波流耦合力對(duì)海洋平臺(tái)樁腿楔塊的影響

成 建，李永正，岳亞霖

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

20世紀(jì)以來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)于石油、天然氣等自然能源的需求正不斷增長(zhǎng)，然而由于過(guò)往對(duì)于陸地資源過(guò)度開(kāi)采，無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速的資源消耗，世界各國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展海洋資源。自升式海洋平臺(tái)作為在海上進(jìn)行鉆井、采油、集運(yùn)、觀測(cè)、導(dǎo)航、施工等活動(dòng)提供生產(chǎn)和生活設(shè)施的構(gòu)筑物，對(duì)于海洋資源的開(kāi)發(fā)起著十分重要的作用。然而自升式海洋平臺(tái)承受波流耦合力等多種載荷的影響，平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效和平臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞時(shí)有發(fā)生。為了使得海洋平臺(tái)安全使用壽命獲得延長(zhǎng)，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究需要不斷深入。

本文以自升式海洋平臺(tái)作為研究對(duì)象，通過(guò)Ansys 有限元軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究。

1 自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)

由于受到各種海洋環(huán)境的考驗(yàn)，海洋平臺(tái)在工作時(shí)受到風(fēng)、浪、流等外部載荷的影響。諸如海洋平臺(tái)楔塊等結(jié)構(gòu)構(gòu)件面臨不同程度的損耗過(guò)快、壽命低下的缺陷，需要頻繁更換。為了保證海洋平臺(tái)更加合理安全運(yùn)作，對(duì)于目前自升式海洋平臺(tái)的平臺(tái)樁腿楔塊需進(jìn)行改進(jìn)?？紤]到波流耦合力對(duì)于海洋平臺(tái)樁腿以及楔塊的影響，通過(guò)研究自升式海洋平臺(tái)受到的各種外載荷對(duì)于海洋平臺(tái)楔塊的影響，從而能夠?yàn)楹Ｑ笃脚_(tái)楔塊性能得以改善奠定基礎(chǔ)。

自升式平臺(tái)由上層平臺(tái)結(jié)構(gòu)和下部樁腿結(jié)構(gòu)組成，導(dǎo)管架底端通過(guò)樁基礎(chǔ)固定。上層平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐框架和甲板，主要提供生產(chǎn)和生活場(chǎng)地，其外形為矩形，為了簡(jiǎn)化模型，尺寸為6 m ×6 m，水面至頂層甲板高度為6 m。本文只建立一個(gè)樁腿，組成空間結(jié)構(gòu)。該海洋平臺(tái)的主尺度為:圓樁結(jié)構(gòu)的半徑為3 m，樁腿高度為75 m;在平臺(tái)與樁腿之間設(shè)置28個(gè)楔塊，用于對(duì)樁腿的固定。

2 海洋平臺(tái)有限元模型建立

由于本文主要研究波流耦合力對(duì)海洋平臺(tái)楔塊的影響，因此只建立一根海洋平臺(tái)樁腿及其周?chē)脚_(tái)，但對(duì)于海洋平臺(tái)樁腿周?chē)▔K處進(jìn)行相應(yīng)的細(xì)化模型建立。

2.1 模型建立

本海洋平臺(tái)模型由自升式海洋平臺(tái)樁腿、海洋平臺(tái)楔塊和楔塊接觸處平臺(tái)組成。其中依據(jù)實(shí)際情形，在固樁區(qū)以此建立28個(gè)海洋平臺(tái)楔塊。采用Ansys 軟件建立海洋平臺(tái)模型，并且根據(jù)重量報(bào)告調(diào)整結(jié)構(gòu)模型重量中心位置。坐標(biāo)系按照X 軸為縱向軸，尾部指向首部為正;Y 軸為橫向軸，中心線指向左舷為正;Z 軸為垂向軸，基面向上為正。海洋平臺(tái)模型如圖1所示。

圖1 海洋平臺(tái)模型圖Fig.1 Marine platform model

2.2 邊界條件

1)固樁架下固樁平臺(tái)(包括上固樁平臺(tái))平面內(nèi)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁腿局部結(jié)構(gòu)剛度，可近似認(rèn)為固樁平臺(tái)原平面幾何形狀在力的作用下不變，即固樁平臺(tái)對(duì)楔塊支持為剛性支持。

2)為防止樁腿產(chǎn)生剛體位移，在樁腿與楔塊的連接點(diǎn)給予垂向約束。

2.3 材料屬性

本平臺(tái)樁腿及海洋平臺(tái)楔塊都采用船用高強(qiáng)度鋼D32。

2.4 工況

本文考慮波流耦合力對(duì)海洋平臺(tái)楔塊影響最大的自存和作業(yè)2 種海洋情況，分別進(jìn)行樁腿楔塊靜力分析。另外針對(duì)這些結(jié)果，考慮平臺(tái)分別服役在浪向分別在0°，60°，90°，120°，180°時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)研究。

3 強(qiáng)度分析

3.1 風(fēng)載荷

在進(jìn)行海洋石油結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的風(fēng)速，應(yīng)取決于長(zhǎng)期的實(shí)測(cè)資料，本質(zhì)上風(fēng)載荷是動(dòng)態(tài)的，但一些結(jié)構(gòu)對(duì)它的反應(yīng)幾乎為靜態(tài)形式。持續(xù)風(fēng)速用于計(jì)算整個(gè)平臺(tái)的風(fēng)載荷，而陣風(fēng)風(fēng)速則用于單個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

由于空氣在一定速度下運(yùn)動(dòng)時(shí)，作用在平面和曲面上的理論風(fēng)壓力是空氣的動(dòng)能函數(shù)，因此可用數(shù)學(xué)關(guān)系式表示如下:

設(shè)承受風(fēng)壓的結(jié)構(gòu)物投影面積為A，則可將總風(fēng)力F 表示為:

式中:F為風(fēng)載荷，N;K為風(fēng)載荷形狀系數(shù)，對(duì)梁及建筑物側(cè)壁取1.5，對(duì)圓柱體側(cè)壁取0.5，對(duì)平臺(tái)總投影面積取1.0;KZ為海上風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按規(guī)范取1.0;A為受風(fēng)面積，m2;PO為基本風(fēng)壓，Pa。可按下式計(jì)算:

式中:α為風(fēng)壓系數(shù)，取0.163 N·S2/m4;νt為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

3.2 海流載荷

考慮到本平臺(tái)作業(yè)水深，根據(jù)平臺(tái)作業(yè)水深以及計(jì)算的波浪條件及波浪理論的適用范圍，選擇橢圓余弦波計(jì)算平臺(tái)所受的波浪力。平臺(tái)單腿柱所受的波浪力按Morison 公式進(jìn)行計(jì)算，即:

式中:ρ為海水密度，取ρ=0.1045 N·S2/m4;CD為垂直于構(gòu)件軸線的曳力系數(shù);CM為慣性力系數(shù);D為圓形構(gòu)件直徑，m;u為垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的速度分量，m/s，| u|為其絕對(duì)值;u為垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的加速度分量，m/s2。

3.3 波浪力

波浪力是波動(dòng)的海水作用于物體上的力，一般可以分為阻力、慣性力、撞擊力、壓差力和動(dòng)量反射力5個(gè)主要的力。

對(duì)于自升式海洋平臺(tái)波浪力的計(jì)算，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最基本的任務(wù)，同時(shí)也是最困難的任務(wù)之一，因此一直以來(lái)都是海洋工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。確定作用于自升式海洋平臺(tái)上的波浪載荷，可以采用設(shè)計(jì)波法與隨機(jī)分析法。

針對(duì)本文所研究的自升式海洋平臺(tái)，流載荷按下式計(jì)算:

式中:v為計(jì)算流速，m/s;ρ為海水密度，kN·S2/m4;CD為垂直于構(gòu)件軸線的流力曳力系數(shù);A為構(gòu)件在與流向垂直的平面上的投影面積，m2;

4 主要計(jì)算結(jié)果

4.1 波流耦合力

通過(guò)Ansys 有限元軟件建立模型，考慮本自升式平臺(tái)別服役在浪向分別在0°，60°，90°，120°，180°時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)研究。首先探究波流耦合力與相位角之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 波流耦合力－相位角關(guān)系曲線Fig.2 Wave bonding force-phase angle relation curves

4.2 靜力分析

通過(guò)建立有限元模型，分析本海洋平臺(tái)在不同工況下的結(jié)構(gòu)相應(yīng)，得到楔塊在不同波流耦合力情況下受到的情形。其最大變形如圖3所示。

圖3 海洋平臺(tái)楔塊與樁腿接觸處Fig.3 Offshore platform wedge contact with leg

圖4 海洋平臺(tái)楔塊受力云圖Fig.4 Offshore platform wedge stress nephogram

圖5 海洋平臺(tái)楔塊最大變形處受力云圖Fig.5 Offshore platform wedge maximum deformation stress

5 結(jié) 語(yǔ)

考慮到波流耦合力對(duì)于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，本文結(jié)合海洋平臺(tái)楔塊實(shí)例分析，通過(guò)研究不同波流耦合力對(duì)于楔塊的研究方法。探究理論研究和數(shù)值分析可以得到以下結(jié)論:

1)對(duì)于自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用Ansys 軟件對(duì)于海洋平臺(tái)楔塊等結(jié)構(gòu)構(gòu)件建立具體模型研究。通過(guò)分析波流耦合力對(duì)其影響，可以有利于真實(shí)反映海洋平臺(tái)細(xì)微處的疲勞損耗，對(duì)于具體工程有指導(dǎo)性作用。

2)由結(jié)果可知當(dāng)隨著相位角的改變波流耦合力的大小也隨之改變，開(kāi)始時(shí)隨著相位角增大波流耦合力也隨著增大，但當(dāng)達(dá)到峰值后，隨著相位角繼續(xù)增加，波流耦合力卻不斷減小。

3)波流耦合力對(duì)海洋平臺(tái)楔塊有著十分重要的影響，由于實(shí)際海洋情況的變化，波流耦合力也不斷變化，對(duì)于海洋平臺(tái)楔塊不斷造成損耗。楔塊的背部與平臺(tái)相接處的地方受力最大，并且背面變形較大，造成海洋平臺(tái)楔塊壽命低下。

6 展 望

對(duì)于自升式海洋平臺(tái)楔塊所受波流耦合力的研究有助于對(duì)其后續(xù)結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。目前海洋平臺(tái)楔塊等小型結(jié)構(gòu)構(gòu)件面臨著損耗過(guò)快、使用壽命低下等問(wèn)題，然而楔塊等結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)于海洋平臺(tái)的安全性、經(jīng)濟(jì)性起到十分重要的作用。目前對(duì)于海洋平臺(tái)楔塊等結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本采用簡(jiǎn)化方法，并不能很好地反應(yīng)細(xì)微結(jié)構(gòu)處受到的力的影響。我們不僅應(yīng)當(dāng)關(guān)注海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)性能，還要著眼于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的改進(jìn)，使得海洋平臺(tái)能夠更好地符合我國(guó)國(guó)情，為發(fā)展海洋事業(yè)，為我國(guó)開(kāi)發(fā)與保護(hù)海洋資源做出更好地貢獻(xiàn)。

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