自升式平台大型设备底座结构强度分析

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(中海油能源发展股份有限公司,天津 300000)

自升式平台在海洋石油开发中被广泛应用，因作业需要，自升式平台一般都配备很多大型设备，如主机、发电机、大功率泵、罐体，以及各类绞车。此类设备一般重量较大，需专门设计底座承载，且底座应位于船体甲板的桁材或加强处，以保证船体甲板强度。大型设备的底座强度分析是自升式平台设计阶段的重要研究内容[1-2]。自升式平台的工况包括拖航工况和工作工况，一般来讲，平台拖航工况是此类底座结构设计的控制载荷工况[3]。自升式平台在拖航状态下，受水流流体阻力、波浪和气流的复合作用，平台体会产生横向和纵向摇摆运动以及升沉运动。在平台复杂的运动条件下，重型设备将产生较大的运动惯性力，易对平台底座结构造成破坏，因此要求底座具有足够的结构强度。为此，针对自升式平台在拖航工况下底座结构强度可靠性，从原理和算例分析两个步骤对平台应急发电机底座结构强度进行分析。

1 计算原理

自升式平台在横摇、纵摇及计及升沉运动时，大型设备的水平、垂向加速度满足如下公式[4]。

水平加速度(g)：

(1)

垂向加速度(g)：

(2)

式(1)为设备绕漂心摇摆产生惯性力的水平/垂向加速度分量；式(2)为由于倾斜，重力产生的水平/垂向加速度分量。

式中：T——平台的摇摆周期；

rV、rH——设备质心距漂心的垂向、水平距离；

θ——平台的横倾或纵倾角。

式中考虑升沉为0.2g的加速度。

按中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》 自升式海洋平台迁移工况可分为油田内迁移和远洋迁移，以远洋迁移为例，作用在设备底座上的力按如下确定：“按周期10 s，单边横摇摆幅15°或单边纵摇摆幅10°时的作用力及平台在相应倾角时重力作用力的120%求得”。因此利用式(1)和式(2)即可求得底座上的作用力。

梁构件的强度校核可按如下公式[5]，同时承受轴向拉伸和弯曲组合作用的构件，其计算应力应满足如下公式。

(3)

式中：σa——计算轴向拉伸应力，N/mm2；

[σt]——许用拉伸/弯曲应力，N/mm2；

σby、σbz——构件关于横截面y和z轴的计算弯曲应力，N/mm2。

同时承受轴向压缩和弯曲组合作用的构件，其计算应力应满足如下公式。

(4)

(5)

式中：σa——轴向压缩应力取绝对值，N/mm2；

σby、σbz——构件关于横截面y和z轴的计算弯曲应力，N/mm2，取绝对值；

[σa]——构件许用轴向压缩应力，N/mm2；

[σby] 、[σbz]——构件关于横截面y和z轴的许用弯曲压缩应力，N/mm2；

Cm——计算弯矩作用平面内屈曲的等效弯矩系数;

其中：

(6)

式中：E——弹性模量，E=2.06×105N/mm2；

ly、lz——杆件关于横剖面y和z轴的平面内无支撑长度，m；

ry、rz——杆件对应于ly、lz的横剖面回转惯性半径,m；

Ky、Kz——杆件的有效长度系数，按计算长度ly、lz两端的支持情况给出。

本工艺可满足多领域应用，综合性能指标优异，解决了金属屋面在温差大、长期曝晒、降雨、外力与形变等因素影响下多种材料伸缩变形不一致，薄弱部位更易产生渗漏水问题，延长了屋面的使用寿命，符合国家节能环保、安全防火政策，突显其竞争优势，具有广阔的市场应用前景。

2 算例

以某平台应急发电机底座为例，分析其结构强度是否满足拖航工况要求。此设备总重9.5 t，底座位于14～23肋位强横梁之间、距中纵剖面14.90 m的右舷3层生活楼甲板区域，结构形式为纵向延伸的T型结构，且中间有横梁及肘板加强，见图1。

图1 底座结构示意

2.1 摇摆加速度

以远洋拖航为例，按式(1)、(2)计算设备拖航状态的运动加速度，计算结果见表1。

2.2 计算工况

此设备底座的计算工况可分为静载工况、横摇及升沉、纵摇及升沉3种分析工况。见表2。

表1 远洋拖航运动应急发电机加速度

表2 载荷工况

注：W表示设备原来的重量。

2.3 分析方法

将发电机底座沿长度方向简化为两端铰支的简支梁，选取最为危险的一根底座梁作为研究对象。

2.3.1 静载工况

把表2中的设备重量以及相应面积的甲板活载荷转化为底座梁上的均布载荷，见图2。

图2 静载工况

此种工况下，将表2中的横摇动力弯矩转化为作用于两根底座梁的拉、压力偶。选取受到向下作用力的梁作为分析对象，与表2中的设备重量、相应甲板活载荷叠加，转化为梁上的均布载荷，如图3所示。

图3 横摇及升沉工况

2.3.3 纵摇及升沉工况

此种工况下，将表2中的纵摇动力弯矩作用于底座梁或转化为线性分布载荷，与表2中的设备重量、相应甲板活载荷叠加，载荷分布见图4。

2.3.4 底座梁特性

底座梁剖面特性应计入带板及甲板下纵骨对

图4 纵摇及升沉工况

其的影响。算例的底座梁剖面见图5。截面参数见表3。

图5 底座梁剖面

轴向面积/cm2Y向剖面模数/cm3上边下边Z向剖面模数/cm3左边右边剪切面积/cm2Y向Z向93.871 52588420427352.8741

2.4 计算结果分析

将上述梁模型各个工况进行求解，得到应力并按公式(3)、(4)对其强度进行校核，计算结果见表4。

表4 底座梁强度校核结果

由表中计算结果可知，底座梁结构分析UC值都小于1，所以强度满足规范要求。

3 结论

1)拖航工况作为设备底座设计的控制工况，拖航时产生的轴向及侧向载荷可忽略不计，但产生的摇摆动力弯矩对底座结构强度影响较大；

2)算例中，平台应急发电机底座结构最大弯曲应力和剪切应力均在规范要求范围之内，能够满足复杂运动条件下的安全生产要求。

[1] 李润培,王志农.海洋平台强度分析[M].上海：上海交通大学出版社,1992.

[2] 陈 宏，李春详.自升式钻井平台的发展综述[J].中国海洋平台,2007,22(6):4-5.

[3] 李红涛，李 晔.自升式钻井平台结构强度分析研究[J].中国海洋平台，2010,25(2)：28-33.

[4] 中国船级社.海上拖航指南[M].北京：人民交通出版社，1997.

[5] 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[M].北京：人民交通出版社，2005.