自升式平臺大型設備底座結(jié)構強度分析

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(中海油能源發(fā)展股份有限公司,天津 300000)

自升式平臺在海洋石油開發(fā)中被廣泛應用，因作業(yè)需要，自升式平臺一般都配備很多大型設備，如主機、發(fā)電機、大功率泵、罐體，以及各類絞車。此類設備一般重量較大，需專門設計底座承載，且底座應位于船體甲板的桁材或加強處，以保證船體甲板強度。大型設備的底座強度分析是自升式平臺設計階段的重要研究內(nèi)容[1-2]。自升式平臺的工況包括拖航工況和工作工況，一般來講，平臺拖航工況是此類底座結(jié)構設計的控制載荷工況[3]。自升式平臺在拖航狀態(tài)下，受水流流體阻力、波浪和氣流的復合作用，平臺體會產(chǎn)生橫向和縱向搖擺運動以及升沉運動。在平臺復雜的運動條件下，重型設備將產(chǎn)生較大的運動慣性力，易對平臺底座結(jié)構造成破壞，因此要求底座具有足夠的結(jié)構強度。為此，針對自升式平臺在拖航工況下底座結(jié)構強度可靠性，從原理和算例分析兩個步驟對平臺應急發(fā)電機底座結(jié)構強度進行分析。

1 計算原理

自升式平臺在橫搖、縱搖及計及升沉運動時，大型設備的水平、垂向加速度滿足如下公式[4]。

水平加速度(g)：

(1)

垂向加速度(g)：

(2)

式(1)為設備繞漂心搖擺產(chǎn)生慣性力的水平/垂向加速度分量；式(2)為由于傾斜，重力產(chǎn)生的水平/垂向加速度分量。

式中：T——平臺的搖擺周期；

rV、rH——設備質(zhì)心距漂心的垂向、水平距離；

θ——平臺的橫傾或縱傾角。

式中考慮升沉為0.2g的加速度。

按中國船級社《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》 自升式海洋平臺遷移工況可分為油田內(nèi)遷移和遠洋遷移，以遠洋遷移為例，作用在設備底座上的力按如下確定：“按周期10 s，單邊橫搖擺幅15°或單邊縱搖擺幅10°時的作用力及平臺在相應傾角時重力作用力的120%求得”。因此利用式(1)和式(2)即可求得底座上的作用力。

梁構件的強度校核可按如下公式[5]，同時承受軸向拉伸和彎曲組合作用的構件，其計算應力應滿足如下公式。

(3)

式中：σa——計算軸向拉伸應力，N/mm2；

[σt]——許用拉伸/彎曲應力，N/mm2；

σby、σbz——構件關于橫截面y和z軸的計算彎曲應力，N/mm2。

同時承受軸向壓縮和彎曲組合作用的構件，其計算應力應滿足如下公式。

(4)

(5)

式中：σa——軸向壓縮應力取絕對值，N/mm2；

σby、σbz——構件關于橫截面y和z軸的計算彎曲應力，N/mm2，取絕對值；

[σa]——構件許用軸向壓縮應力，N/mm2；

[σby] 、[σbz]——構件關于橫截面y和z軸的許用彎曲壓縮應力，N/mm2；

Cm——計算彎矩作用平面內(nèi)屈曲的等效彎矩系數(shù);

其中：

(6)

式中：E——彈性模量，E=2.06×105N/mm2；

ly、lz——桿件關于橫剖面y和z軸的平面內(nèi)無支撐長度，m；

ry、rz——桿件對應于ly、lz的橫剖面回轉(zhuǎn)慣性半徑,m；

Ky、Kz——桿件的有效長度系數(shù)，按計算長度ly、lz兩端的支持情況給出。

本工藝可滿足多領域應用，綜合性能指標優(yōu)異，解決了金屬屋面在溫差大、長期曝曬、降雨、外力與形變等因素影響下多種材料伸縮變形不一致，薄弱部位更易產(chǎn)生滲漏水問題，延長了屋面的使用壽命，符合國家節(jié)能環(huán)保、安全防火政策，突顯其競爭優(yōu)勢，具有廣闊的市場應用前景。

2 算例

以某平臺應急發(fā)電機底座為例，分析其結(jié)構強度是否滿足拖航工況要求。此設備總重9.5 t，底座位于14～23肋位強橫梁之間、距中縱剖面14.90 m的右舷3層生活樓甲板區(qū)域，結(jié)構形式為縱向延伸的T型結(jié)構，且中間有橫梁及肘板加強，見圖1。

圖1 底座結(jié)構示意

2.1 搖擺加速度

以遠洋拖航為例，按式(1)、(2)計算設備拖航狀態(tài)的運動加速度，計算結(jié)果見表1。

2.2 計算工況

此設備底座的計算工況可分為靜載工況、橫搖及升沉、縱搖及升沉3種分析工況。見表2。

表1 遠洋拖航運動應急發(fā)電機加速度

表2 載荷工況

注：W表示設備原來的重量。

2.3 分析方法

將發(fā)電機底座沿長度方向簡化為兩端鉸支的簡支梁，選取最為危險的一根底座梁作為研究對象。

2.3.1 靜載工況

把表2中的設備重量以及相應面積的甲板活載荷轉(zhuǎn)化為底座梁上的均布載荷，見圖2。

圖2 靜載工況

此種工況下，將表2中的橫搖動力彎矩轉(zhuǎn)化為作用于兩根底座梁的拉、壓力偶。選取受到向下作用力的梁作為分析對象，與表2中的設備重量、相應甲板活載荷疊加，轉(zhuǎn)化為梁上的均布載荷，如圖3所示。

圖3 橫搖及升沉工況

2.3.3 縱搖及升沉工況

此種工況下，將表2中的縱搖動力彎矩作用于底座梁或轉(zhuǎn)化為線性分布載荷，與表2中的設備重量、相應甲板活載荷疊加，載荷分布見圖4。

2.3.4 底座梁特性

底座梁剖面特性應計入帶板及甲板下縱骨對

圖4 縱搖及升沉工況

其的影響。算例的底座梁剖面見圖5。截面參數(shù)見表3。

圖5 底座梁剖面

軸向面積/cm2Y向剖面模數(shù)/cm3上邊下邊Z向剖面模數(shù)/cm3左邊右邊剪切面積/cm2Y向Z向93.871 52588420427352.8741

2.4 計算結(jié)果分析

將上述梁模型各個工況進行求解，得到應力并按公式(3)、(4)對其強度進行校核，計算結(jié)果見表4。

表4 底座梁強度校核結(jié)果

由表中計算結(jié)果可知，底座梁結(jié)構分析UC值都小于1，所以強度滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

1)拖航工況作為設備底座設計的控制工況，拖航時產(chǎn)生的軸向及側(cè)向載荷可忽略不計，但產(chǎn)生的搖擺動力彎矩對底座結(jié)構強度影響較大；

2)算例中，平臺應急發(fā)電機底座結(jié)構最大彎曲應力和剪切應力均在規(guī)范要求范圍之內(nèi)，能夠滿足復雜運動條件下的安全生產(chǎn)要求。

[1] 李潤培,王志農(nóng).海洋平臺強度分析[M].上海：上海交通大學出版社,1992.

[2] 陳 宏，李春詳.自升式鉆井平臺的發(fā)展綜述[J].中國海洋平臺,2007,22(6):4-5.

[3] 李紅濤，李 曄.自升式鉆井平臺結(jié)構強度分析研究[J].中國海洋平臺，2010,25(2)：28-33.

[4] 中國船級社.海上拖航指南[M].北京：人民交通出版社，1997.

[5] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2005.