LIFTBOAT平台圆柱型桩腿强度分析

李艳臣+熊伟+方佩文

摘 要：本文阐述了Liftboat平台圆柱形桩腿结构强度的基本理论，并以圆柱形桩腿为例，通过有限元分析，说明此类平台桩腿结构强度的分析方法及过程。

关键词：Liftboat； 自升式平台；圆柱形桩腿；强度计算

中图分类号：U663.7 文献标识码：A

Abstract： This paper describes the theory of structure strength analysis for the liftboat cylindrical leg. By FEA， this paper explains the process and method for the strength analysis of the cylindrical leg.

Keg Word：Liftboat； Self-elevating platform； Cylindrical leg； Strength analysis

1 引言

Liftboat自升式平台具有活动的桩腿，主船体能沿着支撑于海底的桩腿升至海面以上的预定高度，相对于受季风季节影响较大的居住工作驳船，Liftboat更能适应比较恶劣季风季节天气，保障油田正常施工。正是由于Liftboat这种优势，国外尤其是中东及东南亚等地区，近年来对于Liftboat的需求不断增加，国内船厂Liftboat的建造数量也逐年增加。季风环境状况恶劣，且Liftboat用于人员居住和工作支持，因此Liftboat平台的结构安全非常重要，尤其是自升式平台的主要结构桩腿强度。

本文以Liftboat平台的结构安全为目的，阐述了桩腿计算的强度理论，并以一圆柱形桩腿的Liftboat平台为例，通过有限元分析，说明了此类平台的桩腿结构强度的分析方法和过程。

2 桩腿结构强度失效形式

自升式平台结构强度的失效形式主要有三种：屈服强度失效；屈曲强度失效；疲劳强度失效。

2.1 屈曲强度

2.1.1 压弯工况

对于圆柱形桩腿等类型的独立构件，当杆件受到轴向压力以及有弯曲产生的挤压，其屈服强度需满足以下要求：

2.1.2 拉伸工况

当杆件受到轴向拉伸以及弯曲产生的拉伸作用，计算应力应满足以下要求：

式中符号代表意义见参考文献[3]。

2.2 屈曲强度

圆柱壳体结构遭受外力产生屈曲，根据圆柱壳体的内部结构形式，通常有以下三种典型屈曲形式，见图1。

式中的符号代表意义见参考文献[5]。

因圆柱体屈曲形式有以上三种典型形式，不同形式的屈曲强度校核公式因其内部结构形式不同略有不同，以无加强或者加强环加强的柱体凹凸屈曲为例，屈曲强度可按以下公式进行校核，详见参考文献[5]。

（ 7 ）

2.3 疲劳强度

疲劳强度校核的目的是为了确保平台在使用过程中，在遭受复杂外力的情况下有足够的疲劳寿命。根据规范要求，一般疲劳寿命不少于20年。

3 桩腿结构强度分析内容

圆柱壳体桩腿的结构分析以杆件有限元分析为主，通常利用SACS软件的杆元形式，模拟桩腿以及船体结构，在校核桩腿强度的同时，也要校核自升式平台的总体性能，包括站立工作状态和极限工作状态的桩腿强度、升降系统的承载性能、预压载性能、桩靴的承载极限以及船体抗倾覆稳性等。

4 算例

以Liftboat为例，采用长方形箱型结构主船体，配有四个圆柱壳体形式桩腿，首尾各两个，桩腿两边设置非对称齿条，每个桩腿上配备7对液压（或者电动）驱动升降系统，在拖航、作业以及极限自存工况下，升降系统利用制动器对驱动单元进行制动，提供能满足风暴载荷的制动扭矩。每个桩腿带有一个圆形桩靴，拖航时可收回至船体底部位置。

用结构有限元分析软件SACS建立图2所示模型。按照规范要求，加载空船重量以及可变载荷，相应的环境载荷（见表1），包括风力、浪流载荷、由浪流作用产生的动力放大DAF以及侧向力引起的二次弯矩P-Δ。考虑桩腿对角线的方向，环境载荷的作用方向从0°～180°共7个方向，各方向环境载荷见下表2。

4.1 计算结果

有限元分析结果及后处理结果表明，桩腿强度、升降系统的承载性能、预压载性能、桩靴的承载极限以及船体抗倾覆稳性等都满足规范相应要求。

4.2 屈曲强度结果

利用SACS进行整体分析时，根据单根杆件的受力特征，调整圆柱桩腿结构的无支持长度，按照相应压杆稳定理论进行调整。考虑相应调整的同时，根据整体模型计算的组合工况载荷大小，按照规范要求，核实圆柱形桩腿的屈曲强度，具体结果见表3。

4.3 疲劳分析结果

圆柱形桩腿的结构特征，以及桩腿壳体制作时的焊缝形式皆为全熔透焊接形式，疲劳分析的关注点集中在桩腿和桩靴的连接位置，疲劳分析采用简单疲劳分析方法。偏于保守考虑，选用风暴自存工况下组合工况的最大作用力，以桩腿和桩靴连接位置应力集中处为考察对象，校核其疲劳强度如图3所示。分析结果表明，疲劳寿命满足规范要求的最低20年的最小疲劳寿命。

5 结论

本文从理论和实例出发，阐述了LIFTBOAT等自升式平台的圆柱形桩腿强度的计算原理和分析方法，并得出以下结论：

（1） 桩腿强度的失效形式主要有屈服强度失效、屈曲强度失效和疲劳强度失效三种形式。

（2） 总体性能是决定平台安全操作的首要条件，满足桩腿强度要求的同时要满足平台的总体性能要求。

（3）桩腿是自升式平台的关键结构，桩腿的安全是平台安全的前提条件，强度校核时考虑了DAF、P-Δ等因素的影响，计算偏于保守。

参考文献

[1] 常双利. LIFTBOAT平台在海洋油田的应用分析[J]. 石油机械，2010，38（1）.

[2] 李红涛. 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）.

[3] ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units [M] 2008 （with Rule Change Notices）.

[4] ABS Guide for Fatigue Assessment of Offshore Structures and Commentary [M]， 2014.

[5] ABS Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures[M]， 2014.

[6] SACS，Structural Analysis Computer System[P].endprint