某自升式平台结构性能分析与评估

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(青岛远洋船员职业学院 船舶与海洋工程系，山东 青岛 266071)

1 自升式平台概况

悬臂梁式自升式钻井平台因作业效率高、井架活动范围大及每次插桩作业钻井数量多而在世界范围内得到了广泛应用。因平台上钢梁可在滑轨上移动并连同钻台及井架一起伸向平台尾端舷外，因此悬臂梁的载荷受强度的限制比较大，在桩腿强度、升降机构、桩靴和海底连接刚度上有较高要求[1-2]。

以大连中远船务工程有限公司为新加坡“Jasper”公司建造的悬臂梁自升式平台为计算对象。该平台由美国LeTourneau公司进行基本设计，入级ABS，主船体为三角形，按“艏一艉二”配置三套桁架式桩腿，每根桩腿弦杆一套升降装置，采用电动齿轮式；全船共9套锁紧系统，在拖航、作业及自存工况时能将桩腿弦杆齿条板锁死；桩靴为六边形，拖航时可收回船底。根据船东提供的技术规格书，平台的作业环境条件及参数见表1。

2 计算分析

2.1 船体的模拟

总体分析中船体结构仅作为载荷施加单元，不考虑船体结构强度，所以将船体作为板架处理，保证面积与实际船体面积一致，建立如图1所示的有限元模型，所有结构由梁单元模拟。

表1 环境条件及作业参数

图1 有限元模型

2.2 桩腿的模拟

本平台桩腿为桁架式桩腿，桩腿弦杆为齿条板与圆管的组合结构，截面见图2，桩腿尺寸见表2。

图2 桩腿截面结构

弦杆上端与船体通过锁紧系统刚性连接，下端通过桩靴与海床弹性支撑，水动力系数CD、CM由ABS规范查得。桩腿弦杆的剖面特性见表3。

表2 桩腿杆件尺寸

表3 桩腿弦杆特性

2.3 桩腿与船体之间的连接刚度

平台处于作业工况和自存工况下时，桩腿被锁紧系统锁死，在充分考虑锁紧系统和桩腿刚度条件下，用弹簧连接模拟要优于使用固定端约束模拟，其弹簧的刚度系数计算如下。

(1)

式中：Kry,Krz,KV——船体与桩腿连接的y、z方向扭转刚度系数及垂向位移刚度系数；

A——桩腿截面面积；

KV_fix——锁紧系统的垂向位移刚度系数，可由锁紧系统实际结构形式计算得到；

Kry_fix,Krz_fix,Kry_leg,Krz_leg——锁紧系统和桩腿的扭转刚度系数，可分别计算如下[3]。

Kry_fix=3EIleg_y/L1,Krz_fix=3EIleg_z/L1

Kry_leg=3EIleg_y/L2,Krz_leg=3EIleg_z/L2

(2)

式中:Ileg_y,Ileg_Z——上、下导向结构间桩腿的截面惯性矩；

L1——锁紧系统的垂向长度；

L2——下导向结构距离锁紧系统的长度。桩腿与船体连接弹簧的刚度见表4。

表4 桩腿与船体连接弹簧刚度系数 (MNm·rad-1)

2.4 桩靴与海床连接刚度

根据移动平台规范的规定，桩靴下端可按海底泥面以下3 m处铰支处理，但这种处理忽略了海底基础对桩靴下端的转动约束，此时桩腿的弯矩全部集中于桩腿上端与船体的连接处。但实际上海底基础对桩靴是有转动约束的，这种约束使桩靴承受弯矩，从而使桩腿上端与船体连接处的弯矩减少。这个转动约束可用一个转动弹簧来表示，此转动弹簧的刚度取决于海底土壤的特性，插桩深度和桩脚箱的形状等，一般作为近似计算处理，其刚度系数可采用如下方法计算[4]。

K1=2GB(1-υ)

K2=16GB(1-υ)/(7-8υ)

K3=πGB3/180[3(1-υ)]

(3)

式中，K1——垂向刚度；

K2——水平刚度；

K3——扭转刚度；

G——土壤剪切模量；

B——桩靴长度；

υ——土壤的泊松比。

平台的中边界条件弹簧刚度系数见表5。

表5 弹簧边界刚度系数

2.5 环境载荷计算

环境载荷主要包括风、波浪及海流载荷。平台设计时，通常按照最不利工况对平台进行校核，即将三种环境载荷的入射方向定义为同一方向，此时对平台造成的水平力和倾覆力矩最大，平台的工况为最不利工况[5]。

1)风载荷。

p=0.613v2CHCS

(4)

式中：CH——高度系数，该平台高度为149 m，CH=1.60；

CS——构件的形状系数，对于圆柱型构件CS=0.5；

v——最大风速，根据表2，v=51.4 m/s。

由此得p=1 295.6 Pa。平台最大受风面积取平台侧面，入射角度240°，有效面积为490 m2，因此平台所受的最大水平风载为634.8 kN，造成的倾覆力矩为87,037.1 kN·m。风载荷加载到海洋平台船体部分的受风面上。

2)波浪载荷。按照惯例，自升式平台的桩腿是按小尺度结构来考虑的，使用莫里森公式计算其波浪力，计算出波浪载荷为12 375.9 kN，倾覆力矩为507 802 kN·m。波浪载荷加载到海平面附近的桩腿上。

3)海流载荷。

F=0.5KρV2A

(5)

式中：K——流力系数，通常取拖曳力系数的值。

最终海流载荷为10 236.9 kN，海流倾覆力矩为421 307 kN·m[6]。海流载荷加载到海平面以下的桩腿上。

3 计算结果分析

由于该平台结构左右对称，因此作用方向在平台中取为180°～360°即可，每30°一个，共7个方向。将上述基本载荷组合可得到组合工况，主要可分为作业工况和自存工况。按表2所给环境条件进行有限元计算分析，将计算出的反力与部件的最大能力载荷相比，校核其安全性。

3.1 桩腿强度

按AISC校核桩腿的强度，桩腿弦杆作业工况下最大应力比(最大应力和许用应力之比)为0.74，位置为艏桩腿围井下导向结构与桩腿交界处，环境载荷方向为300°入射；桩腿弦杆自存工况下最大应力比为0.99，位置为右后桩腿围井下导向结构与桩腿交界处，环境载荷方向为240°入射。桩腿在平台作业及自存工况下，所受最大应力均小于其材料的屈服极限，所以强度满足要求。

3.2 锁紧系统承载性能

锁紧系统工作是否可靠将影响到整个平台的安全，采用具有相当刚度的梁单元进行模拟，通过分析其受力大小，可校核锁紧系统的承载能力，平台在各种情况下锁紧系统的校核情况见表6。

表6 锁紧系统能力校核 MN

分析表6结果可知，锁紧系统的名义载荷比值(即表6U.C.值)均小于1，因此锁紧系统在作业和自存条件下可安全工作。

3.3 预压载性能

三角形的自升式平台一般是用压载舱加载方法预压，使3个桩腿同时承受船体的全部重量和压载重量，这时船体相当于3点支撑，没有扭曲变形问题。根据基本设计图纸，该平台预压载时船体总重量为22 226 t，单桩的最大预压载能力为78 MN。表7表明平台具有较好的预压载能力，能够满足给定环境条件下的预压载要求。

表7 预压载能力校核

3.4 桩靴承载性能

根据基本设计，本平台桩靴的设计最大容许承载力为78 MN，表8中桩靴载荷比均小于1，表明桩靴强度满足平台站立工况要求。

表8 桩靴承载能力校核

3.5 抗倾稳性

平台的抗倾力矩要考虑平台自重产生的回复力矩和海床在桩靴的吸附及摩擦力所产生的抗拔力矩，按ABS相关公约中规定，作业条件下，自升式平台抗倾安全系数KS不应低于1.5；自存条件下不应低于1.3。平台沿最危险的两个方向的抗倾稳性结果见表9，平台抗倾稳性满足规范要求。

4 结束语

表9 抗倾稳性校核

以有限元模型计算分析该自升式平台常见结构性能，因为工作环境较恶劣，其安全要求比我国沿海工作的平台高。另外文中的计算过程忽略了海底基础对桩靴的扭转约束，在平台服役期间遇到了文中涉及的相同外载，平台实际的结构综合性能要优于文中的计算结果，因此在校核平台整体性能时，应更细致考虑外部约束和平台结构的影响关系，提升校核的准确性。

[1] 汪张棠,赵建亭.自升式钻井平台在我国海洋油气勘探开发中的应用和发展[J].船舶,2008(1):10-15.

[2] 吴 南，冯 帆.某自升式平台升降系统结构强度评估[J].船海工程，2014，43(2)：144-145.

[3] 李红涛,徐 捷，李 晔.自升式海洋平台站立状态下的性能分析[J].中国海洋平台,2009,24(4):17-19.

[4] 王 钢,孟祥伟,彭 曼,等.自升式平台支撑升降系统结构设计与分析[J].机械设计,2011(7):13-15.

[5] 顾恩凯,黄维平,孙铭远.自升式钻井平台倾斜试验方法研究[J].中国造船,2011(S1):27-30.

[6] MSC.Overall Basic Design for Jack-up[M].Gusto MSC,2007.