DSJ-300自升式平台风暴环境生存能力

郭程新，黄 一，李红霞，陈营营

(大连理工大学船舶工程学院，大连 116023)

自升式平台属于海上移动式平台，由于其定位能力强和作业稳定性好，在大陆架海域的油气勘探开发中居主力军地位[1]．但我国拥有的自升式平台服役年限过久，绝大多数已超过20年，“勘探”2号和“南海”1号甚至已到达 30年．随着海洋开发活动由浅水向深水发展，海洋平台面临的环境条件愈发严酷，只对老旧平台实施改造已远远满足不了恶劣的海洋环境对平台性能的要求．自升式平台设计开发领域的自主创新迫在眉睫．

目前很多学者都对自升式平台风暴自存强度进行了研究[2-3]．但多局限于一种风浪环境条件，且对平台生存的限制条件考虑不够全面．为此，笔者以大连船舶重工集团有限公司设计开发的 DSJ-300自升式平台为例，考虑了平台桩腿强度以及平台升降装置的性能，针对多种风、浪、流环境及水深的组合研究了风暴环境中自升式平台的生存能力，给出了风暴环境下平台得以生存所能承载的最大可变载荷以及平台无法生存的环境参数．通过计算得出的风暴环境图谱，可以评估自升式平台在风暴环境下的生存能力，为风暴环境下平台安全措施的制定提出了指导性建议．

1 平台模型的建立

采用有限元方法分析风、浪、流载荷作用下平台的结构强度和基础支反力．选用SESAM软件进行建模和计算．

DSJ-300自升式平台主体为三角形，由3根桩腿支撑．桩腿是由3根弦管组成的三角形桁架结构．平台长度 62.8,m，总宽 60.2,m，主船体型深(侧面)8.0,m，桩腿长度 125.300,m，平台的空船重量为66,279.3,kN，可变载荷最小为 9 810 kN，最大为41,202,kN，桩腿和桩靴的总重量为21,895,kN．

图1为在SESAM软件GENIE模块中建立的目标平台三维有限元模型．根据CCS规范[4]的推荐，采用了在泥面以下 3.05,m处对桩腿简支的边界条件．根据 SNAME规范[5]46的推荐，采用梁结构组成的空间梁系来模拟主船体，如图2所示．

图1 自升式平台整体有限元模型Fig.1 FEM model of the whole self-elevating drilling unit

图2 主船体梁系模型Fig.2 Hull model

有限元分析中桩腿和主船体连接的处理将直接影响到计算结果的准确性．在风暴自存状态下，平台主要依靠锁紧系统锁死桩腿．桩腿弦杆与锁紧系统通过齿轮齿条的啮合连接在一起，如图 3所示．在本研究中，通过释放节点自由度来模拟此种连接方式，连接处模型如图4所示．

正常情况下，梁单元在每个节点上有6个方向的自由度，通过在节点上施加 hinge约束可以释放节点自由度[6]．图 4中，锁紧系统部分颜色加深的 4根杆用来模拟锁紧系统与弦杆相啮合的齿条．其中，2根水平杆与主船体刚性连接在一起，与弦杆齿条相接的一端施加hinge约束(图4中用圆圈标注的节点为施加 hinge约束的节点)，释放除轴向位移外的 5个自由度，保证主船体与桩腿在锁紧系统连接处的横向位移相同．在 2根垂向杆与弦杆齿条相接的一端施加同样的 hinge约束，限制其轴向位移，使主船体与桩腿在锁紧系统连接处的垂向位移相同．除锁紧系统外，主船体的上、下导向结构也与桩腿相连．在导向结构与桩腿相连的一端施加 hinge约束，保证桩腿与主船体在导向结构连接处的横向位移和水平面内转角相同，释放其他4个方向的自由度．

图3 桩腿弦杆与锁紧系统实际连接图Fig.3 Actual connection of leg chord and rackchock

图4 桩腿与主船体连接的有限元模型Fig.4 FEM model of leg-hull connection

2 载荷计算方法

本研究考虑了风、浪、流 3种环境载荷的作用．假设风、浪、流同向，选取了 7个入射方向(0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°)，评估在不同入射方向的风、浪、流载荷作用下平台的桩腿强度、抗倾稳性、预压要求、锁紧系统和升降装置的承载要求．

本研究选择4个水深、3个风速、20个波高和 6个流速进行分析，计算了以上所有参数组合工况的平台受力．具体环境参数的取值见表1．

表1 环境参数Tab.1 Environmental parameters

各种载荷的计算方法如下．

1) 风载荷

风载荷按照ABS规范计算，计算公式为

式中：f＝0.611；kv为风速，m/s；hC和sC分别为高度系数和形状系数[7]9-11．

2)水动力载荷

波浪速度和波浪加速度采用 Stokes五阶波理论计算，波浪和流联合作用在桩腿上的水动力载荷采用Morison方程计算．在SESAM软件WAJAC模块中采用上述理论计算平台承受的水动力载荷．针对每一入射方向，波浪相位选取使波浪倾覆弯矩达到最大所对应的相位值．根据 DNV规范推荐的公式确定波浪周期同波高的关系[8]，即

式中：T为波浪周期，s；H为波高，m．

海流力的研究选取线性流速剖面进行计算，设海底流速为0,m/s．

3) 动态放大效应

平台在深水环境的波浪作用下容易产生振动，不仅影响结构的强度，也会对平台的安全可靠性产生较大的影响．目前很多学者针对海洋平台结构响应的计算方法开展了一系列研究[9-10]．本算例参照SNAME规范[5]98-99，使用动态放大系数法(DAF)处理目标平台的动态响应，即将平台结构模型简化为单自由度质量弹簧阻尼系统，通过求解模型的运动方程，计算出动态放大系数．将此系数作为比例因子，与使用没有考虑动力因素的方法求出的结构响应相乘，作为结构对外加载荷的动力响应估计．动态放大系数DAF的计算公式为

式中：NT为平台的固有周期，采用 SESAM 软件进行模态分析得到；ξ为阻尼比，取为0.07[5]98-99．

4) P-Δ效应

平台受外载荷作用会发生侧向位移，因而桩腿还承受着由于自身重力所引起的附加弯矩的作用，该弯矩称为 P-Δ弯矩．本研究采用施加二次弯矩法对其进行考虑[11]．

3 平台安全条件

确保平台安全的桩腿强度条件可在 SESAM 软件中选取AISC SAD 2005评估准则[12]后，直接获得评估结果．除此之外，确保平台安全还需满足如下 4个条件．

1) 抗倾稳性

在风暴自存状态下，平台受到风、浪、流等外载荷的作用．外载荷产生的倾覆力矩需要和重力提供的回复力矩平衡．要保证平台不会倾覆，就需要有足够的重力．研究中，除风、浪、流载荷外，还考虑了动态放大效应与 P-Δ效应增加的动态响应和二次弯矩载荷．

根据 ABS规范[7]79-80的规定，在风暴自存工况下，需保证抗倾安全系数(即回复力矩与倾覆力矩的比值)超过1.3．

2) 预压要求

在风、浪、流外载荷作用下，考虑重力、动态放大效应和 P-Δ效应，计算出 3根桩腿的支反力，其最大值不得超过预压时每根桩腿的支反力．对于本文研究的 DSJ-300自升式平台，平台预压载重量为101,590,kN．

3) 锁紧系统承载要求

在风暴自存状态下，平台主船体与桩腿之间由锁紧机构相连，以此将平台固定在桩腿的某一位置．对于本文研究的DSJ-300自升式平台，要求每根弦杆锁紧机构处的受力不得超过49,050,kN．

4) 升降装置承载要求

针对每一入射方向，考虑重力、风、浪、流载荷以及动态放大效应和 P-Δ效应，计算 3个桩腿的支持力．重点考查下风向桩腿的支持力是否超过预压载时利用升降装置调平过程中每个桩腿的受力．针对本文研究的DSJ-300自升式平台，升降装置为齿轮齿条传动，每一小齿轮的承载力不得超过4 454 kN．每条桩腿有3根弦杆，每根弦杆内有6个小齿轮，故每根桩腿所分配的预压升船重量不得超过80 172 kN．

4 算 例

根据上述有限元模型，计算得到水深为91.44,m，表面流速为 0.5,m/s，风速为51.44,m/s，波高为 9.86,m，入射角度为 0°，可变载荷为 2,900,t时平台的外载荷和变形结果如图5和图6所示，具体计算结果见表2．

图5 平台外载荷示意Fig.5 Loads applied to the platform

图6 平台变形结果Fig.6 Deformation of the platform

表2 算例计算结果Tab.2 Results of an example

5 编制计算程序

环境图谱的整个计算过程十分繁琐，而且计算工况很多，如人工操作完成，工作量极大，耗时很长．为此，本文基于 SESAM 软件，根据风暴环境图谱计算流程，采用 C#语言编制了自升式平台风暴环境图谱计算软件，该软件功能包括：①实现自动化，减少人工操作；②实现批处理功能，可在多台计算机上同时进行运算；③实现参数化，可完成相似平台的环境图谱计算．

图7为该软件的流程．

图7 程序流程Fig.7 Flow chart of the program

6 风暴环境图谱计算结果

采用风暴环境图谱计算软件得到不同环境载荷作用下的平台举升能力，计算结果如图 8～图 14所示．若 3根桩腿的举升能力大于空船重量与最大可变载荷之和(107,481.3,kN)，则平台是安全的，在图中用白色表示；若举升能力小于空船重量与最小可变载荷之和(76,089,kN)，则平台是不安全的，很有可能发生桩腿失效甚至倾覆事故，在图中用黑色表示；若举升能力介于以上两者之间，则平台存在倾覆危险，在保证抗倾安全系数大于1.3的情况下，可通过遗弃部分重量，减小可变载荷，以确保平台安全，在图中用灰色表示危险情况，且颜色越深平台桩腿能够举升的重量越小，需遗弃的重量越多．

水深为45.72,m和60.96,m，3种风速情况下的计算结果是一样的，如图 8所示．可见平台在所选的流速和波高范围内都是安全的．

图9～图 11为平台在水深为 76.20,m时的计算结果，可知平台在风速为 36,m/s和 46,m/s时均出现了危险参数域，而在风速为 51.44,m/s时出现了倾覆参数域．图12～图14为平台在水深为91.44,m时的计算结果，可知平台在风速为 36,m/s时出现了危险参数域，而在风速为46,m/s和51.44,m/s时出现了倾覆参数域，极有可能发生平台倾覆事故．

图 8 风暴环境图谱(D＝45.72，60.96,m；v＝36，46，51.44,m/s)Fig.8 Environmental charts for storm(D＝45.72，60.96,m；v＝36，46，51.44,m/s)

图9 风暴环境图谱(D＝76.20,m，v＝36,m/s)Fig.9 Environmental charts for storm(D＝76.20,m，v＝36,m/s)

图10 风暴环境图谱(D＝76.20,m，v＝46,m/s)Fig.10 Environmental charts for storm(D＝76.20,m，v＝46,m/s)

图11 风暴环境图谱(D＝76.20,m，v＝51.44,m/s)Fig.11 Environmental charts for storm(D＝76.20,m，v＝51.44,m/s)

图12 风暴环境图谱(D＝91.44,m，v＝36,m/s)Fig.12 Environmental charts for storm(D＝91.44,m，v＝36,m/s)

图13 风暴环境图谱(D＝91.44,m，v＝46,m/s)Fig.13 Environmental charts for storm(D＝91.44,m，v＝46,m/s)

由计算结果可见，平台工作水深越深，遭遇的环境条件越恶劣，其举升能力就越低，危险参数区域和倾覆参数区域就越大．在风急、浪高、流速大的情况下，可以通过减少可变载荷来确保平台的安全．

图14 风暴环境图谱(D＝91.44,m，v＝51.44,m/s)Fig.14 Environmental charts for storm(D＝91.44,m，v＝51.44,m/s)

7 结 语

根据本文方法，采用自升式平台风暴环境图谱计算软件计算得到的风暴图谱结果合理，其趋势与实际工程经验相符，本文研制的计算软件大幅度提高了自升式平台风暴环境图谱的计算效率．该方法和软件可以用来评估自升式平台在风暴环境下的生存能力，并为平台的设计制造、结构优化以及风暴环境下安全措施的制定奠定基础．

但是，本文在计算分析时，没有考虑桩腿腐蚀和结构疲劳累积损伤的影响；没有考虑桩基的滑移和沉陷．为了对自升式平台在全寿命周期内风暴环境下的生存能力进行更合理的评估，应该考虑桩腿腐蚀[13]和疲劳累积损伤对结构的影响，应考虑桩土的相互作用．

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