基于Usfos的非线性分析程序研究海洋平台的极限承载力

刘 续，陈 达，钱亚林

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司石油工程技术研究院， 上海 200120）



基于Usfos的非线性分析程序研究海洋平台的极限承载力

刘 续，陈 达，钱亚林

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司石油工程技术研究院， 上海 200120）

摘 要：海洋平台极限承载力研究一直是平台结构安全评估的最重要部分，越来越受到人们的关注。以“勘探二号”自升式钻井平台为研究对象，利用非线性分析USFOS软件分析计算了该平台的极限强度，评估了现役平台的安全性能。研究结果表明，“勘探二号”平台在45°环境极限条件时平台结构最危险。该研究为现役自升式钻井平台安全风险评估提供了一种比较先进而精确的方法，对今后类似海洋平台安全风险评估具有一定的指导意义。

关键词：极限承载力；非线性分析；安全性能

众所周知，海洋平台在海洋石油工业发展中是必不可少的，但是，海洋平台都存在使用寿命问题。截止目前，海洋平台已有三分之一达到了设计使用寿命，其中，一部分平台已经报废，另外一部分平台通过不断升级改造和修理，通过了船级社的评估和论证，延长了使用寿命，还在继续使用。由于海洋环境的影响和意外情况的发生，平台在长期使用中势必会受到一些损伤破坏，从而导致平台结构强度下降，影响平台的安全性能。因此，对海洋平台的结构极限承载力的研究显得十分重要，尤其对于老龄平台。极限承载力的研究分析是平台结构安全风险评估的最重要的手段和方法。

USFOS软件是DNV研发的有限元结构分析程序，它在国外海洋工程上的应用非常多，但它在国内应用还不够广泛。该程序在产品结构遭受碰撞或损坏后的完整性评价、垮塌分析、事故载荷分析等方面的应用研究具有至关重要的作用。USFOS能够精确真实地模拟垮塌过程，从最初的屈服，到完全倒塌变形，到最后的倾倒过程。本研究就是基于Usfos的非线性分析程序来研究海洋平台的极限承载力，平台结构材料处于弹塑性状态下呈现出非线性特性[1]。

1 分析理论

通过持续增加平台结构的环境载荷，计算分析结构的应力应变情况，直到结构因受力较大产生较大变形甚至损伤破坏而不能继续承受更大的载荷时，可以得到结构的极限状态。研究分析时要考虑大位移和塑性的影响，单个结构杆件刚度变化的影响也是需要考虑的因素，如屈曲或塑性。这样的失效破坏能引起应力的重新分布[2]，从而使结构的非线性特性表现突出直至结构达到极限受损失效。

海洋平台结构较复杂，冗余度[3]较大，属于高次超静定体系，其富余的冗余度为平台结构抵抗外界载荷作用提供了较大的强度保障；此外，平台在制造和施工安装及平台服役期间都会受到碰撞或者损伤，以及海洋环境对平台的影响，如腐蚀、变形和疲劳破坏等，从而导致平台结构整体性能受到影响，极限承载力下降。因此，海洋平台的安全风险评估必须研究结构体系的极限承载能力[4]。

2 工程实例

2.1 有限元模型

以“勘探二号”自升式钻井平台为研究对象，采用USFOS程序进行建模：

（1）根据桁架式自升式钻井平台的结构特点，采用板、梁单元来模拟平台结构。通过合理的计算简化，将平台结构模拟为板梁空间结构。鉴于本文主要研究桩腿结构，因此把主船体简化成合理的刚性板梁结构。采用板单元来模拟平台的主甲板、机械甲板及底板、纵横舱壁等主要结构；其加强筋等结构未加考虑。

（2）按照平台结构实际尺寸对桩腿的水平撑杆、水平腹杆以及斜撑杆进行建模模拟。弦杆由两个半圆管与齿条板焊接而成，而USFOS程序无法模拟这种特殊结构，因此采用等效圆截面法来模拟该特殊结构。桩靴部分采用等效梁来简化计算，未考虑桩靴对平台的影响，假设认为桩靴的强度足够大。

（3）桩腿和主船体通过桩腿上的齿条与升降装置上的齿轮连接，模拟结构示意图如图1所示。

图1 齿轮齿条连接模拟模型

（4）板单元采用USFOS程序中4节点四边形和3节点三角形的单元进行模拟。

根据以上模拟处理方法建立“勘探二号”平台整体和桩腿有限元模型，分别如图2和图3所示。

图2 平台整体有限元模型

图3 桩腿有限元模型

2.2 环境载荷

针对南海某海域环境条件，进行非线性分析时选择该海域环境最恶劣环境条件，具体参数如表1所示。

表1 极端环境参数

2.3 载荷组合

在平台计算分析中，选取八个方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°）施加环境载荷。因此每个方向的载荷由两部分组成：一部分是结构垂向载荷（主要为结构自重、设备载荷、浮力等）；另一部分是水平环境荷载。垂向荷载以一步加载到结构上，水平荷载以逐步增加加载到结构上，直到结构发生损伤失效。因此，对平台进行分析时将垂向载荷与水平载荷组合，组合载荷如表2所示。

表2 载荷组合

3 结果分析

腐蚀对海洋平台带来了严重的安全隐患[5]，严重影响了海洋平台结构的安全可靠性。考虑到腐蚀的影响，假设均匀腐蚀量为5 mm，使用USFOS计算分析时，在USFOS设定中将最大分析步数设定为500，最大加载步长为1，程序自动累加载荷，自动步长，直至计算不收敛时程序运算停止。当结构达到了极限状态时，可以得出完好与腐蚀工况下平台载荷对位移的响应情况。

程序计算时，垂向载荷一步运行，水平载荷是逐步施加到结构上的，因此载荷对位移的响应情况在刚开始变化是一样的，随着水平载荷的作用，载荷随着位移变化的增加而不断增加。根据载荷对位移的变化规律可以得出，平台在八个方向的极限承载力与位移的关系变化趋势是相同的，其在45°方向承载力最小，平台在此方向载荷作用时最危险。

当结构达到了极限状态时，用程序提取此时的结构底部各个节点的基底剪力值，得到结构极限承载力与海洋环境作用角度数据的关系曲线图，见表3和图4。

表3 平台极限承载力数据

图4 极限承载力与载荷作用角度曲线图

从表3和图4可以看出，“勘探二号”平台受到腐蚀后，平台结构的极限承载力明显下降，完好平台在45°极限承载力最小为28 300 kN，而受到均匀腐蚀的极限承载力为24 700 kN，说明腐蚀对平台结构安全性能的影响还是很大的，但是该平台仍具有较大的剩余强度。

4 结论

本研究通过利用USFOS非线性分析软件建立了“勘探二号”自升式钻井平台的实体模型，分析了该平台的极限承载力，并且考虑了腐蚀对平台结构强度的影响，得出了“勘探二号”平台仍具有较大的剩余强度的结论。它具有以下特点：

（1）比较精确地模拟了自升式钻井平台和桩腿的有限元模型，合理简化处理了桩靴、桩腿齿条和升降装置齿轮等结构模型，比较真实地模拟了平台的实际情况；

（2）发现腐蚀对平台极限承载力的影响是很大的；

（3）发现平台在八个方向中处于45°时极限承载力最弱，但仍然具有较大的强度潜力，该平台通过合理的、经济有效的修理改造和维护保养，仍然可以继续使用数年；

（4）Usfos非线性分析在海洋平台上的应用研究为海洋平台结构安全风险评估提供了一种比较先进、精确而有效的方法。

参考文献：

[1]Ueda Y，RASHED S M H. Modern Method of Ultimate Strength Analysis of Offshore Structures[C]. International Journal of Offshore and Polar Engineering，1991，1（1）：27-41.

[2]许滨，申仲翰．海洋导管架平台的极限强度分析[J]. 海洋工程，1994，12（3）：8-16.

[3]欧进萍，肖仪清，刘学东．导管架式海洋平台结构极限承载力分析的整体推进法及其软件[J].海洋工程，1999，17（3）：1-10.

[4]王楠，吴建政，徐永臣，等．硬土层地基破坏模式及承载能力有限元分析[J].海洋石油，2012，32（4）：88-95.

[5]肖仪清，欧进萍． 缺陷和损伤对导管架式海洋平台结构极限承载力的影响[J]. 中国海上油气，1999，11（6）：16-22.

Study about the Ultimate Bearing Capacity of Offshore Platform with Usfos Nonlinear Analyzing Program

LIU Xu, CHEN Da, QIAN Yalin
（Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

Abstract：Study about the ultimate bearing capacity of offshore platform is an important part of safety assessment on the platform structure. People are paying more and more attention to it. With “KAN TAN 2” jack-up drilling platform as an example, the ultimate bearing capacity of offshore platform was analyzed and the safety performance of the platform in-service was evaluated with the Usfos nonlinear analysis software. The study results indicated that the patform of “KAN TAN 2 ” is in the most dangerous conditions in the 45° extreme environment. This study can provide a more advanced and accurate method for security risk assessment of the jackup drilling platform in-service， and also has some guiding significance for security risk assessment of the similar offshore platform in the future.

Keywords：ultimate bearing capacity; non-linear analysis; safety performance

中图分类号：P75

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.01.083

文章编号：1008-2336（2016）01-0083-04

收稿日期：2015-10-22；改回日期：2016-01-13

第一作者简介：刘续，男，1990年生，助理工程师，大学本科，现从事海洋石油工程技术研究工作。E-mail：liux.shhy@sinopec.com。