(6)

式中，樁腿及船體的極限強度UCL、UCH可通過有限元模型分析得到，平臺升降系統(tǒng)的最大承載能力可由升降系統(tǒng)生產(chǎn)廠家提供，UCJ可利用整體分析模型中提取弦桿上的垂向力與單個弦桿上所有齒輪的最大能力進行比較得到。通過不斷加大平臺的側(cè)向滑移距離，直至某一指標(biāo)接近1.0時，該側(cè)滑距離即為平臺極限滑移距離。

3 算例分析

3.1 算例計算模型

算例平臺為某作業(yè)水深為400英尺的自升式鉆井平臺，采用三角箱形主船體，配有3個桁架式樁腿(艏1艉2)，升降系統(tǒng)為電動齒輪升降系統(tǒng)，每個樁腿有4套弦桿，每個樁腿底部帶有1個圓形的樁靴。為分別考察樁腿強度和固樁區(qū)局部強度，建立算例平臺簡化模型及詳細模型，如圖4和圖5所示。

圖4 算例平臺簡化模型 圖5 算例平臺詳細模型

3.2 算例計算載荷

算例平臺的環(huán)境條件等主要參數(shù)如表1所示。

表1 預(yù)壓工況下平臺的環(huán)境條件及主要參數(shù)

3.3 計算結(jié)果分析

假定平臺樁靴在不同方向上產(chǎn)生側(cè)向滑移，通過不斷增大滑移距離反復(fù)計算，直到UCmax接近1.0為止。圖6為艏樁腿滑移距離與UCmax關(guān)系圖，圖7為右舷樁腿滑移距離與UCmax關(guān)系圖。

圖6 艏樁腿滑移距離與UCmax關(guān)系圖 圖7 右舷樁腿滑移距離與UCmax關(guān)系圖

計算結(jié)果顯示，當(dāng)平臺單樁達到最大壓載量時，在被壓樁腿發(fā)生側(cè)向滑移過程中，升降系統(tǒng)先過載，繼續(xù)增大側(cè)滑距離，樁腿撐桿發(fā)生屈曲，平臺圍肼區(qū)下導(dǎo)向附近結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生屈服。以艏樁腿為例，升降系統(tǒng)、樁腿結(jié)構(gòu)和船體結(jié)構(gòu)的UC值如表2所示。

表2 艏樁腿滑移UC值

對于艏樁腿，當(dāng)樁靴向0°方向滑移時，可允許的滑移距離最小，90°方向可允許的滑移距離最大；相應(yīng)地，右舷樁腿60°方向可允許的滑移距離最小，150°方向允許的滑移距離最大。圖8～圖10為艏樁腿向0°、90°及右舷樁腿向60°方向滑移的樁腿變形圖。

圖8 艏樁腿0°方向滑移 圖9 艏樁腿90°方向滑移 圖10 右舷樁腿60°方向滑移

圖11 艏樁腿90°方向滑移3.8 m圍肼區(qū)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

以艏樁腿為例，算例平臺艏樁沿著90°方向滑移至最大3.8 m時，船體結(jié)構(gòu)強度UCH達到0.96，最大UC值出現(xiàn)在滑移樁腿下導(dǎo)向處。此時平臺圍肼區(qū)下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖11所示。

研究表明，算例平臺在不同方向上可允許的最大滑移距離不同，圖12和圖13為艏樁腿、右舷樁腿的最大滑移距離平面包絡(luò)圖，可為平臺指定“踩腳印”方案提供理論指導(dǎo)。

算例平臺樁腿滑移距離與RPD關(guān)系如圖14所示。由于算例平臺為三角形桁架式樁腿，根據(jù)樁腿與固樁架的軸對稱性，將0°～60°作為研究對象， 其他角度可根據(jù)對稱性求得?；诒Ｊ乜紤]，取樁腿滑移各個方向上的最小RPD值作為RPD監(jiān)測系統(tǒng)的報警值。根據(jù)以上計算結(jié)果可查出算例平臺在預(yù)壓載側(cè)滑工況下的極限RPD值，艏樁腿為127 mm、艉樁腿為125 mm。

圖12 艏樁腿最大滑移距離包絡(luò)圖 圖13 右舷樁腿最大滑移距離包絡(luò)圖

圖14 樁腿滑移距離與RPD關(guān)系圖

3.4 結(jié)論和建議

(1) 艏部樁腿的極限側(cè)滑距離略大于艉部樁腿側(cè)滑距離，這與平臺首尾結(jié)構(gòu)形式和樁腿間距不同有關(guān)。

(2) 對于給定的某一樁腿側(cè)滑，不同方向上產(chǎn)生的最大或最小極限側(cè)滑距離必然產(chǎn)生最大或最小的RPD值，符合側(cè)滑距離越大，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響越大、結(jié)構(gòu)變形越大的趨勢。

(3) 艏樁腿最大側(cè)滑距離和最大RPD出現(xiàn)在90°或270°側(cè)滑方向，最小側(cè)滑距離和最小RPD出現(xiàn)在0°或180°側(cè)滑方向；艉樁腿最大側(cè)滑距離和最大RPD出現(xiàn)在150°或330°側(cè)滑方向，最小側(cè)滑距離和最小RPD出現(xiàn)在60°或240°側(cè)滑方向。

(4) 從側(cè)滑破壞的形式上分析，一般趨勢是升降齒輪首先超載，然后樁腿結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，最終下導(dǎo)向及圍阱區(qū)結(jié)構(gòu)損壞。此趨勢與平臺設(shè)計理念有關(guān)，也基本符合實際側(cè)滑結(jié)構(gòu)損傷情況。

(5) 在實際壓載作業(yè)時，平臺上很難判斷具體的側(cè)滑距離，因此應(yīng)通過RPD監(jiān)測系統(tǒng)報警值確定平臺結(jié)構(gòu)安全程度。在實際插樁時也很難判斷具體的滑移方向，基于保守考慮，取樁腿滑移各個方向上的最小RPD值作為RPD監(jiān)測系統(tǒng)的報警值。因此，算例平臺的樁腿可容許極限RPD值為艏樁腿127 mm、艉樁腿125 mm。

4 結(jié) 語

“踩腳印”過程發(fā)生樁腿側(cè)滑是自升式平臺插樁時遇到的重要作業(yè)風(fēng)險，作業(yè)前應(yīng)建立起詳細的預(yù)警方案和應(yīng)對措施，降低滑移對平臺帶來的結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險。對自升式平臺“踩腳印”過程的RPD計算原理進行研究，提出了適用于樁腿側(cè)滑的RPD計算方法，對自升式平臺減少“踩腳印”側(cè)滑風(fēng)險危害具有一定的指導(dǎo)意義。但是，由于海底條件的復(fù)雜性以及實際作業(yè)的不確定性，該理論分析方法仍需在進一步的實際工程驗證中不斷完善。