自升式平臺結(jié)構(gòu)強度與疲勞分析設(shè)計方案

張東升，胥永曉

（山東交通學(xué)院船舶與港口工程學(xué)院，山東 威海 264209）

0 前言

海洋石油的開采與天然氣能源開發(fā)、近海海床勘探和沿岸工程建設(shè)需要各種類型的海洋工程裝備為載體，因為自升式鉆井平臺穩(wěn)固性好、定位能力強、鉆井深度大且能適應(yīng)較惡劣的自然環(huán)境，所以在海洋資源開發(fā)領(lǐng)域占有絕對性的優(yōu)勢。自升式平臺同時具備海洋平臺與自航式運輸安裝船的特點，可為鉆修井作業(yè)、甲板承載、海上吊裝、海上生活等提供多功能海洋平臺支持，同時還可用于海洋資源勘探開發(fā)、人工島礁建設(shè)、海洋旅游平臺開發(fā)、海底整平清淤等。由于自升式鉆井平臺作業(yè)工況復(fù)雜煩瑣、工作環(huán)境惡劣多變等因素，對平臺的力學(xué)性能和失效模式影響巨大，并且隨著平臺鉆井深度的增加，這些問題更加明顯，嚴(yán)重威脅了平臺在海上工作的安全性。

自升式海洋平臺開發(fā)及其核心技術(shù)的研發(fā)是當(dāng)前國內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域的研究熱點，如何在滿足實際工程需要和設(shè)計規(guī)范的條件下，研發(fā)新型海洋工程裝備、突破設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)是學(xué)術(shù)界長期以來努力的方向[1]。本研究針對某自升式海洋平臺，基于海工軟件SESAM建立平臺的有限元模型，依據(jù)船級社規(guī)范對自升式平臺在不同作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)強度以及樁腿的疲勞壽命分析做了研究方案設(shè)計，為在役平臺提供了結(jié)構(gòu)分析和疲勞壽命評估的方法和手段，為開發(fā)自升式海洋平臺提供了設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)儲備。

1 研究現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的發(fā)展與海洋工程領(lǐng)域的實踐檢驗，自升式鉆井平臺設(shè)計建造應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)趨于完善，近年來國內(nèi)外學(xué)者對于自升式平臺的研究大致可以分為以下方面：不同隨機環(huán)境載荷的組合分析，平臺結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能與平臺樁腿的疲勞壽命的評估。

1.1 國外研究進展

Alati等基于經(jīng)過驗證的簡化線性分析概念，考慮隨機環(huán)境載荷情況，并將空氣動力載荷和流體動力載荷進行疊加，對海上風(fēng)力渦輪機的鋼三腳架和導(dǎo)管架撐桿結(jié)構(gòu)進行隨機時域疲勞分析，并進行比較[2]。Halil等針對海洋裝備的可靠性進行了研究，給出了結(jié)構(gòu)可靠性的基本定義和研究分析方法，說明了三級可靠性方法的數(shù)值積分（NI）和蒙特卡羅模擬（MCS）技術(shù)，明確了海洋結(jié)構(gòu)物疲勞損傷和可靠性的算法以及技術(shù)路線圖。Tang等研究了三種類型的桁架腿在預(yù)壓載工況、鉆井工況和風(fēng)暴自存工況下的穩(wěn)定性。研究表明，最大應(yīng)力出現(xiàn)在弦桿上，K型、倒K型都能滿足共振要求，且K型在預(yù)壓載工況下具有較好的穩(wěn)定性，倒K型在鉆井、風(fēng)暴自存工況下具有較好的穩(wěn)定性[3]。等采用一種基于模型的載荷估算法，通過間接測量海洋結(jié)構(gòu)物上的載荷，基于結(jié)構(gòu)的降階模型，借助離散卡爾曼濾波器對系統(tǒng)未知狀態(tài)進行實時遞歸估計，利用模擬數(shù)據(jù)對規(guī)則波和不規(guī)則波進行了驗證[4]。Mirzadeh等通過考慮結(jié)構(gòu)材料的特性和幾何非線性以及非線性樁-土相互作用建立有限元模型，采用NewWave和Constrained NewWave兩種波浪理論模擬水面運動和水粒子運動，對二維和三維波浪模型進行了分析，研究了海浪的方向性和隨機性對自升式平臺樣本整體結(jié)構(gòu)性能的影響，并依據(jù)甲板和樁靴的基礎(chǔ)位移對結(jié)果進行了比較[5]。

1.2 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)船舶與海洋工程領(lǐng)域的學(xué)者針對自升式鉆井平臺也開展了大量的研究。蒙占彬等基于ANSYS針對某自升式平臺的樁腿結(jié)構(gòu)強度及平臺的穩(wěn)定性進行了分析方法介紹，并提出了一種考慮樁腿鎖緊裝置的優(yōu)化計算方法[6]。丁勇借助有限元軟件ANSYS建立自升式平臺模型，依據(jù)四種作業(yè)工況和環(huán)境載荷進行了有限元分析計算，校核了樁腿和樁靴的強度和穩(wěn)定性，從而為海洋平臺的樁腿結(jié)構(gòu)安全評估給出較為全面的依據(jù)[7]。楊光等基于NAPA分析軟件建立自升式平臺風(fēng)力矩模型以及SACS模型，計算作用在平臺上的波浪海流載荷，并根據(jù)P-Δ效應(yīng)求出平臺的附加力矩。最后得出平臺在風(fēng)暴自存工況下的抗傾覆安全系數(shù)[8]。周炳煥等針對自升式平臺桁架式樁腿在風(fēng)暴遷移工況時對結(jié)構(gòu)外力、內(nèi)力以及應(yīng)力衡準(zhǔn)進行分析，依據(jù)規(guī)范要求對樁腿進行結(jié)構(gòu)強度分析，其結(jié)果為自升式平臺桁架式樁腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)支持[9]。

郭海強等利用SACS軟件模擬平臺所受的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷，考慮了波浪慣性矩和橫向位移引起的P-Δ效應(yīng)，對平臺在三種工況下的樁腿強度進行分析，并根據(jù)AISC規(guī)范對樁腿強度進行校核，還分析了平臺的預(yù)壓載能力和樁靴的承載能力，并對平臺的抗傾覆穩(wěn)性進行了校核[10]。

黃曌宇等基于SACS分析軟件和斯托克斯五階波浪理論，通過采用波浪不同的浪向角對動態(tài)放大因子（DAF）進行計算，并分析了不同DAF產(chǎn)生差異的原因。得出不同浪向角下DAF與周期比的變化趨勢基本一致；不同的水動力將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移和加速度的產(chǎn)生變化；當(dāng)水動力的1、2階諧波疊加時，DAF值將會增大[11]。尚謹(jǐn)以抗滑移能力反向推算自升式平臺垂直方向所能承受的極限載荷，并把得出的試驗值與經(jīng)典插樁理論公式得出的最大承載力進行比較。結(jié)果表明：基于經(jīng)典插樁理論公式得出的最大承載力明顯小于現(xiàn)場勘測的試驗值，而基于抗滑移能力計算出的插樁阻力與試驗值基本吻合[12]。

孫承猛等基于定位考慮對帶月池的深水作業(yè)鉆井船的漂移載荷進行了時域模擬分析，得到不同方向、不同環(huán)境條件下各項漂移力的統(tǒng)計值和統(tǒng)計特征[13]。

2 主要研究內(nèi)容

本研究針對適用于最大水深122 m、樁腿總長167 m、型深9.45 m的自升式平臺在不同工況下的平臺結(jié)構(gòu)強度及樁腿疲勞壽命進行研究，具體工作如下。

1）基于DNV的SESAM軟件建立自升式鉆井平臺的有限元模型，并依據(jù)《移動平臺規(guī)范》的要求和平臺的工作海域環(huán)境確定風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷的理論基礎(chǔ)與研究方法。

2）對正常作業(yè)工況、遷移工況和自存工況進行環(huán)境載荷模擬計算。其中在對于波流載荷的計算中，對入射角的選取進一步合理細(xì)化，研究不同入射角度下的波流相位角與波流力的關(guān)系，以便準(zhǔn)確地計算出不同工況下的環(huán)境載荷。

3）將不同工況下的最大環(huán)境載荷與作業(yè)載荷作為系統(tǒng)輸入，并確定樁腿與平臺上部連接處的邊界條件，對平臺進行靜力學(xué)分析和動態(tài)響應(yīng)分析，然后基于累積損傷理論利用SESAM軟件對自升式平臺的樁腿進行疲勞壽命評估，得到樁腿在發(fā)生疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。

4）依據(jù)船級社規(guī)范對平臺在正常作業(yè)工況和風(fēng)暴自存工況下的抗傾覆穩(wěn)性進行校核計算。

3 研究方案設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)強度分析

基于SESAM軟件的GeniE模塊建立平臺的有限元模型，計算平臺在自身工作載荷和環(huán)境載荷作用下發(fā)生的位移與應(yīng)力，獲得平臺各構(gòu)件的應(yīng)力分布情況并按照應(yīng)力衡準(zhǔn)規(guī)范進行強度校核，其分析流程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)強度分析流程圖

3.2 疲勞強度分析

基于SESAM軟件運用譜分析法評估自升式平臺樁腿在波流載荷作用下的疲勞強度，其評估流程如圖2所示。

圖2 疲勞強度評估流程圖

本研究方案考慮平臺全生命周期中遭遇的所有環(huán)境載荷及其組合，創(chuàng)新性地提出波浪相位角、波流耦合作用、水動力慣性作用以及幾何非線性載荷對平臺安全性的綜合效應(yīng)，得到對平臺影響最惡劣的特征載荷，分析過程更加合理，結(jié)果更加可靠。

4 結(jié)語

通過對自升式平臺的結(jié)構(gòu)強度及樁腿的疲勞分析，進而可得到一種新型、高強度、高效率作業(yè)平臺的優(yōu)化方案，不僅能節(jié)約建造成本還能提高海洋平臺的可靠性。使得自升式平臺能夠適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)工況，成功應(yīng)對惡劣的海洋環(huán)境和多變的突發(fā)狀況，防止海洋平臺因結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生，對保障平臺上工作人員的生命安全和財產(chǎn)安全具有一定的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。