自升式鉆井平臺系統(tǒng)中的樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

張大偉

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

隨著能源需求量日益增加，石油需求持續(xù)增長，但陸地石油資源逐步漸少，海洋油氣開發(fā)越來越受關(guān)注。對海洋自升式鉆井平臺普遍應(yīng)用在不超過200m近海海域石油開采活動(dòng)。而平臺作業(yè)在50m以上時(shí)，便需設(shè)計(jì)樁靴結(jié)構(gòu)，由于此種結(jié)構(gòu)起著積極的推動(dòng)作用，可讓海床土壤對該平臺獲得非常高的承載力，很多樁靴均具有一個(gè)明顯的錐點(diǎn)，使樁腿插入深度更小及淺樁靴插入滑移風(fēng)險(xiǎn)較小，保障就位作業(yè)安全，便于平臺順利實(shí)施插、拔樁作業(yè)。尤其平臺在抬升條件下，維持整體平臺平穩(wěn)安全地位于海床上，防止樁腿受到損害，使樁身保持端正姿態(tài)，更好地進(jìn)入到土層持力層，實(shí)施鉆井作業(yè)。所以科學(xué)合理設(shè)計(jì)樁靴保持一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有助于保障整體平臺安全性能。自升式鉆井平臺處于非常惡劣的作業(yè)環(huán)境當(dāng)中，不同類型載荷工況較為復(fù)雜，所以，著重分析及計(jì)算樁靴結(jié)構(gòu)，這是此平臺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。馬延德等研究中具體分析了CJ70自升式鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，闡述了部分原理及手段，而討論關(guān)鍵為樁腿計(jì)算，對樁靴部分只給出了理論公式，缺少具體的計(jì)算；胡安康等研究中參照美國船級社(ABS)規(guī)范對400英尺水深自升式平臺中兩類樁靴結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行完善，同時(shí)做出了分析及比較，得出了一類比較好的樁靴結(jié)構(gòu)形式，而在計(jì)算具體強(qiáng)度方面，并不具體。以下結(jié)合對其的了解，以某自升式平臺的樁靴為例，進(jìn)行分析研究如下。

1 平臺介紹及背景

自升式鉆井平臺屬于一個(gè)海上平臺，它的構(gòu)成包括駁船形船體、鉆臺、上建與升降裝置等。樁靴一般是把船體支撐在水面上，為更好的實(shí)施水瞄占井作業(yè)，其結(jié)合不同地域水深狀況來合理調(diào)整平臺作業(yè)水深高度，抵抗風(fēng)力傳遞作業(yè)載荷等。以某自升式平臺的樁靴為例，該鉆井平臺構(gòu)成部分包括主船體、樁腿、懸臂梁及直升飛機(jī)平臺等結(jié)構(gòu)組成。船體形狀接近三角形箱型平底結(jié)構(gòu)，平臺艏艉中樁腿下端攜帶樁靴。

2 樁靴結(jié)構(gòu)模型

2.1 有限元模型

有限元法屬于一種數(shù)值技術(shù)用作求解偏微分方程邊值問題近似解。在樁靴結(jié)構(gòu)有限元建模中一般使用有限元程序移動(dòng)交換中心。前后處理/求解MSC．Patran/Nastran。為防止影響到滲流場的等勢線分布、流線分布、井產(chǎn)量等，樁靴結(jié)構(gòu)分析模型涵蓋了整體樁靴及與樁靴底部相距16．82m位置的部分樁腿。整體分析模型構(gòu)成包括板、梁單元，樁靴的板材通過板單元實(shí)施模擬，樁腿的弦桿、撐桿通過梁單元進(jìn)行模擬，板、梁單元的過渡利用媒體播放器MPC單元來連接。

2.2 邊界條件

邊界條件，也就是運(yùn)動(dòng)邊界上方程組解需達(dá)到的條件。有限元計(jì)算，不管是Ansys，還是comsol等，歸結(jié)為就是解微分方程。樁靴插入海底過程可認(rèn)為是一種輸入與輸出間緊密配合和相互影響的耦合過程，也即樁靴底部和海底底基二者之間的耦合，因?yàn)闃堆ヅc底基彼此之間會產(chǎn)生作用，在此過程當(dāng)中，底基性質(zhì)變化是一種非線性接觸。

2.3 許用應(yīng)力

樁靴結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度有高強(qiáng)度與甚高強(qiáng)度，楊氏模量（用于描述固體材料抵抗形變能力）E=206800MPa；泊松比（材料單向受拉或受壓時(shí)，橫向與軸向的正應(yīng)變的絕對值的比值）ν=0．3。依據(jù)ABS規(guī)范，安全系數(shù)為1．11。以EH36/DH36/AH36為例，其屈服應(yīng)力355MPa、安全系數(shù)1．11、許用應(yīng)力320/MPa。再如EQ70的屈服應(yīng)力690MPa、安全系數(shù)1．11、許用應(yīng)力621/MPa。

3 樁靴荷載分析

3.1 偏心荷載

偏心荷載，水平荷載在一些條件下將會通過偏心形式作用到群樁基礎(chǔ)上，繼而產(chǎn)生較復(fù)雜的樁土響應(yīng)。因?yàn)楹５椎匦畏浅Ｆ閸?，會受海水沖刷影響，一定程度上使得樁靴底部受力不均勻而產(chǎn)生偏心情況，依照規(guī)范需求，把樁靴所受最大支反力均勻遍布到一半樁靴底面積上對偏心現(xiàn)象給樁靴強(qiáng)度造成的影響考慮在內(nèi)。因?yàn)闃堆バ螤钊鄙賹ΨQ性，形成了偏心荷載Eccentric load case 1(LC6)及2(LC7)兩類偏心工況。

3.2 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載（wind load），空氣流動(dòng)給工程結(jié)果造成的壓力。風(fēng)載荷很大程度上影響平臺穩(wěn)定性，它形成的力矩幾乎在全部載荷總力矩中占一半左右，所以，風(fēng)載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性在校準(zhǔn)平臺樁腿強(qiáng)度方面起到突出意義。遵照船級社相關(guān)要求，風(fēng)暴自存工況下，設(shè)計(jì)的無限制區(qū)域作業(yè)平臺風(fēng)速至少100kn以上。

于風(fēng)暴自存工況條件下，樁靴底面積不但要承受最大的支反力，同時(shí)還承受水平剪力施加的影響，此種水平剪力與風(fēng)暴自存工況樁靴得到的最大支反力是相等的，且遭受剪力。此外，還需將影響樁腿疊加的環(huán)境載荷及P-△效應(yīng)考慮在內(nèi)，通過樁腿強(qiáng)度的測算得出。另外，加載35%Lower Guide位置的最大彎矩也包含在內(nèi)，此彎矩加載方式以環(huán)形艙壁為走向從垂直方向上添加點(diǎn)載荷，不同艙壁中載荷在大小上存有差異，繼而生成力矩。

把上述點(diǎn)載荷調(diào)整在合理范圍，讓它的合力矩值與35%Lower Guide位置的最大彎矩保持相等。這時(shí)上述點(diǎn)載荷總體垂直方向的力是F，那么將壓力載荷施加至與整體樁靴底板相垂直的表面，讓此壓力在垂直方向的分力與最大支反力減去Fv保持相等，借助此種手段，可對力矩M、垂向支反力載荷實(shí)施同時(shí)增加。這時(shí)的工況也就是風(fēng)荷載Storm survival case(LC5)。

3.3 預(yù)壓荷載

“預(yù)壓荷載”即先將荷載施加到承載物，讓承載物壓力先達(dá)至設(shè)計(jì)預(yù)壓值，接著趨于正常載荷的流程。平臺主體依據(jù)鉆井作業(yè)需求，上升舉升，在還未達(dá)到規(guī)定要求高度開始前，一定要對所有樁腿實(shí)施預(yù)壓，讓樁腿底基所受載荷能稍微至風(fēng)暴條件下，會形成最大軸向力。按照總體強(qiáng)度。進(jìn)行測算，預(yù)壓載工況條件下，平臺各樁靴所受最大垂向力1．12073×105kN，因?yàn)楹５椎谆嬗胁町?，樁靴不同于海底接觸范疇，選取6類工況，同時(shí)在不超出接觸范疇內(nèi)通過均布力形式加載到樁靴底部。

樁靴內(nèi)圈以2．4375m作為半徑，剩下的3個(gè)環(huán)形 艙 壁 各 是 A：r=4．5725m、B：r=6．8025m、C：r=8．9925m。樁靴底部和水平所呈的夾角是10．12°計(jì)算時(shí)，如果樁靴底部與海底在不超過接觸范圍條件下承受均布壓力P，該壓力和接觸面保持垂直，但最大升樁力加上樁腿重力所受的力為1．12073×105kN，與水平面保持垂直，且方向向下，在堅(jiān)持平衡原理?xiàng)l件下，二者于垂向上矢量總和為零。

4 生存概況

生存工況即平臺在承受極端環(huán)境載荷過程中，終止鉆井，同時(shí)尚能自存，對生存工況而言，可變載荷較鉆井具有比較小的作業(yè)工況，而承受較大的環(huán)境載荷。在此種條件下，平臺主體在重力及風(fēng)力作用影響下，樁腿會遭受許多聯(lián)合作用的影響，如浮力、重力等施加的作用。生存工況狀態(tài)下，結(jié)合環(huán)境載荷等一些作用，樁靴底部和海底接觸的范圍并非是均布載荷。

工況分析時(shí)，在三角載荷的協(xié)助下，對樁靴底部所受載荷實(shí)施模擬。同時(shí)加載水平方向的力，彎矩均與環(huán)境載荷保持大小相等，但方向不同。分析水深不一樣條件下自升式鉆井平臺0°、90°及180°各樁靴承受的力的狀況，在各類深度下，樁靴承受三種不同方向的力，分別是水平力、垂向力、36%平臺傾覆力承受水平力H，垂向力V以及35%的平臺傾覆力矩M。各記作H、V、M，測出總強(qiáng)度，便可得到上述值。

對環(huán)境載荷下的總強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，樁靴底部受到垂向力與彎矩。彎矩通過三角載荷形式加載至樁靴底面，經(jīng)過簡化，通過公式P(x)=kx+b，D/2＜x＜D/2進(jìn)行描述。

在該公式中，D表示樁靴底面的投影直徑。經(jīng)過計(jì)算，得出結(jié)果數(shù)據(jù)，針對全部工況下的載荷分布，挑選出比較嚴(yán)重的工況，獲得生存條件下的計(jì)算工況。如環(huán)境載荷方向：A：0°、B：90°、C：180°，彎矩M：A：5．26693×105kN·m、B：5．58223×105kN·m、C：5．03000×105kN·m。

5 結(jié)果分析

針對樁靴結(jié)構(gòu)各工況進(jìn)行分析，并計(jì)算，接著比較結(jié)果并匯集。工況計(jì)算過后，僅給出樁靴不同結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相對應(yīng)的計(jì)算工況，樁靴結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

樁靴底板：計(jì)算工況（預(yù)壓載）H3、最大范式等效Von Mises應(yīng)力250MPa、許用應(yīng)力320MPa、UC0．78；三角過渡艙壁：計(jì)算工況（預(yù)壓載）H3、最大范式等效Von Mises應(yīng)力471MPa、許用應(yīng)力495MPa、UC0．0．95；環(huán)形艙壁：計(jì)算工況（預(yù)壓載）H3、最大范式等效Von Mises應(yīng)力287MPa、許用應(yīng)力 320MPa、UC0．780．90；梁單元最大合成應(yīng)力：計(jì)算工況（預(yù)壓載）A、最大范式等效Von Mises應(yīng)力271MPa、許用應(yīng)力 320MPa、UC0．0．85。

6 結(jié)語

樁靴結(jié)構(gòu)是整體海洋平臺結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在具體分析對象上，選取特定自升式鉆井平臺，分析其樁靴結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建了樁靴強(qiáng)度分析力學(xué)模型，在仿真程序幫助下，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)有限元分析模型，研究了該平臺樁靴的載荷精簡后的分析手段。分析了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，遵照相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合實(shí)際環(huán)境，分析并研究了幾類工況情況，一些是危險(xiǎn)工況，也即是我們認(rèn)為的偏心工況，這時(shí)樁靴內(nèi)部承受非常大的應(yīng)力。本次研究分析了預(yù)壓載與生存工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度情況，同時(shí)做出評估。這方面的結(jié)論如下。

①針對樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，獲得了其工程化分析流程；②從樁靴計(jì)算結(jié)果來看，其的主控工況為預(yù)壓載工況；③借助有限元軟件進(jìn)行分析，樁腿連接的三條120°三角形過渡艙壁、樁靴內(nèi)弦桿、樁腿與樁靴連接處肘板主要通過樁靴結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，這些地方的應(yīng)力水平非常高，這些部位在設(shè)計(jì)時(shí)，需要切實(shí)注意；④樁靴底部受力面積逐步增大同時(shí)，樁靴結(jié)構(gòu)在應(yīng)力分布方面得以優(yōu)化。

平臺的總體設(shè)計(jì)包含了諸多要素，各要素間的關(guān)系十分緊密，且是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。在自升式鉆井平臺設(shè)計(jì)方面，樁腿與樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的計(jì)算是結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中較為關(guān)鍵的內(nèi)容，為后續(xù)結(jié)構(gòu)分析工作的開展創(chuàng)造了前提條件。以上結(jié)構(gòu)包含的結(jié)構(gòu)計(jì)算原理及載荷種類復(fù)雜，不易進(jìn)行計(jì)算，給具體工作開展帶來了一定的難度，設(shè)計(jì)者需要結(jié)合平臺作業(yè)的特征，同時(shí)參照相關(guān)需求，明確不同的主要要素，以讓設(shè)計(jì)結(jié)果適用，且合適，不存在冗余的情況。事實(shí)上樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在有限元計(jì)算下結(jié)果證實(shí)符合強(qiáng)度需求，該平臺樁靴得到了相關(guān)認(rèn)證，且在具體實(shí)際設(shè)計(jì)中得到使用。該次研究可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析提供較好的引導(dǎo)及幫助。

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