海洋環(huán)境載荷對自升式平臺就位的影響

胡南丁，楊 進，楊國棟，劉 詢，龐 達，王奕辰

中國石油大學（北京）安全與海洋工程學院，北京 102249

海洋環(huán)境載荷的影響會導(dǎo)致自升式平臺就位位置與設(shè)計位置發(fā)生偏差，當就位位置相比設(shè)計位置更靠近導(dǎo)管架平臺時，自升式平臺船體與導(dǎo)管架平臺可能發(fā)生碰撞而造成船體和導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)損壞等事故；而當就位位置相比設(shè)計位置遠離導(dǎo)管架時，自升式平臺懸臂梁可能無法覆蓋全部井槽或作業(yè)能力不足而影響鉆井作業(yè)效率。因此，精確計算自升式平臺在海洋環(huán)境載荷下的偏移量，并在作業(yè)前期針對海洋環(huán)境條件修正就位位置，對于平臺安全高效作業(yè)具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于海洋環(huán)境載荷對自升式平臺就位影響的研究，著眼于海流載荷對自升式平臺樁腿結(jié)構(gòu)強度的影響規(guī)律以及樁腿桁架結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選方面。楊炎華[1]以自升式平臺三種典型樁腿形式作為研究對象，利用數(shù)值分析的方法對比分析了不同樁腿結(jié)構(gòu)形式的力學性能和經(jīng)濟性。唐柳倫[2]利用有限元模型軟件建立自升式平臺樁腿模型，并校核不同海洋環(huán)境載荷作用下的樁腿結(jié)構(gòu)強度。王琮[3]研究了海洋環(huán)境載荷對自升式鉆井平臺動力學響應(yīng)的影響。但是，以上研究主要考慮了海洋環(huán)境載荷對自升式平臺樁腿結(jié)構(gòu)強度以及動力學特性的影響，并沒有分析對自升式平臺就位精度的影響。因此，有必要建立海洋環(huán)境載荷作用下自升式平臺樁腿就位偏移量計算模型，為自升式平臺精確就位作業(yè)提供理論依據(jù)。

1 自升式平臺就位作業(yè)

自升式平臺就位作業(yè)過程包括預(yù)就位、臨時就位和精確就位三個步驟。當平臺拖航至井場后，移除樁腿縱向固定裝置，開啟平臺的升降系統(tǒng)，完成預(yù)就位；在定位系統(tǒng)的引導(dǎo)下，主拖船按照設(shè)計方位緩慢拖進井場并靠近導(dǎo)管架平臺，到達預(yù)定位置后穩(wěn)住船體的同時進行拋錨，此時平臺樁腿下放至樁靴恰好接觸海床的位置，完成臨時就位；再根據(jù)定位系統(tǒng)監(jiān)測的船位偏差，調(diào)整各錨鏈長度以及主拖船拖纜長度，將其定位在設(shè)計的井位上，并在調(diào)整鉆井裝置艏向滿足設(shè)計要求時插樁，完成自升式平臺的精就位[4-5]。自升式平臺就位過程見圖1。

圖1 自升式平臺就位過程示意

在自升式平臺精就位過程中，利用船體上的定位系統(tǒng)實時調(diào)整拖攬和錨鏈，使平臺船體位置和艏向始終保持在設(shè)計位置上，不發(fā)生偏移或偏轉(zhuǎn)。但是，由于樁腿長細比較大且在樁靴位置處于自由狀態(tài)，因此在海流載荷作用下樁腿發(fā)生水平彎曲，導(dǎo)致樁靴最終就位位置發(fā)生偏移。

2 海流載荷對樁腿的作用

自升式平臺樁腿結(jié)構(gòu)形式有桁架式樁腿和圓筒形樁腿，其中桁架式樁腿所受風浪流作用面積較小，可減少環(huán)境載荷對樁腿的作用，因此自升式平臺一般采用桁架式樁腿。

桁架式樁腿主要由主樁桿及與其連接的水平桿、斜桿、支撐桿等圓形桿組成，桁架式樁腿的橫截剖面形狀通常為三角形[6-7]。目前世界上主流的桁架式樁腿結(jié)構(gòu)單元主要有K型、雙K型、X型等類型，其中雙K型桁架式樁腿最為普遍，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

當海流繞過組成平臺樁腿的圓形桿流動時，在圓形桿后方產(chǎn)生漩渦狀尾流。尾流部分的漩渦使圓形桿前后壓強產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生壓差載荷；同時，由于流體的黏性作用，流經(jīng)圓形桿時產(chǎn)生摩擦載荷。壓差載荷和摩擦載荷的共同作用即為海流對于樁腿的載荷作用。

圖2 雙K型桁架式樁腿結(jié)構(gòu)形式示意

海流對自升式平臺樁腿桁架產(chǎn)生的載荷取決于樁腿桁架在垂直于海流方向的豎直面內(nèi)的特征面積[8-9]。因此，利用特征面積法將桁架式樁腿等效為直徑為D0的圓柱形樁腿。因此，樁腿單位長度海流載荷可表示為：

式中：q（x）為樁腿單位長度海流載荷，N/m；Cd為海水阻力系數(shù)；ρw為海水密度，kg/m3；D0為樁腿單位長度等效直徑，m；α為特征面積修正系數(shù)；v（x）為海流流速，m/s。

3 平臺就位偏移量模型

為求得樁靴就位位置偏移量，建立海流載荷作用下樁腿水平位移計算模型。由于平臺船體在拖纜和錨鏈牽引力的作用下始終保持在設(shè)計位置，因此可將平臺船體看作是相對固定點；結(jié)合樁腿的約束和載荷情況，可將樁腿視為一端固支、一端自由且承受水平分布載荷和端部恢復(fù)彎矩的懸臂梁，其中分布載荷為海流對樁腿桁架的作用力，端部恢復(fù)彎矩為樁靴自重在水平位移下產(chǎn)生的使樁腿恢復(fù)原位的彎矩（樁腿桁架自重相對于樁靴自重較小，因此忽略樁腿桁架自重導(dǎo)致的恢復(fù)彎矩），如圖3所示。

根據(jù)材料力學中[10]懸臂梁彎曲疊加原理可知，懸臂梁上同時作用多個載荷產(chǎn)生的水平位移等于每種載荷單獨作用產(chǎn)生的水平位移的代數(shù)和。因此，分別計算海流載荷和樁靴自重引起的水平位移，再相加可得樁腿最終的水平位移計算模型。

海流載荷作用下水平位移和截面彎矩之間的關(guān)系為：

圖3 樁腿在海流載荷作用下受力分析

式中：y（x）為樁腿水平位移，m；E為樁腿材料彈性模量，Pa；I為樁腿等效截面慣性矩，m4；M為樁腿截面彎矩，N·m。

截取x以下樁腿（如圖4所示），由彎矩平衡可得海流載荷作用下截面處的彎矩為Mc（x）：

圖4 水面以下x處樁腿截面受力分析

假設(shè)海流流速隨著水深線性分布，并根據(jù)海洋環(huán)境條件中給出的海流表面流速V0和海底流速VH可得海流速度隨水深變化規(guī)律為：

將式（1）和式（4）代入到式（3）得到海流載荷作用下水面以下x處的樁腿截面彎矩為：

將式（5）代入到式（1）得到海流載荷作用下樁腿水平位移為：

海流載荷引起的樁腿水平位移會導(dǎo)致樁靴偏移，樁靴自重在此偏移量下會產(chǎn)生使樁腿恢復(fù)至原位置的恢復(fù)彎矩。樁靴自重在水面以下x處引起的恢復(fù)彎矩可表示為：

式中：MG（x）為樁靴自重導(dǎo)致的恢復(fù)彎矩，N·m；WG為樁靴自重，N；y1（H）為海流載荷作用下樁腿最大偏移量，m；y1（x）為海流載荷作用下樁腿x位置水平位移，m。將式（7）代入式（2）得到恢復(fù)彎矩單獨作用下樁腿水平位移計算模型為：

式中：y2（x）為恢復(fù)彎矩單獨作用下樁腿x位置水平位移，m。

根據(jù)懸臂梁彎曲疊加原理可知，樁腿總水平位移量為海流載荷和樁靴自重分別單獨作用下產(chǎn)生的位移的代數(shù)和，因此樁腿在兩種載荷共同作用下x位置水平位移可表示為：

因此樁靴最終就位位置偏移量為：

樁靴就位位置偏移量會導(dǎo)致平臺整體就位位置偏移。為了避免平臺就位位置偏移導(dǎo)致的平臺結(jié)構(gòu)損傷或無法覆蓋全部井槽而導(dǎo)致的作業(yè)效率降低，在自升式平臺就位設(shè)計過程中應(yīng)考慮此部分偏差，結(jié)合就位作業(yè)期間環(huán)境載荷情況進行適當修正設(shè)計就位位置。另外，由圖4可知樁靴自重對就位偏移具有修正作用，因此在就位過程中可通過樁靴中填充海水來減少就位偏移量。

4 應(yīng)用實例

4.1 應(yīng)用案例分析

以某自升式平臺在水深為90 m的東海海域就位作業(yè)為例，其樁腿類型為三角形桁架式，單根樁腿主樁桿橫向距離為13.01 m，樁靴直徑為17.98 m，單個樁靴質(zhì)量為4 785 kg，該海域在不同環(huán)境載荷重現(xiàn)期下海流流速情況見表1。

表1 不同環(huán)境載荷重現(xiàn)期下海流流速情況

結(jié)合作業(yè)平臺參數(shù)和不同重現(xiàn)期下海流流速情況，利用上述建立的模型得到不同環(huán)境載荷重現(xiàn)期下樁腿水平位移如圖5所示，樁靴就位位置偏移量如表2所示。

圖5 不同重現(xiàn)期下樁腿水平位移

表2 不同海流載荷重現(xiàn)期下樁靴就位偏移量

該自升式平臺作業(yè)工況（海流載荷重現(xiàn)期為1年）下就位時樁靴偏移量為0.645 m，而在極端惡劣工況（海流載荷為100年一遇）下就位時樁靴偏移量為1.881 m。根據(jù)自升式平臺精確就位作業(yè)規(guī)范可知，自升式平臺就位誤差應(yīng)小于1 m，因此由表2可知重現(xiàn)期少于5年時就位精度滿足要求。

根據(jù)以上分析可知，樁腿中填充海水可修正樁靴就位位置偏移量。因此，以重現(xiàn)期為10年的海流條件為例，當樁靴中填充不同量的海水時樁腿水平位移如圖6所示，樁靴最終就位位置偏移量如表3所示。

圖6 樁靴填充不同體積分數(shù)海水時樁腿水平位移

表3 樁靴填充不同體積分數(shù)海水時樁靴就位偏移量

在重現(xiàn)期為10年的海流載荷條件下，當樁靴中不填充海水時樁靴就位偏移量為1.104 m，無法滿足就位精度要求。而當樁靴中充滿海水時樁靴就位偏移量減小至0.792 m，滿足就位精度要求。

4.2 數(shù)值模擬分析

為了驗證該模型的準確性，利用有限元模擬軟件ABAQUS建立自升式平臺和樁腿模型，利用該軟件的AQWA模塊給模型施加海流載荷，樁靴載荷等效為向下的集中力，平臺船體約束為等效固定約束，模擬了自升式平臺精就位過程中海流載荷對其偏移量的影響，樁腿水平位移云圖如圖7～8所示。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得，重現(xiàn)期為10年的海流條件下樁靴就位偏移量為1.128 m，樁靴中充滿海水時樁靴就位偏移量為0.809 m，與理論計算結(jié)果吻合度較高。由此可知，本文提出的計算模型精確可靠，對現(xiàn)場作業(yè)具有指導(dǎo)性意義。

圖7 樁腿水平位移云圖（10年重現(xiàn)期，無填充）/m

圖8 樁腿水平位移云圖（10年重現(xiàn)期，100%填充海水）/m

5 結(jié)論

（1）自升式平臺就位過程中海流載荷作用使平臺樁腿發(fā)生彎曲，從而導(dǎo)致樁靴就位位置發(fā)生偏差，環(huán)境條件和水深是樁靴就位位置偏移量的主要影響因素。

（2）自升式平臺就位設(shè)計過程中應(yīng)考慮海流載荷導(dǎo)致的就位位置偏移量，根據(jù)海流載荷情況修正設(shè)計就位位置，避免位置偏移量導(dǎo)致的船體碰撞或作業(yè)能力不足的問題。

（3）選擇較平緩的環(huán)境載荷條件下就位和在平臺樁靴中充滿海水可有效地減少樁靴就位位置偏移量。

（4）模型計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比顯示，本文提出的自升式平臺在海流載荷下的就位偏移量計算模型精確可靠，可指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。