自升式平台的结构强度计算

王劲倩，方晨帆，张兆德

（1. 浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江 舟山，316022；2. 中国海洋大学工程学院，山东 青岛，266100；3. 浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江 舟山，316122）

0 引 言

自升式平台属于海上移动平台，由于其定位精度高和作业状态稳定，在大陆架的油气勘探开发中居重要位置。自升式平台是指具有活动桩腿，且其主船体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行作业的平台，此种平台在海洋石油开发中被广泛应用[1]。对于自升式海洋平台，站立状态下总体性能分析是平台作业的重要基础，是平台设计的主要内容，其包含：桩腿强度、锁紧系统（升降系统）承载性能、预压载性能、桩靴承载性能和抗倾稳性。因此，总体性能将直接影响到平台的操作安全及作业能力，是平台使用者最关注的重点[2～4]。

自升式平台适用于几米到百余米水深，在我国渤海、黄海、东海水深都适合自升式平台使用。对选定的自升式平台，通过对其强度计算，能够了解所选的平台的强度与安全状况，对平台的安全性具有重要的参考价值[5～7]。

1 平台结构与模型建立

以胜利开发三号平台为例，对自升式平台进行结构强度分析。该平台主体长 50m，型宽 20m，型深4.5m。平台的总体布置见图1。为计算方便，将平台甲板上的设备与工作载荷简化为甲板载荷施加在平台主体上。在建模中坐标系是舯部右侧3m与第一层甲板交点为坐标原点，以平台的纵向即有艉部向艏部为X轴正方向，右舷向左舷为Y轴的正方向，向上层甲板为Z轴的正方向。模型中一共有35549个单元，其中包括板单元和梁单元，一共16874个节点。桩腿采用泥面下3m处约束。桩腿厚度是40mm。桩腿在有限元建模中可以等效为二维梁结构，钢材弹性模量E=2×1011Pa，泊松比λ=0.3，密度ρ=7800 kg/m3。

图1 自升式平台的有限元模型

平台工作环境是在渤海埕岛海域，设计水深20m，最大波高H=6m，最大波浪周期8.65s本海区潮流的运动形式为往复流，主流的方向大致与等深线平行，海流最大速度1.029m/s；工作状态下设计风速为36.0m/s，自存状态设计风速下为51.5m/s；设计冰厚（50a一遇）为0.45m，其抗压强度为1717kPa[8]。

计算工况[9]为：平台在自存状态下受到风冰载荷作用：1）风、冰、甲板载荷, 作用方向 0°；2）风、冰、甲板载荷, 作用方向 23°48′；3）风、冰、甲板载荷, 作用方向 90°。平台在自存状态下受到风浪流作用：1）风、浪、流、甲板载荷，作用方向0°；2）风+浪+流+甲板载荷，作用方向23°48′；3）风、浪、流、甲板载荷，作用方向90°。

2 载荷计算

按中国船级社《海上平台状态评定指南》进行风载荷计算，工作状态下0°方向风载荷的等效风力大小为149197N，作用位置在泥面上32.1m；工作状态下23°48′斜方向风载荷等效作用力大小为272659N，作用位置31.5m；工作状态下90°方向风载荷等效作用力大小为255794 N，作用位置31.5m。 自存状态下0°方向风载荷作用力大小为303900N，作用位置32.1 m，自存状态下斜向风载荷作用力大小557993N，等效作用位置31.5 m，自存状态下90°方向风载荷作用力大小为523387N，作用位置31.5m。

波浪和海流载荷可用Morison公式计算（小尺度圆形构件），计算过程中将波浪引起的水质点速度和海流速度叠加，作为波浪和海流工况下的水质点速度，代入公式计算，得出单桩的浪流载荷：拖曳力为54139N，合力距离泥面12.5m，惯性力170201N，距离泥面11.3m。

根据中国船级社《海上平台状态评定指南》，桩所受的冰载荷为P=2.78154× 106N ，可以看出按设计冰厚的极限强度计算的冰载荷远远大于风载荷和浪流载荷。

甲板载荷总共2000t，平台自重通过自动输入Z轴方向重力加速度（9.8m/s²）由软件直接生成。

3 计算结果

用MSC/Nastran有限元分析软件对平台的各工况进行结构静力分析，得到平台的弯曲应力和平台主体板的应力张量以及平台在各种工况下的位移情况。

3.1 桩腿弯曲应力

桩腿的弯曲应力计算结果见表1，其中最大弯曲应力为99.7MPa。

3.2 平台主体的应力

在平台主船体上，对其中的梁单元，分析其弯曲应力。图2～4为平台主体中梁单元的弯曲应力云图；对平台主体上的板单元，分析其von Mises合成应力，图5～7为平台主体板单元的合成应力云图。

表1 桩腿的弯曲应力 单位：MPa

图2 风冰工况1时主体梁弯曲应力

图3 风冰工况2主体梁弯曲应力

图4 风冰工况3主体梁弯曲应力

图5 风冰工况1主体板单元的合成应力

图7 风冰工况3主体板单元的合成应力

综上所述,平台主体在不同工况下所受弯曲应力见表2。

表2 平台主体的应力 单位：MPa

可见，平台主体梁单元在风冰载荷工况3时，弯曲应力最大为134MPa；平台主体板单元在风冰载荷工况3时受到的应力最大，最大值为138MPa。按《海上平台状态评定指南》要求，计算平台主体的许用应力为144MPa，平台的最大应力未超过许用应力。

3.3 平台主体的位移

平台梁单元的位移计算结果见图8、9。

图8 风冰载荷工况1平台位移

图9 风冰载荷工况2平台位移

由计算结果可知，冰载荷作用下平台主体发生的最大位移为 61.1mm，风浪载荷作用下平台主体发生的最大位移为11mm。

4 结 语

1) 平台主体上弯曲应力发生在冰载荷横向作用的工况时，平台桩腿上的最大应力也发生在冰载荷横向作用的工况；

2）在外载荷的作用下，桩腿靠近泥面的部分和固桩室附近受到的应力大，所以要在下部下上部进行局部加强，桩腿中部壁厚可以适当减小；

3) 平台主体部分局部载荷很大的甲板区域应该也要加强。主体的最大应力应该出现在主甲板，所以主甲板上在局部载荷较大的区域要进行加强。纵向构件一定要有足够的强度才能确保平台的最大应力小于许用应力，保证平台结构符合强度要求。

[1] 季春群，孙东昌. 自升式平台上外载荷的分析计算[J]. 海洋工程，1995, 13(3): 19-24.

[2] 李 杰. 海上移动平台的结构计算-胜利作业一号平台强度[J]. 北京服装学院学报，1997, (4): 63-68.

[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(3): 28-33.

[4] 林仲强. 用有限元法计算移动式海洋平台的受风面积[J]. 中国海洋平台，1999, 14(3): 10-12.

[5] 刘 林. “渤海自立”号自升式平台强度评估[J]. 船海工程，2010, (1): 94-97.

[6] 陈 刚，吴晓源. 深水半潜式钻井平台的设计与建造研究[J]. 船舶与海洋工程，2012, (1): 9-14.

[7] 谭 美，冯 军，熊 飞. 自升式钻井平台风载荷研究[J]. 船舶与海洋工程，2014, (1):18-23.

[8] 张兆德，王德禹. 一座海洋平台改造的强度分析[J]. 中国海洋平台，2003, (3): 26-29.

[9] 胜利石油管理局. 浅海钢质移动平台结构设计与建造技术规范[M]. 北京：石油工业出版社，1996.