深水導管架平臺裙樁套筒局部強度有限元分析

摘" " 要：深水導管架平臺的裙樁使得平臺具有良好的整體承載能力，在海洋油氣開發(fā)及海上風電開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。導管架專用分析軟件SACS并不具備對裙樁套筒這一復雜結構進行局部詳細力學分析的功能，而裙樁套筒是連接群樁與導管架主體的關鍵構件，對導管架結構的穩(wěn)定性和安全性至關重要。采取SACS專用工程軟件結合ABAQUS通用有限元軟件開展裙樁套筒強度分析。首先，通過SACS軟件對深水導管架整體結構進行靜力計算，確保導管架的整體性能滿足要求；然后，分別提取整體模型靜力分析結果中樁頭力、彎矩、剪力以及UC值最大工況下群樁套筒各截斷位置的邊界條件，輸入ABAQUS建立的群樁套筒詳細結構有限元模型進行更為準確的局部校核，從而確保了深水導管架平臺及裙樁的安全性和穩(wěn)定性。

關鍵詞：裙樁套筒；局部構件；截斷位置；強度校核；有限元模型

Finite element analysis of local strength of deepwater jacket platform skirt sleeve

SHI Changwei1， GUO Hongsheng1， YUE Qi1， WANG Yi2， LIU Jie2， DU Haowen2

1. CNPC Offshore Engineering Company Limited， Beijing 100028， China

2. College of Safety and Ocean Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China

Abstract：The skirt pile of the deepwater jacket platform makes the platform have good overall carrying capacity， and plays an important role in offshore oil and gas development and offshore wind power development. An analysis software specifically used in jacket， SACS， cannot conduct local detailed mechanical analysis on the complex structure of the skirt pile sleeve. However，" the skirt pile sleeve is the key component connecting the pile group and the jacket body and is crucial to the stability and safety of jacket structure. SACS special engineering software combined with ABAQUS generic finite element software is utilized to carry out the strength analysis of the skirt pile sleeve. Firstly， the static calculation of the overall structure of the deepwater jacket is carried out by SACS software to ensure that the overall performance of the jacket meets the requirements. Then， the pile head force， bending moment， shear force， and the boundary conditions of each cutoff position of the pile group sleeve under the maximum UC condition in the static analysis results of the overall model are extracted respectively， and the detailed structural finite element model of pile group sleeve established by ABAQUS is input for more accurate local check， thus ensuring the safety and stability of the deepwater jacket platform and skirt sleeve.

Keywords：skirt sleeve; local member; truncation position; intensity check; finite element model

我國深水海域蘊藏著豐富的石油和天然氣資源，導管架平臺作為應用最為廣泛的海洋油氣生產設施，在深水油氣開發(fā)中發(fā)揮著重要作用[1]。大型深水導管架平臺多采用裙樁設計，即在主樁腿附近設置多個裙樁，以提高平臺的整體承載能力。

裙樁套筒是鋼樁與導管架之間的連接構件，在載荷傳遞的過程中發(fā)揮著至關重要的作用，通過它可將平臺荷載傳遞到鋼樁，通常由以下幾部分組成：主結構導管、套筒、剪力板（Shear plate）、軛狀作用板（Yoke plate）、裙板和群樁套筒導向等[2]。連鑫等[3]和劉全剛等[4]通過簡化裙樁套筒的力學模型，提出了一種基于SACS的裙樁套筒吊裝建模方法；王暉等[5]運用有限元軟件采用不同模擬方式對海洋平臺的群樁套筒進行疲勞預測分析；余建星等[6]和候國華等[7]從有限元的基本理論出發(fā)，對新型海洋平臺裙樁套筒結構進行有限元強度分析及計算；陳邦敏等[8]采用局部截斷的方法對裙樁套筒進行了詳細的有限元分析。

雖然相關研究對裙樁套筒的局部強度和吊裝進行了有限元分析，但局部模型邊界條件獲取等問題仍是準確開展裙樁套筒復雜結構的局部強度計算的關鍵。本文綜合運用專用工程軟件SACS和通用有限元軟件ABAQUS開展深水導管架平臺裙樁套筒強度分析，從而更全面地掌握裙樁套筒的受力和變形情況，可更好地保證導管架平臺的整體性能和局部構件的穩(wěn)定性。

1" " 裙樁套筒局部強度計算方法

對深水導管架裙樁套筒進行局部強度分析，首先，根據分析獲得的平臺動力放大系數（DAF）對整個導管架結構進行靜力學分析，分析彎矩、剪力、樁頭力等在各危險工況時最大受力位置情況以確定受力最大的裙樁套筒；隨后，在受力最大的裙樁套筒及平臺對稱位置的裙樁套筒處，提取截斷位置的邊界條件；最后，在ABAQUS中建立裙樁套筒詳細局部模型，并恢復提取位置的邊界條件，在確保局部模型與實際結構一致的情況下進行計算分析，并評估計算結果是否滿足設計和工程要求。

整個局部分析過程可分為整體模型靜力分析、截斷位置邊界條件提取、局部詳細模型建立及邊界條件恢復等步驟，以確保裙樁套筒的結構細節(jié)在各種工況下其結構性能滿足設計標準。

1.1" " 整體模型靜力分析

在對深水導管架平臺進行靜力學分析時，一般首先利用波浪譜和多個隨機數生成不同方向的隨機波浪，然后分別求得每個隨機波浪的最大動態(tài)和靜態(tài)基底剪力，取不同隨機波浪的最大動態(tài)與最大靜態(tài)基底剪力比值的均值作為動力放大系數[9]。通過求得的動力放大系數來建立組合系數，然后選擇一年一遇和百年一遇時間跨度的環(huán)境載荷進行深水導管架平臺的靜力分析[10]，根據分析結果求得受力最大處的裙樁套筒及其邊界條件，為局部強度分析奠定基礎。

1.2" " 邊界條件的提取

裙樁套筒作為整個導管架的一部分，其局部模型中截斷位置與其相連的結構對它的約束即是其荷載及邊界條件。其中包括位移邊界約束和力邊界約束，各邊界約束簡化符合圣維南原理，即簡化邊界不能對關注區(qū)域的結果產生顯著影響。

1）位移邊界約束：由于SACS建模使用了全局坐標系，為避免坐標系變換，在構建局部模型時應保證ABAQUS與SACS中的全局坐標系一致。從SACS中直接提取各個截斷點的坐標，并將其應用于ABAQUS局部模型中[11]。

2）力邊界約束：SACS中截斷點的力在局部坐標系下提取，而ABAQUS中的節(jié)點坐標系與全局坐標系一致，添加力約束時需要在ABAQUS約束節(jié)點建立與SACS對應桿件局部坐標系。為方便在局部模型中施加邊界條件，在裙樁套筒的樁截斷點處提取桿件的力和彎矩，在斜撐的截斷點處提取截斷點的位移。

1.3" " 邊界條件的恢復

為了在截斷管柱的圓心位置將節(jié)點上的力施加到截斷的環(huán)形面上，可以使用ABAQUS中的Coupling來實現。通過耦合將參考點上的位移和力傳遞到與之耦合的管柱截面上，實現了在截斷環(huán)形面上施加邊界條件的目的。這種方法能夠確保SACS整體模型中的載荷邊界條件準確轉換到ABAQUS局部模型中，并確保在模型中保留節(jié)點上的邊界條件信息。

2" " 案例分析

2.1" " 導管架平臺整體靜力分析

本文選擇南海某在研200 m水深的深水導管架為例開展研究，共有8個水平層、8條腿和16個裙樁，由 K 形支撐和 X 形支撐混合方案組成；導管架對角線處有4條腿，每條腿有4個裙樁（如圖1所示）。裙樁套筒的編號以導管腿編號為基礎，導管腿編號為A1、A4、B1、B4，裙樁套筒編號為A1-1、A1-2、A1-3，A4-1、A4-2、A4-3，B1-1、B1-2、B1-3，B4-1、B4-2、B4-3。環(huán)境參數見表1，水動力系數見表2，海生物厚度見表3，最大內波配置見表4。

在SACS中進行整體計算時，共考慮了96種計算工況，如下所示：

工況L01至工況L24 為操作工況（一年一遇）；

工況L25至工況L48 為極端工況（百年一遇）；

工況L011至工況L241 為操作工況+內波工況；

工況L251至工況L481為極端工況+內波工況。

使用SACS波響應模塊進行隨機波響應分析，為每個波的方向生成30個隨機波分布。波響應程序在總3 600 s的時間內以0.5 s間隔產生隨機波。利用Pierson-Moskowitz波譜獲得動態(tài)波響應。由最大動態(tài)基剪切與相關的靜態(tài)基剪切的比值來確定動態(tài)放大系數。計算每個波廓的動態(tài)放大系數，然后取平均值得到每個方向的總動態(tài)放大系數。通過得到的動態(tài)放大系數來建立組合系數，隨后進行靜力分析。從圖2桿件靜力分析結果可知，各工況下平臺所有桿件最大UC值為0.934，所有節(jié)點最大UC值為0.981。

2.2" " SACS中邊界條件的獲取

由SACS靜力分析結果可知， B4導管腿的裙樁套筒在L421工況下的樁頭力、UC值、彎矩值、剪力值均為最大值。本文選擇B4導管腿的裙樁套筒和其對稱位置A1導管腿的裙樁套筒作為局部分析對象。

B4導管腿的裙樁套筒中，樁在PLA5、PLA6、PLA7、PLA8處截斷，斜撐在K43X、KK3X、JK3X、3K4L、K32X處截斷，主腿在JK4L處截斷，截斷點在SACS整體模型中的位置情況如圖3所示。各截斷位置提取的力和位移等邊界條件如表5和表6所示。

同理， A1導管腿的裙樁套筒中的樁在PLB1、PLB2、PLB3、PLB4處截斷，斜撐在KB1X、KB31、KB2X、JB3X、J1BX處截斷，主腿在JB3L處截斷，各截斷位置提取的力和位移等邊界條件如表7和表8所示。截斷點在SACS整體模型中的位置情況如圖4所示。

2.3" " ABAQUS中群樁套筒模型建立

在ABAQUS中采用4節(jié)點殼單元S4R建立兩個裙樁套筒模型，如圖5所示。

將SACS中提取到的邊界條件重新恢復到ABAQUS模型時，需要考慮具體使用材料的屬性。對于鋼材，其彈性模量為2.1×1011 Pa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3；水泥材料的彈性模量為1.51×1010 Pa，泊松比為0.22，密度為1 000 kg/m3。其中水泥不作為校核的對象，僅僅用于模擬整體的剛度以保證計算結果更為準確。

2.4" " 仿真結果分析

經計算得到B4和A1導管腿裙樁套筒的詳細應力結果見表9，應力分布如圖6、圖7所示。從局部分析結果可以看出，在樁頭力、UC值、彎矩值和剪力值均為最大值的工況條件下，裙樁套筒各部位的Mises應力均滿足材料強度需求，表明其在最危險工作狀態(tài)下完全滿足設計要求。

3" " 結論

本文針對深水導管架平臺裙樁套筒，建立了SACS整體靜力分析結合ABAQUS局部分析進行裙樁套筒強度分析的方法，可以確保準確模擬分析裙樁套筒的強度，使其更符合工程實際要求。通過案例分析取得如下主要結論。

1）在SACS中提取危險工況時，應綜合考慮樁頭力、UC值、彎矩和剪力最大等多個校核工況，同時應選擇導管腿的裙樁套筒和其對稱位置導管腿的裙樁套筒作為局部分析對象，以確保后續(xù)局部強度分析的可靠性。

2）在ABAQUS中建立的局部模型的邊界條件恢復中，應與SACS模型坐標系保持一致，并根據實際情況進行坐標轉換。

參考文獻

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作者簡介：

施昌威（1984—），男，湖北仙桃人，高級工程師，2009年畢業(yè)于長江大學機械工程學院，現在主要從事海洋結構物設計與研究工作。" Email：shicw.cpoe@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-03-20