自升式鉆井平臺鉆臺擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

周 駿， 姜 濤， 余 謙

(1．上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240； 2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

海洋石油開采一直是世界各國獲取能源的主要途徑之一。自升式鉆井平臺是海洋石油開采的主要設(shè)備之一，具有造價低、定位能力強和作業(yè)穩(wěn)定的優(yōu)點。本文以美國F&G公司設(shè)計的JU2000E型自升式鉆井平臺為設(shè)計對象，該自升式平臺主要由船體、樁腿、樁靴、懸臂梁和鉆臺等5部分組成。其中，鉆臺作為主要的功能結(jié)構(gòu)之一，可以在懸臂梁上左右移動，再配合懸臂梁的伸縮，擴大了鉆井作業(yè)的范圍，可實現(xiàn)鉆完井作業(yè)、修井作業(yè)和鉆調(diào)整井作業(yè)[1]。

鉆臺上主要布置了為鉆井作業(yè)服務(wù)的鉆井系統(tǒng)、井架等相關(guān)作業(yè)設(shè)備。海上四周空曠，常伴有大風(fēng)，為保證鉆井作業(yè)的安全平穩(wěn)，在鉆臺四周布置一圈擋風(fēng)墻。擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)連接了鉆臺面和二層臺結(jié)構(gòu)，同時需要承受100 kn大風(fēng)的壓力，其結(jié)構(gòu)強度直接影響鉆井作業(yè)和井架的安全。因此鉆臺擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析具有重要的工程意義。本文根據(jù)ABS MODU規(guī)范[2]要求，闡述擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點與優(yōu)化思路，并利用SACS軟件對鉆臺擋風(fēng)墻及支撐結(jié)構(gòu)在正常作業(yè)、拖航等工況下的強度進行分析，并對該結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進行分析。

1 鉆臺擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

1.1 設(shè)計要點

鉆臺擋風(fēng)墻涉及2個設(shè)計要點：一是鉆臺結(jié)構(gòu)自重；二是結(jié)構(gòu)整體剛度。

(1) 鉆臺結(jié)構(gòu)自重。衡量鉆井平臺能力的一個重要指標(biāo)是大鉤載荷。大鉤載荷越大證明其下能夠懸掛的鉆具重量越大。大鉤載荷能力是由懸臂梁和鉆臺的重量決定的。鉆臺作為懸臂梁上的移動載荷，其自重越輕，大鉤載荷越大。在鉆臺設(shè)備均已經(jīng)確定的情況下，降低結(jié)構(gòu)自重是最有效的措施。因此，結(jié)構(gòu)自重是擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時的一個重要指標(biāo)。

(2)結(jié)構(gòu)整體剛度。鉆臺是一個設(shè)備布置密集的工作區(qū)域，鉆臺結(jié)構(gòu)和井架之間的最近距離只有十幾厘米。在設(shè)計時，擋風(fēng)墻要承受大風(fēng)所產(chǎn)生的壓力，還要考慮拖航時的慣性力作用，載荷的疊加容易發(fā)生結(jié)構(gòu)大變形。這就要求擋風(fēng)墻以及支撐結(jié)構(gòu)要有良好的剛性，保證在大風(fēng)和拖航情況下不會引起結(jié)構(gòu)碰撞等問題的發(fā)生。

1.2 設(shè)計方法

(1)剖面屬性。

為了減輕結(jié)構(gòu)重量，選擇槽型艙壁作為擋風(fēng)墻的主體結(jié)構(gòu)。ABS MODU規(guī)范第3部分第2章第2節(jié)給出了槽型艙壁(a×b×d×t)的參數(shù)定義(見圖1)和剖面模數(shù)SM計算公式[2]：

SM=st2/6+adt/2

(1)

圖1 ABS規(guī)范中槽型艙壁參數(shù)定義

(2)設(shè)計載荷。擋風(fēng)墻的主要設(shè)計載荷是由100 kn大風(fēng)產(chǎn)生的均布風(fēng)載荷：

(2)

式中：q為單位面積風(fēng)載荷，N/m2；f=0.611；Ch為高度系數(shù)，1.2；Cs為形狀系數(shù),1.0；Vk為風(fēng)速，100 kn風(fēng)的風(fēng)速為51.5 m/s。

1.3 參考項目的設(shè)計方案

參考項目的設(shè)計方案是在鉆臺2層臺和鉆臺面之間由槽型艙壁(230 mm×70 mm×50 mm×6 mm)連接。槽型由鋼板折彎后拼接而成，整個艙壁的跨度為L=5.6 m，中間有一道扁鋼作為過渡結(jié)構(gòu)，如圖2a)所示。整個結(jié)構(gòu)不但能承受風(fēng)載荷，還提供抗扭、抗剪切性能，屬于主體結(jié)構(gòu)的一部分，但擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)自重達到23 t。

1.4 優(yōu)化設(shè)計

1.4.1 槽型艙壁選型優(yōu)化

參考項目的槽型艙壁是由鋼板拼接而成，但常用海工結(jié)構(gòu)鋼板的最小厚度為6 mm，因此無法通過減小板厚來減輕結(jié)構(gòu)重量，只能摒棄目前的槽型艙壁制作方式。跳出行業(yè)限制，建筑用的波紋板(29 mm×34 mm×35 mm×2.5 mm)(見圖2b))成為了設(shè)計替代品。但波紋板的板厚薄、槽型小、強度弱，無法支撐5.6 m的跨度，必須增加支撐結(jié)構(gòu)使跨度減小到2 m。

圖2 鉆臺擋風(fēng)墻設(shè)計形式

波紋板的各項設(shè)計參數(shù)為a=29 mm，b=34 mm，d=35 mm，t=2.5 mm，L=2 m。由式(1)可得波紋板的剖面模數(shù)SM為

SM=td2/6+adt/2=1.78 cm3

(3)

由式(2)可得波紋板承受的均布風(fēng)載荷為

=125.7 N/m

(4)

將式(3)和式(4)代入簡支梁均布載荷的計算公式，可知波紋板承受的最大彎矩為

M=qL2/8=62.85 N·m

(5)

由式(4)和式(5)可得擋風(fēng)墻的最大應(yīng)力為

σmax=M/SM=35.3 MPa<σ許可=235 MPa

所得結(jié)果的最大應(yīng)力小于許可應(yīng)力，可知波紋板的結(jié)構(gòu)強度滿足ABS MODU規(guī)范要求。

1.4.2 連接形式優(yōu)化

參考項目的擋風(fēng)墻是結(jié)構(gòu)鋼板折彎后焊接而成的槽型艙壁，單個片體質(zhì)量大，安裝時需要吊機協(xié)助。槽型艙壁與鉆臺結(jié)構(gòu)的連接形式為焊接，因此在總裝現(xiàn)場仍有大量的焊接工作。

優(yōu)化后的擋風(fēng)墻，單個片體重量輕，并且與鉆臺結(jié)構(gòu)間的連接形式改為鉚接。一方面，該連接形式便于人工安裝，可減少現(xiàn)場工作強度；另一方面，波紋板結(jié)構(gòu)重量輕，使得安裝過程不受吊機使用情況和施工天氣等因素的限制。

1.4.3 支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)整體剛度是設(shè)計擋風(fēng)墻支撐結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。參考項目的槽型艙壁作為主要結(jié)構(gòu)，能夠承受水平剪切載荷，增強了結(jié)構(gòu)的整體剛度。優(yōu)化后的擋風(fēng)墻因其自身特性和連接形式，只能作為附屬結(jié)構(gòu)參與到結(jié)構(gòu)整體分析中，忽略其對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻，這就大幅降低了原有支撐結(jié)構(gòu)的剛度。為改善這一指標(biāo)，在四周的支撐結(jié)構(gòu)上增加K型節(jié)點(見圖3)。該節(jié)點有效增加支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，大幅提高結(jié)構(gòu)整體剛度。

圖3 鉆臺上層結(jié)構(gòu)有限元模型

1.4.4 結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化

結(jié)構(gòu)自重是鉆臺擋風(fēng)墻設(shè)計的重要指標(biāo)。優(yōu)化后的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)自重為13.3 t，是原擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)自重的57.8%，有效減輕結(jié)構(gòu)自重約9.7 t。 優(yōu)化后的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)自重較原擋風(fēng)墻有了明顯的改觀。

1.4.5施工建造優(yōu)化

自制槽型艙壁的工序復(fù)雜，涉及設(shè)計和施工2個部門的工作。設(shè)計部門須完成擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)建模、生產(chǎn)圖、工件放樣和鋼板套料，施工部門須完成鋼板下料、折彎、拼板焊接和無損探傷。整個過程不僅占用了大量的人力資源，還面臨一定程度的廢返率。

但優(yōu)化設(shè)計后，只需批量采購波紋板材料，剩下的就是安裝工作。省去了設(shè)計和加工制造等環(huán)節(jié)，方便生產(chǎn)建造計劃的安排。

2 鉆臺擋風(fēng)墻有限元模型

2.1 有限元模型

利用 SACS 軟件作為分析軟件， 可將所有的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括幾何形狀、 構(gòu)件尺寸、材料特性以及環(huán)境條件等以文件方式存儲， 然后求解程序?qū)@些數(shù)據(jù)進行分析計算，得出最終的求解文件，結(jié)果包含所有節(jié)點的位移以及單元內(nèi)力[3]。

模型包含擋風(fēng)墻柱子和平臺的主要支撐結(jié)構(gòu)以及對剛度有影響的甲板，擋風(fēng)墻作為次要結(jié)構(gòu)件不進行建模。為更好地反應(yīng)鉆臺上層結(jié)構(gòu)的剛度，模型中加入了本地儀表間基座。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性，將擋風(fēng)墻上的載荷直接施加到相鄰的支撐支柱上。

2.2 坐標(biāo)系說明與材料屬性

右手坐標(biāo)系建模，坐標(biāo)原點位于轉(zhuǎn)盤井心。整個SACS計算模型如圖3所示。

x軸正向指向平臺艏部，y軸正向指向平臺左舷，z軸正向指向平臺上方。

鉆臺結(jié)構(gòu)采用鋼材等級為A與AH 36DH 36EH 36，屈服強度分別為235 MPa和355 MPa。

楊氏模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

2.3 邊界條件

考慮支柱與鉆臺面的連接形式，柱子下端均采用簡支約束。另外，柱子下端若設(shè)有肘板，則約束相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)自由度，各工況的邊界條件均相同。SACS軟件中的邊界條件如圖4所示，圖中1表示約束、0表示自由。

圖4 鉆臺上層結(jié)構(gòu)邊界條件

3 分析工況及載荷

3.1 載荷

(1) 結(jié)構(gòu)自重。設(shè)g=9.8 m/s2，由軟件自動計算出結(jié)構(gòu)自重。因模型中簡化了部分結(jié)構(gòu)，額外增加10%的結(jié)構(gòu)重量。

(2) 設(shè)備自重及工作載荷。根據(jù)鉆臺設(shè)備布置圖，施加相應(yīng)的設(shè)備自重和工作載荷在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)處。

(3) 甲板載荷。在靜載和正常作業(yè)工況時，甲板載荷為1 t/m2；在風(fēng)暴自存和拖航工況時，甲板載荷為0.5 t/m2。

(4) 風(fēng)載荷。鉆臺在整個平臺的高處，擋風(fēng)墻上的風(fēng)壓對結(jié)構(gòu)的強度影響很大。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書的要求，正常作業(yè)工況和拖航工況的風(fēng)速為70 kn，風(fēng)暴自存工況的風(fēng)速為100 kn?？紤]擋風(fēng)墻的面積，應(yīng)用式(1)即可算出風(fēng)載荷的大小。

在實際計算中，擋風(fēng)墻上的風(fēng)載荷被平均加載到相鄰的2根柱子上，并只考慮4個風(fēng)載荷最大的方向，即0°、90°、180°和270°，如圖5所示。

(5) 慣性載荷。慣性載荷由波浪對主船體的作用引起，主要考慮縱搖、橫搖和垂蕩等3個運動方向慣性載荷的影響[4]。根據(jù)ABS MODU規(guī)范要求，橫搖和縱搖角度均為15°，周期為10 s[2]。

圖5 優(yōu)化后的槽型艙壁

3.2 分析工況

鉆臺擋風(fēng)墻及支撐結(jié)構(gòu)強度計算分4種工況進行：靜載工況、正常作業(yè)工況、風(fēng)暴自存工況和拖航工況。不同的工況有不同的載荷組合形式，詳細的組合形式如表1所示。

表1 工況組合

4 強度校核與結(jié)果分析

4.1 強度校核

SACS軟件內(nèi)置了WSD AISC9th/API 21st規(guī)范，可以自動對結(jié)構(gòu)進行屈服強度與屈曲強度校核。針對不同的工況，許用應(yīng)力系數(shù)AMOD也各不相同，如表2所示。

校核結(jié)果用UC值表示，如果該值小于或者等于1，則表示結(jié)構(gòu)強度滿足要求，否則表示結(jié)構(gòu)強度不足，需要進行結(jié)構(gòu)加強。

表2 SACS計算結(jié)果

[][]

4.2 結(jié)果分析

表2列出了各個工況下的最大UC值。表中的最大UC值均小于1，表明鉆臺擋風(fēng)墻及支撐結(jié)構(gòu)的強度滿足規(guī)范要求，且計算所得的最大位移值為3.2 cm，小于井架與鉆臺2層平臺之間的凈距離，保證鉆井平臺在拖航時井架不會發(fā)生結(jié)構(gòu)碰撞。

5 結(jié) 論

(1) 原擋風(fēng)墻制作方法限制了結(jié)構(gòu)減重的可能性。

(2) 采用建筑用的波紋板作為擋風(fēng)墻，同時修改連接形式，有效減重9.7 t。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重量是原設(shè)計重量的57.8%，并且省去了設(shè)計和加工制造等環(huán)節(jié)，直接節(jié)省約600個工時，方便了生產(chǎn)建造計劃的安排。

(3) 波紋板的應(yīng)用降低了結(jié)構(gòu)整體剛度。通過在四周的擋風(fēng)墻支撐結(jié)構(gòu)上增加K型節(jié)點，有效地增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并大幅提高結(jié)構(gòu)整體剛度。

(4) 鉆臺擋風(fēng)墻支撐結(jié)構(gòu)在SACS軟件中計算所得的UC值均小于1，表示此結(jié)構(gòu)滿足計算強度要求。

(5) SACS軟件模型合理地簡化了局部結(jié)構(gòu)，大幅減少有限元建模時間。

(6) 慣性載荷對于結(jié)構(gòu)強度和剛度的影響很大，尤其是疊加了風(fēng)載荷，因此拖航工況在計算時應(yīng)著重核查。

[1] 汪怡,于小偉,黃曌宇.自升式平臺鉆臺結(jié)構(gòu)強度分析[J].船舶工程,2013(S2):75-76.

[2] ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2014．

[3] 高學(xué)靜,張洪欣.自升式鉆井平臺中鉆臺結(jié)構(gòu)強度分析研究[J].船海工程,2013,42(3):174-176.

[4] 楊勇,張偉,袁洪濤,等.自升式鉆井平臺鉆臺結(jié)構(gòu)強度分析[J].船舶工程,2015, 37(7):69-72.