一种悬臂梁结构设计优化方案

刘 远，黄曌宇，金 晶

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

一种悬臂梁结构设计优化方案

刘 远，黄曌宇，金 晶

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

针对目前自升式悬臂梁结构的形式和特点，以某自升式平台为例提出一种优化方法，使用较小的修改成本即可以使得站位作业区域最远点的承载能力明显增加，扩大悬臂梁的作业范围。

优化设计；悬臂梁；载荷表；自升式平台

油价不断创出新低的背景下，性价比高且日均消耗低的自升式平台势必占有较大的市场优势。须在市场的低谷期做好产品的优化设计，提供性能更好的新产品，才能跟上客户的新要求。悬臂梁作为自升式平台关键结构之一，其承载能力提升对自升式平台整体性能提升效果明显，在站立作业区域，悬臂梁最大外伸时，钻台在左右最远点的作业能力也通常作为衡量自升式平台作业能力的重要指标之一。目前对悬臂梁结构的研究多为对悬臂梁结构原型的认识和理解[1-2]，多集中在结构有限元分析和荷载表编制等工作上；项目中遇到悬臂梁承载能力不足时常用的优化措施主要是侧壁局部加强及悬臂基座加强等，对悬臂梁承载能力提升不明显。

实际建造过程中，往往由于设计原因或者采购的设备超重，导致悬臂梁能够承载的最大许可组合载荷能力降低。拟以某即将完成建造的自升式平台悬臂梁结构为例，提出一种全新的优化方案，尝试以较小的代价获得钻井能力显著提升。

1 结构强度设计限值

图1 悬臂梁及钻台结构侧视图

以某400 ft自升式钻井平台为例，其悬臂梁结构主体为门字形结构，尾端有钻台支撑横梁，钻台可以在横梁上的一定范围内左右滑移，见图1。悬臂梁在外伸时，钻井载荷、钻台结构及设备重量主要是由悬臂梁的纵向构件即两侧工字形的侧壁承载，见图2。

图2 悬臂梁典型横剖面结构图

作业时，悬臂梁和钻台移动到某特定位置时结构所能承载的最大荷载是由主要是由侧壁结构强度，悬臂基座强度，以及悬臂梁钻台结构连接高应力区域等位置的局部强度来决定的，通过悬臂梁纵向和钻台横向的移动，井口可以在整个作业区域内任意点进行作业，悬臂梁在作业区域(即包络线区域)的作业能力通常用载荷表的形式给出。在编制载荷表时，可以根据悬臂梁结构的特点将悬臂梁两侧的工字形侧壁板简化为2个单跨梁结构。其中，钻井荷载、钻台结构及设备重量根据按照集中载荷处理，悬臂梁的结构重量及悬臂甲板上的设备重量等效成2段均布荷载加载[3]。

按照上述的简化方法，单跨梁结构强度可以依据悬臂梁侧壁的纵向构件剖面特性得出[4],根据许用的最大应力,得到悬臂梁侧壁截面能够承载的最大弯矩和剪力；抓紧基座和支撑基座最大承载能力，按照AISC 钢结构设计手册评估得出[5-6]。在每个作业位置对悬臂梁进行加载，在不超过上述4个设计限值的情况下得到最大的许可载荷值，即为钻井平台在该工况下的最大钻井能力，进而得到包络线区域载荷表(见表1)，上述步骤通常使用程序自动计算得出。

悬臂梁结构局部强度可选取几个典型工作位置，按照载荷表中得到最大许可载荷值进行整体有限元分析评估，这是目前悬臂梁结构设计过程中普遍采用的方法。其中，悬臂梁二层甲板，堆场甲板等结构尺寸较小，或在纵向仅部分连续，仅在有限元方法进行整体强度分析时才加以考虑。

表1 某400 ft平台载荷表 kN

2 悬臂梁结构和布置优化

由表1可见，包络区域内平台的钻井能力随着悬臂外伸，钻井载荷会逐步降低，并在最远端的2侧降低到最小值，该位置的载荷许可值不及中心区域的一半，许可值的降低意味着平台的钻井能力降低。图3为某400 ft自升式平台悬臂梁外伸22.86 m(75 ft)时抓紧基座及支撑基座承载随着钻台结构左右移动的变化趋势，可以看出降低的原因主要是钻井载荷在达到最大设计值之前，结构的承载已经达到了设计限值。由于钻井载荷主要由悬臂梁两侧的侧壁结构承载，钻台向某一侧移动时，该侧的侧壁承载的载荷随之增加，直到承载能力达到设计限值，另一侧载荷值相应降低。如左侧壁承载的载荷Fside可以按照以下公式得出。

图3 外伸22.9 m工况钻台左右滑移时载荷趋势

式中：a,b分别为钻台载荷合力Fcom作用点到悬臂梁左、右两侧壁的距离。在设计的包络线区域内左右移动井口位置时，a和b的差值会逐步增加，左、右两侧壁承载的载荷差距也相应变大。

图4 滑移轨道间距示意

从图4载荷趋势图看到，在靠近中心线左、右两侧约1.5 m的范围内，最大组合载荷达到设计要求时(范例平台为13 610 kN)抓紧基座和支撑基座承载逐步达到设计限值，如果钻台继续向外侧移动，则需要逐步降低最大组合载荷值(通过降低钻井载荷或者立根数量实现)，以保证抓紧基座和支撑基座上的反力不超过设计限值。本范例中，悬臂梁承载弯矩和剪力能力余量较大，在整个包络线内都未达到设计限值，因此未在图3中给出。

目前，范例所述400 ft平台的悬臂梁侧壁间距为18.27 m，钻台的允许最大横向滑移距离为4.57 m(单侧)，在钻井载荷不变的情况下，通过降低钻台左右的滑移距离，或者增大悬臂梁侧壁间距，都可以使得2侧壁分担的载荷差异降低，避免某一侧壁迅速达到承载能力的极限值。由于钻台左右滑移距离和作业包络线大小直接相关，是自升式平台钻井能力的重要指标之一，仅剩下悬臂侧壁间距即悬臂梁的宽度可以调整。

通过该平台的布局研究获悉，甲板设备通过重新布置，可以给悬臂梁的侧壁外移即悬臂梁基座外移预留出优化空间。如果保留和滑移相关的设备如拖曳电缆，泥浆回流槽，滑移装置等的布置空间，悬臂梁侧壁和尾部桩腿抬升机构之间的间距仍有3 m左右。实际由于悬臂梁侧壁间距增加，内部布置空间相应变大，拖曳电缆和滑移装置等设备可以移到悬臂梁结构内部，以预留更多空间。最终外移的距离可以根据甲板设备布置，支撑横梁的强度等尤其是客户客户实际需求等因素综合考虑来决定。在保持悬臂梁及悬臂基座的设计载荷限值大小不变的情况下，将悬臂梁2侧侧壁各向外移3 m(10 ft)时的载荷见表2。

表2 优化后的载荷表—右舷 kN

选取悬臂梁向后滑移22.9 m，钻台向右滑移4.6 m和7.6 m位置工况使用有限元分析软件对结构整体强度进行校核。由于悬臂梁的加宽导致结构重量增加大约120 t，约占钻台和悬臂梁结构和设备总重的4%左右，主要集中在靠近船艏一侧；悬臂梁上的钻井设备重量参照原始布置位置进行加载，钻台和钻井荷载使用MPC点加载到钻台支撑结构的4个点位置，计算得到的悬臂梁侧壁的应力见图5，悬臂梁侧壁最大应力为338 MPa，符合ABS规范要求，并且仍有较大的余量。

3 结论

1)相同尺寸的包络线区域内，表2中优化后的载荷表和表1原设计载荷表相比较，两侧最远端的钻井载荷值增幅约为1/3。

2)由于侧壁外移，钻台可以左右滑移的距离相应增加，即一次站位可作业范围变大。

可以看出侧壁外移对钻井能力提升明显，在

实际工作中，如果能够结合其他的优化方法，比如调整悬臂梁局部的侧壁高度，提高支撑位置等高应力区域的材料等级，对悬臂基座加强等，能够进一步提升和改善悬臂梁的承载能力。文中提出的设计思路对旧船型优化或者新船设计也应有借鉴意义。

[1] 刘祥建，戴挺，张佳宁，等.自升式平台悬臂梁结构分析方法的研究[C].中国钢结构协会海洋钢结构分会2010年学术会议暨第六届理事会第三次会议论文集,郑州,2010.

[2] 任宪刚,白勇,贾鲁生.自升式钻井平台悬臂梁研究[J].船舶力学, 2011,15(4):402-409.

[3] 刘远，张家齐.悬臂梁载荷表计算过程中的重量处理方法[J].船舶工程，2013，35(2)：23-24.

[4] 汪怡，黄曌宇.自升式平台悬臂梁载荷表的编制方法[J].船舶工程，2013,35(2)：72-74.

[5] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. ABS,2012.

[6] AISC. Specification for structural steel buildings ASD [S]，AISC，1989.

A Method of Cantilever Structure Optimization for Jack-up Drilling Unit

LIU Yuan, HUANG Zhao-yu, JIN Jing

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd, Shanghai 200125, China)

Taking one jack up rig as an example, according to the characteristic of the cantilever beam, an optimization method is proposed to improve drilling capacity of jack up rig significantly at the furthest point in the drilling envelope with a small cost.

optimization design; cantilever; load chart; jack up rig

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.008

2016-04-18

刘 远(1978—)，男，硕士，高级工程师

P751

A

1671-7953(2016)06-0034-04

修回日期：2016-06-06

研究方向:自升式平台结构设计及计算

E-mail:liuyuan_hg@zpmc.net