樁腿滑移對(duì)自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)及RPD影響

冼敏元1，高杰，段夢(mèng)蘭

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249)

我國(guó)南海油氣資源開(kāi)發(fā)中，隨著作業(yè)次數(shù)的增加，自升式海洋鉆井平臺(tái)在鄰近、甚至相同位置進(jìn)行二次或者多次插樁作業(yè)的情況會(huì)逐年增加，使南海海域的“踩腳印”問(wèn)題日趨嚴(yán)重，影響海洋平臺(tái)的作業(yè)安全，見(jiàn)圖1。

圖1 樁靴“踩腳印”示意

傳統(tǒng)的RPD(Rack phase difference)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)支腿各弦的變形情況。一旦支腿變形接近臨界值，RPD系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，必須停止船體的頂升操作。常規(guī)情況下，只對(duì)起升和預(yù)壓載工況進(jìn)行極限RPD值的分析，僅考慮樁端的彎矩；在樁腿端部施加一系列的彎矩計(jì)算各工況下最大RPD值，未考慮樁腿的橫向滑移。并且在進(jìn)行RPD分析時(shí)，將主船體及固樁區(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為剛性梁結(jié)構(gòu)[1-2]，并不能很好地解釋樁靴滑移對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響。為此，建立典型的三樁腿自升式鉆井平臺(tái)模型，通過(guò)有限元分析和求解，分析進(jìn)行自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 計(jì)算模型

該桁架式三樁腿自升式鉆井平臺(tái)包括主船體、固樁區(qū)以及桁架式樁腿模型；船體艏部1個(gè)樁腿，艉部2個(gè)樁腿，對(duì)稱分布；固樁區(qū)每個(gè)升降系統(tǒng)包括3個(gè)齒輪組，與樁腿弦上的齒條配合；由于自升式鉆井平臺(tái)一般在海洋環(huán)境較為緩和時(shí)進(jìn)行施工，計(jì)算未考慮水流、風(fēng)以及波浪等環(huán)境因素的影響。船底板下方樁腿長(zhǎng)度為100 m，根據(jù)操船手冊(cè)得知，在此工作深度下空氣間隙為17 m，因此樁腿入泥及水下深度一共為83 m；樁腿從船體下底板到最頂部長(zhǎng)度為65 m，其中位于固樁區(qū)的樁腿部分長(zhǎng)17.5 m。平臺(tái)的主尺度見(jiàn)表1。

表1 平臺(tái)主尺度及作業(yè)參數(shù)

自升式鉆井平臺(tái)有限元模型中，樁腿采用梁?jiǎn)卧?，主船體采用殼單元，見(jiàn)圖2。

圖2 自升式平臺(tái)有限元模型

2 RPD測(cè)量

“踩腳印”時(shí)，由于某一樁腿相對(duì)于其他樁腿發(fā)生了滑移，導(dǎo)致樁腿各弦之間產(chǎn)生高差進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的RPD值見(jiàn)圖3。RPD不僅可以有效表征支撐管軸向載荷的大小，也可以表征樁腿的姿態(tài)，即樁腿的傾斜程度與傾斜方向[3]。

圖3 RPD計(jì)算示意

RPD(faceij)=|RPV(i)-RPV(j)|

(1)

通過(guò)模擬計(jì)算分析，推算出樁腿端部發(fā)生橫向位移與平臺(tái)實(shí)測(cè)到的RPD之間的關(guān)系。計(jì)算中給樁腿底部施加一系列橫向滑移距離，最終通過(guò)計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的極限RPD值。

由于樁腿整體垂向滑移并不會(huì)影響樁腿的RPD，只有在橫向滑移時(shí)才會(huì)產(chǎn)生RPD，因此，忽略滑移過(guò)程中垂向位移的影響，對(duì)單樁腿不同方向橫向位移時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到滑移對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及RPD的影響。

3 連接設(shè)置

船體與樁腿通過(guò)彈簧單元進(jìn)行連接。平臺(tái)主體與樁腿的相互作用主要包括：①升降裝置上小齒輪與樁腿主弦管上齒條的相互作用，通過(guò)彈簧連接并設(shè)置等效彈簧剛度進(jìn)行模擬；②平臺(tái)固樁區(qū)上、下導(dǎo)向板與樁腿齒條的相互作用，通過(guò)設(shè)置非線性gap單元進(jìn)行模擬。

3.1 彈簧剛度計(jì)算

根據(jù)SNAME[4]，水平剛度Khh為

Khh=∞

(2)

1)垂向剛度。Kvh為包括所有垂直齒輪與鎖緊系統(tǒng)的剛度和減震墊(shock pad)的總體有效剛度。

2)扭轉(zhuǎn)剛度。

有鎖緊系統(tǒng)時(shí)：

Krh=Fnh2kf

(3)

式中：Fn對(duì)三弦樁腿為0.5，四弦樁腿為1；h為主弦桿中心間距；kf為弦桿上所有固樁設(shè)備的總體垂向剛度。

沒(méi)有鎖緊系統(tǒng)時(shí)：

(4)

式中：h為同一樁腿兩相鄰弦桿的中心間距；kj為在一個(gè)弦桿上所有升降系統(tǒng)設(shè)備的組合垂向剛度；d為上下導(dǎo)向板的距離；ku為上、下導(dǎo)向板的相對(duì)橫向剛度系數(shù)；As為樁腿的有效剪切面積。

表2 樁腿與船體連接的彈簧剛度系數(shù)

3.2 間隙單元

通常，弦桿與上下導(dǎo)板之間有一定的裝配間隙。為了精確模擬弦桿與上下導(dǎo)板之間的間隙，在有限元分析中采用非線性彈簧單元來(lái)模擬連接。圖4中初始間隙為δ0，接觸后僅承受軸向壓力。

圖4 樁腿與導(dǎo)向板接觸模型

4 邊界條件

由于本模型僅考慮插樁過(guò)程中單樁腿滑移對(duì)上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，邊界條件為兩艉部樁腿鉸支，艏部樁腿樁靴位置沿x軸正向即0°、60°、90°、120°、180°方向發(fā)生橫向滑移，分別定義為工況1～5；在保證船體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞的情況下，計(jì)算其極限滑移距離以及對(duì)應(yīng)的RPD值。

5 計(jì)算載荷

由于未考慮外界海洋環(huán)境載荷的影響，計(jì)算載荷主要包括固定載荷和可變載荷。固定載荷包括整個(gè)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自重及內(nèi)部和甲板上表面設(shè)備總重；可變載荷為樁腿升降相關(guān)載荷。

6 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》[5]要求，通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

6.1 樁腿強(qiáng)度

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，弦管相對(duì)于內(nèi)部斜撐和三角撐所受應(yīng)力較大，計(jì)算的樁腿應(yīng)力值是完整樁腿模型(包括弦管、內(nèi)部斜撐，三角撐)在各工況下，弦管上的應(yīng)力值；不同工況下樁腿滑移距離與樁腿最大應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 各工況樁腿滑移極限距離

對(duì)于165 m桁架式樁腿，其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了樁腿剛度較大，根據(jù)計(jì)算所得UC值，沿不同的滑移方向，樁腿的最大滑移距離有所不同：沿x軸方向滑移時(shí)，最大滑移距離不能超過(guò)3.5 m；沿x軸60°方向滑移時(shí)，最大滑移距離不能超過(guò)3.5 m；沿x軸90°方向滑移時(shí)，最大滑移距離不能超過(guò)4.5 m；沿x軸120°方向滑移時(shí)，最大滑移距離不能超過(guò)3.0 m；沿x軸180°方向滑移時(shí)，最大滑移距離為3.0 m；由此可知，艏部樁腿在與x軸呈90°方向滑移時(shí)，可承受的極限滑移距離最大，沿x軸120°和180°方向滑移時(shí)，可承受的極限滑移距離最小。

6.2 板材強(qiáng)度

板的屈服校核根據(jù)2012年版中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》[6]規(guī)定，按相當(dāng)應(yīng)力(von Mises)進(jìn)行校核。5種工況下，對(duì)每種工況的的各個(gè)板的最大von Mises應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行比較。在保證樁腿未超過(guò)許用應(yīng)力的情況下，計(jì)算不同工況下，主船體部分隨滑移距離變化的最大應(yīng)力。

6.2.1 主船體板材校核

樁腿滑移極限距離時(shí)主船體各工況板材強(qiáng)度見(jiàn)表4。

表4 樁腿滑移極限距離時(shí)主船體各工況板材強(qiáng)度

由于平臺(tái)剛度比樁腿要大，所以，在極限滑移距離范圍內(nèi)，主船體板材強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)，滑移方向在0°和60°時(shí)對(duì)主船體板材影響較大。

6.2.2 固樁區(qū)板材校核

樁腿滑移極限距離時(shí)固樁區(qū)各工況板材強(qiáng)度見(jiàn)表5。

表5 樁腿滑移極限距離時(shí)固樁區(qū)各工況板材強(qiáng)度

由于樁腿在發(fā)生滑移時(shí)，固樁區(qū)板材與樁腿會(huì)發(fā)生直接接觸，該處板材設(shè)計(jì)時(shí)采用了高強(qiáng)度板材，且厚度相對(duì)增加。因此，相對(duì)主船體板材，強(qiáng)度相對(duì)較大；同樣，滑移方向在0°和60°時(shí)對(duì)主船體板材影響較大，且在安全范圍內(nèi)。

6.3 RPD分析

樁腿滑移導(dǎo)致同一樁腿不同主弦管上相同標(biāo)高的齒條節(jié)點(diǎn)相對(duì)于同一水平的其他弦管產(chǎn)生了高度差。根據(jù)操作手冊(cè)可知，在船體正常升降時(shí)允許的最大RPD為51.5 mm，預(yù)壓載升降時(shí)允許的最大RPD為44.1 mm，預(yù)壓載保持期間允許的最大RPD為38.2 mm。樁腿滑移發(fā)生在未壓載情況下，因此其最大RPD不超過(guò)51.5 mm。由于設(shè)置了艏部樁腿滑移，其他2只樁腿鉸支，在滑移過(guò)程中，3個(gè)樁腿均會(huì)產(chǎn)生不同程度的RPD值，本文對(duì)3個(gè)樁腿中RPD值最大的樁腿進(jìn)行了RPD分析，如果RPD值最大的樁腿滿足規(guī)范要求，則其余2樁腿也滿足要求；5種工況下不同方向滑移距離與RPD關(guān)系見(jiàn)圖5。

由圖5可知，隨著滑移距離增加，RPD基本呈線性增加，由于未考慮海洋環(huán)境載荷的影響，在樁腿強(qiáng)度承受范圍內(nèi)，極限滑移距離時(shí)對(duì)應(yīng)的最大RPD值為39 mm，未超過(guò)操作手冊(cè)允許的最大RPD，因此在樁腿極限滑移距離內(nèi)，RPD滿足船級(jí)社規(guī)范要求。

圖5 樁腿底部滑移距離與RPD關(guān)系