自升式平台桩腿建造柔性胎架设计与力学分析

王 顺, 刘玉君, 汪 骥, 于泽桐

(1.大连理工大学船舶工程学院， 辽宁 大连 116024； 2.大连理工大学机械工程学院， 辽宁 大连 116024)

自升式平台桩腿建造柔性胎架设计与力学分析

王 顺1, 刘玉君1, 汪 骥1, 于泽桐2

(1.大连理工大学船舶工程学院， 辽宁 大连 116024； 2.大连理工大学机械工程学院， 辽宁 大连 116024)

针对目前自升式平台桩腿建造专用胎架通用性差、耗费工时和成本的缺点，开发了新型柔性胎架，并分析柔性胎架中存在的力学问题，按照国家标准对螺纹副设计，并校核支撑立柱稳定性。设计出的新型柔性胎架，满足目前常见平台桩腿建造对胎架承载能力的强度要求和建造精度的直线度要求，同时满足施工便利性。可减少胎架制作工时、节约建造成本、提高海洋工程的建造效率。

自升式平台；柔性胎架；桩腿建造；力学分析

0 引言

在自升式钻井平台桩腿的建造过程中[1]，桩腿胎架是必需的工装设备，除了在建造过程中能够对桩腿起支撑和定位作用，更重要的是要保证桩腿的直线度[2]。目前桩腿胎架的典型结构主要由胎架基础、胎箱和支撑立柱等三部分组成[3, 4]，如图 1所示。

图1 桩腿胎架典型形式

由于不同型号平台桩腿的齿条板尺寸不同[5]，半圆管半径不同，以及桩腿分段重量不同，目前自升式平台桩腿建造中使用的基本都是专用胎架，即桩腿胎架是针对某特定平台产品的尺寸进行设计和建造，如果建造其他型号的平台桩腿，还需要对桩腿胎架进行重新设计和建造，既造成原有胎架的浪费，又增加了新胎架建造的工时和成本。

因此，设计自升式钻井平台桩腿柔性胎架，并对柔性胎架使用过程中的工艺力学问题进行分析，并对危险区域按相关国家标准设计，提高胎架的多产品通用性，能够满足目前常见的平台桩腿建造要求，对于减少胎架制作工时、节约建造成本、提高海洋工程的建造效率具有十分重要的意义。

1 新型柔性胎架的设计

目前常见平台桩腿半圆板的半径变化范围较大，因此要求胎箱支撑面半径的调整范围必须满足半圆板半径变化范围，更重要的是，胎箱支撑面在建造中必须对桩腿刚性固定不变形，以满足桩腿建造的直线度要求，因此，如何调整胎箱支撑面半径和保证桩腿固定是研究的关键问题，即如何解决胎箱和支撑立柱的柔性设计问题。

1.1 胎箱柔性设计

胎箱结构柔性设计要求满足半圆管半径在一定范围内变化(150 mm～350 mm)。首先根据常见平台对应的最大的半圆管半径初步确定胎箱的尺寸，如图 2所示。

图 2 胎箱总体外形图 图 3 半圆管尺寸变小后的胎箱总体图

图2中五个螺栓主要起支撑和定位作用，可实现齿条不同方向偏差的调整。建造过程中需保证齿条的直线度，其与水平方向夹角是60°，以保证三个桩腿中心围成的是等边三角形。现场吊放齿条到胎架后，需调整齿条的倾斜角度以保证倾斜角度与要求一致。

当半圆管半径变小后，如图 3所示，左、右图分别对应不同半圆管半径的情形。平台尺寸变化后，盖板上的两个角度螺栓需根据齿条尺寸的变化调整盖板上螺栓的位置，以实现不同平台对应半圆管尺寸的变化后角度调整螺栓仍有较好的作用效果。胎箱模板上斜向螺栓的位置也根据齿条尺寸的变化相应进行调整，保证斜向螺栓的作用点位于齿条的中心位置，以实现胎箱模板上的斜向螺栓都能对支撑和调整平台桩腿有良好的效果。

1.2 支撑立柱柔性设计

目前常见平台桩腿尺寸和重量差别较大，因此不仅要求支撑立柱在高度方向的调节范围必须满足桩腿尺寸变化范围，而且要求其强度和稳定性必须满足桩腿承重要求，该设计支撑立柱高度变化范围为7.5 m～16 m。

由于不同型号平台尺寸不同，对应的支撑立柱高度也不同，同时避免每次不同型号的平台对应的支撑立柱的专用性。尽量使用较多的适应不同型号平台要求尺寸的通用构件，试图通过较小的改变满足不同型号平台桩腿尺寸对支撑立柱高度的要求。

图 4 支撑立柱总体外形图

设计的支撑立柱总体外形如图 4所示。图4中支撑立柱主要由顶部特殊件，1 m、2 m、5 m等一系列不同尺寸的标准件，底部特殊件组成。顶部特殊件上方开有与平台尺寸对应的凹槽，各构件之间端部设有法兰，各构件之间通过法兰用螺栓连接。根据平台桩腿分段尺寸的不同选取相应的标准件组合，以满足不同型号平台桩腿尺寸对支撑立柱高度的要求。

2 胎箱柔性设计中的力学分析

2.1 力学分析

在胎箱结构形式柔性设计中，关键在于保证对应不同的平台尺寸，都能保证胎箱在支撑平台桩腿分段建造过程中不失效，而决定胎箱是否正常工作的关键在于胎箱上的螺栓，尤其是支撑螺栓，而决定螺栓是否失效的关键在于螺纹副耐磨性是否满足要求。因此，只要在螺栓最大受力的工况下确保支撑螺栓的螺纹副耐磨性不失效即可保证胎箱在整个平台桩腿分段建造过程中正常工作。按照实际可能发生的最危险的工况，从螺纹副耐磨性出发，对螺纹副设计及进行相关的强度校核。

基于自升式钻井平台桩腿结构图建立的有限元模型[6-9]，可计算出平台桩腿分段重量确定各支撑位置支反力的大小。将胎架整体结构可承受最大载荷加载到整个平台桩腿分段模型上，再计算得到各支撑位置支反力的大小。最后根据胎架和立柱支反力的计算结果进行胎架底部和支撑立柱顶部的螺旋副的设计。

根据实际工况，胎箱固定，将平台桩腿吊放到胎箱上时，可能发生胎箱上垂向位移调整螺栓与桩腿半圆管接触，而胎箱斜向位移调整螺栓没有参与受力的情况，此时工况为危险工况。需按此工况计算各个螺栓的受力情况。

螺旋副的设计需先根据用途选择合适的牙型和材料，再根据工作条件按耐磨性计算螺杆中径，根据相应的标准确定螺杆和螺母的螺纹参数，对耐磨性进行校验，最后需验算自锁性，校核螺杆强度、螺牙强度及对螺杆的受压稳定性进行计算，要求各项校核均满足相应的标准。滑动螺旋传动的失效形式主要是螺母螺纹磨损，因此，螺杆的直径和螺母的高度通常是根据耐磨性确定的。

2.2 螺旋副设计实例

螺纹副的设计先由耐磨性条件出发，算出螺杆的中径，然后根据梯形螺纹国家标准确定梯形螺纹参数，然后对可能发生的其他失效逐一进行校核，螺纹副的设计包括胎架位移调整螺杆螺旋副设计和立柱顶部位移调整螺栓螺旋副设计。根据平台桩腿分段有限元模型计算得到危险工况下螺栓承受最大力为150 000 N。

参考机械设计手册[10]和梯形螺纹国家标准GB/T 5796.3-2005[11]，以胎架位移调整螺杆螺旋副设计为例介绍螺纹副设计的具体步骤。

考虑到螺母选用铸造铝青铜耐磨性好，摩擦因数相对较低(0.06～0.08)，设计的螺纹副尺寸较小，故选取铸造铝青铜作为螺母的材质。

(1)牙型、材料和许用应力

采用梯形螺纹，单线n=1。螺杆45钢调质处理，螺母ZCuAl10Fe3，铸造铝青铜。

牙面滑动速度为低速、润滑良好，许用压强[p]=18MPa～25MPa,取[p]=20MPa。

螺杆的许用应力：

螺母的许用应力：

弯曲许用应力σbP=(40～60)MPa,取σbP=50MPa；剪切许用应力τP=(30～40)MPa,取τP=35MPa。

(2)按耐磨性设计

采用整体式螺母，取ψ=1.8

计算螺杆中径：

(1)

按梯形螺纹国家标准GB/T5796.3-2005，取螺杆螺纹参数如下：

螺距P=9mm，公称直径d=60mm,中径d2=50mm,小径d1=50mm。

螺母螺纹参数：

公称直径D=60mm，中径D2=55.5mm，小径D1=51mm，大径D4=61mm；螺母高度H=ψd2=1.8×55.5=99.9mm；螺纹旋合圈数z=H/P=11.1,取z=11，螺母高度H=Pz=99mm；螺纹的工作高度h=0.9P=4.5mm。

(3)验算耐磨性

螺纹接触压强

(4)验算自锁

满足自锁性的条件为：

(2)

式中：d2为螺纹中径(mm)；γ为导程角(°)；ρv为当量摩擦角(°)；S为螺距，S=nP(mm)；μ为螺旋副的摩擦因数，无量纲。

(5)螺杆强度校核

螺杆受有轴向力Fa，因此在螺杆轴向产生压应力，同时由于摩擦扭矩T使螺杆截面内产生扭切应力，T按螺杆实际的受力情况确定，其计算公式为：

(3)

式中：Fa为轴向力(N)；d2为螺纹中径(mm)；γ为螺纹升角；ρv为当量摩擦角。

根据压应力和扭切应力，按第四强度理论可求出危险截面的当量应力σca，强度条件为

(4)

式中：d1为螺纹小径；[σ]为螺杆材料的许用应力。

螺纹摩擦扭矩T=518 452N·mm，σca=84.4MPa<ρv=90MPa，螺杆强度满足要求。

(6)螺牙强度校核

选取螺杆材质为45钢调质，螺母材质为铸青铜，螺杆螺牙强度高于青铜螺母的强度，只需校核螺母的螺牙强度即可。

防止沿螺母螺纹牙根部剪切和弯曲的校核公式分别为：

(5)

(6)

式中：b为螺纹牙根部的宽度，mm；z为结合圈数；d为公称直径，mm；

(7)螺杆的受压稳定性计算

(7)

式中：Fcr为临界载荷，N；S为稳定性校核安全系数，通常取S=2.5～4。

3 支撑立柱设计中的力学分析

支撑立柱各构件之间采用法兰连接，法兰尺寸大于立柱本身的尺寸，所以在强度分析过程中为安全性考虑，将立柱模型简化为均由立柱主体构成。由于支撑立柱高度方向尺寸相对于截面尺寸很大，因此立柱可简化成细长杆模型。细长杆收到较大的轴向压力时，最可能丧失稳定性，因此首先需对立柱的稳定性进行校核，再对立柱进行强度校核。立柱底端通过座板固定在地面上，底端可简化成固定端；由于立柱顶端可自由活动，将其简化成自由端。细长螺杆失稳的临界载荷与材料、柔度相关，在强度校核过程中使用欧拉公式进行计算并注意欧拉公式的使用范围(细长压杆)，需判断简化后的模型是否符合欧拉公式适用范围。

由于λ=143.5>100，临界载荷由欧拉公式确定：

(8)

式中：μ为长度因数，杆两端一端固定，一端自由时取为2；L为细长杆长度，m；E为弹性模量，GPa；I为细长杆的截面惯性矩。

立柱强度校核要求：

(9)

式中：σS为材料的屈服强度，低碳钢取235MPa；S为强度校核安全系数，取为4；[σ]为许用应力，MPa。

计算得到许用应力为[σ]=58.75MPa,σ=11.2MPa<[σ]=58.75MPa，则立柱强度满足设计要求。

4 结论

针对由于不同型号钻井平台的齿条板尺寸不同，半圆管半径不同导致自升式钻井平台桩腿建造中使用的专用胎架通用性差、增加建造工时和成本的缺点，研制开发了自升式钻井平台桩腿建造柔性胎架，并对胎架中胎箱和支撑立柱等核心构件进行强度分析，螺纹副耐磨性和支撑立柱的稳定性是胎架强度的关键，参考相关国家标准进行螺纹副设计，并对立柱进行稳定性校核。设计出的新型柔性胎架，已应用于国内某大型海工企业多艘不同型号自升式平台桩腿的建造。根据不同型号的平台桩腿尺寸调节胎架上的调节螺栓，支撑立柱采用多个标准件的组合满足不同型号平台对支撑高度的要求。新型柔性胎架的多产品通用性提高，可减少胎架制作工时、节约建造成本，从而提高海洋工程的建造效率，缩短建造周期。

[ 1 ] DONG Wei-liang. Recent advances on operation of jackup rigs in China[C]. Maui, HI, United states: International Society of Offshore and Polar Engineers, 2011.

[ 2 ] 丁果林，徐捷. JU2000自开式钻井平台桩腿建造检验[J]. 中国船检. 2005，17(11): 86-88.

[ 3 ] 中国船级社. 海上移动平台入级与建造规范[S]. 2005.

[ 4 ] Society of Naval Architects and Marine Engineers. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units[S]. 2007.

[ 5 ] 周宏，罗宇，蒋志勇，等. 高强度桩腿齿条厚板切割数值仿真研究[J]. 中国造船. 2013，54(03): 105-113.

[ 6 ] ANON. Slant leg jack-up rig increases water depth[J]. Journal of Offshore Technology. 2000, 8(1): 23-26.

[ 7 ] FU Peng, YANG Shu-geng. Sensibility analysis for the main parameter of simplification of boundary condition for legs of jack-up[C]. Nanjing, China: IEEE, 2011.

[ 8 ] 唐文献，秦文龙，张建，等. 自升式平台桩靴结构优化设计[J]. 中国造船. 2013, 54(03): 78-84.

[ 9 ] 王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[10] 闻邦椿. 机械设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

[11] GB/T 5796.3-2005.梯形螺纹 第3部分：基本尺寸[S]. 北京, 2005.

Design and Mechanical Analysis of Flexible Jig for Leg Manufacturing of Jack-up

WANG Shun1, LIU Yu-jun1, WANG Ji1, YU Ze-tong2

(1.School of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China;2.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China)

Due to various designs in racks and semicircle tubes, dedicated jigs are used in the manufacturing of most jack-up legs, which decreases the productivity. In this research, a new flexible jig system with jig and support column was designed to meet different production requirements of many jack-up platforms. Mechanical problems in the flexible jig were analyzed, screw pair was designed according to the national standards. Stability and strength of support column were checked. The new flexible jig designed in this study can satisfy the varied requirements of the strength and the straightness for common jack-up leg manufacturing and the convenience of construction, reduce the production time and the construction cost of jig, and improve the construction efficiency of marine engineering.

jack-up platform; flexible jig; leg manufacturing; mechanical analysis

2013-11-22

国家863计划海洋技术领域课题“300英尺自升式钻井平台关键技术与装备”(2011AA090201)。

王 顺(1988-)，男，博士研究生。

1001-4500(2015)05-0042-06

P75

A