浅海坐底式平台强度分析研究

安长武

（中石化胜利石油工程有限公司，山东 东营 257000）

0 引言

浅海坐底式平台结构由沉垫、主体及两者间连接支柱组成，是最早应用的一种移动式海洋平台，具有结构简单、易于制造、造价远、工作可靠、操作便利等特点，一般适于10 m以内作业水深的浅海区域勘探作业。当作业水深较大时，平台沉垫与主体间连接支柱尺寸需要加大，这不仅增加了结构与成本，而且在漂浮状态平台重心过高，降低了平台拖航的安全性[1，2，3]。

浅海坐底式平台在拖航、正常作业、风暴自存等状态不仅承受船体重量和作业载荷，还受到风、浪、流等环境载荷作用，因此必须首先保证平台作业的安全性[3]，而平台整体结构强度有限元分析对平台设计具有重要意义。本文以胜利作业八号坐底式平台为例，利用ANSYS软件建立了包括沉垫、主甲板及支柱等结构的平台整体强度有限元分析模型，对坐底式平台整体强度分析的方法及过程进行了研究。

1 示例平台介绍

1.1 平台简介

胜利作业八号平台是一座坐底式作业平台。平台主要结构由沉垫、主甲板、作业甲板、连接支撑立柱等部分组成。沉垫内设有泵舱、压载舱、燃油舱、淡水舱和油污水舱等。主甲板上的生活区设有生活居住房间及全套生活设施，动力设备区设有主机房、空压器间、锅炉房、液压站、配电间等。

1.2 主要参数

平台主体型长60.0 m、型宽28.0 m、型深2.7 m；主甲板边线距基线13.5 m；作业甲板长31 m，宽25 m，作业甲板距基线18.5 m；主甲板及沉垫肋距0.5 m；泵舱主通道直径Φ2.5 m，副通道直径Φ1.0 m.

1.3 设计工况

设计最大作业水深8.5 m（含天文潮及风暴潮）；修井作业工况最大风速36 m/s，表面流速2.5节（1.285 m/s），最大波高4.6 m，相应周期8 s；风暴自存工况最大风速51.5 m/s，表面流速2.5节（1.285 m/s），最大波高5.6 m，相应周期8 s；油田拖航设计风速36 m/s，远洋拖航设计风速51.5 m/s.

2 结构分析模型

2.1 结构分析基本假定

（1）材料是线弹性的，节点应力和应变之间符合胡可定律，成比例关系。

（2）结构变形后尺寸与原始尺寸相比可忽略不计，均为小尺度变形，可采用叠加原理。

2.2 结构分析基本方程式

2.2.1 静力平衡方程[4，5，6]

节点所受外载荷与节点位移引起的内力相等，即

式中：P为节点所受外载荷；F为节点位移引起的内力。

2.2.2 变形协调方程[4，5，6]

汇于一个节点的各单元在外载荷作用下，保持变形后仍汇于一点，整个结构各节点间几何尺寸满足变形协调方程。

2.2.3 应力应变方程[4，5，6]

节点应力和节点应变呈比例关系，即

式中：f为应力；Δ为应变；k为刚度系数。

2.3 有限元模型

2.3.1 建模要求

平台沉垫、主甲板及作业甲板为空间板、梁的组合结构，根据平台结构特点，采用板壳单元SHELL63、梁单元 BEAM188及管单元 PIPE59、PIPE16等建立平台有限元模型。

平台主甲板、作业甲板及沉垫甲板、底板、舷侧板、艏艉壁板、舱壁板等板结构采用SHELL63板单元模拟；泵舱通道、主甲板与沉垫间连接立柱、斜撑、作业甲板立柱及沉垫舱内支柱等结构采用PIPE59、PIPE16管单元模拟；纵桁、强横梁及舱壁扶强材等框架构件采用BEAM188梁单元模拟。在模型中未对主甲板上部横移轨道、起重机基座、工程房、生活楼、直升飞机平台等平台附属结构建模，而是通过将上述结构局部强度分析获得的支反力按载荷施加在主体结构相应位置上加以考虑。

平台坐底状态时，在垂向方向海底地基对沉垫底板的起弹性支撑约束作用，在水平方向海底土对沉垫底板有摩擦作用力并对抗滑桩入泥部分提供水平约束。在模型中，按沉垫底板单元的弹性基础（即弹性基础板单元）来考虑垂向约束。根据海底地基条件确定弹性基础刚度系数。在ANSYS程序中Shell63板壳单元具有一个实常数，专门用来处理弹性基础，将弹性基础刚度系数k输入，ANSYS即可对地基进行计算处理。

建立模型时，考虑板梁复合弯曲时板、梁中性轴不一致产生的偏心问题，根据板、梁构件实际尺寸，对梁单元设定相应的偏心值，保证构件模型和实际结构尺寸一致。

平台有限元模型共有个38 107节点，52 680个单元，包括698个PIPE59单元，898个PIPE16单元，21 870个BEAM188管单元，29 214个SHELL63壳单元。平台有限元模型图如图1所示。

图1 平台有限元模型图

2.3.2 腐蚀裕量考虑

平台沉垫甲板、舱壁板及主甲板、作业甲板等SHELL63板单元以及BEAM188梁单元的立板、面板腐蚀裕量按1.5 mm考虑，PIPE59、PIPE16等管单元壁厚腐蚀裕量按1.5 mm考虑，沉垫底板腐蚀裕量按3 mm考虑。

2.4 载荷施加

综合考虑平台平台各工况所受到的载荷，在计算时主要考虑平台固定载荷、可变载荷及环境载荷。

2.4.1 固定载荷

固定载荷主要包括平台钢结构、设备、管线、电缆、舾装等重量，其中钢结构重量由程序根据所建模型自动完成计算，而设备、管线、电缆、舾装等根据实际情况，按照《甲板载荷图》进行施加。

2.4.2 可变载荷

可变载荷主要包括平台试油、修井作业时大钩、泥浆、药品、钻具等作业载荷及起重机吊重载荷、直升机降落冲击载荷、生活淡水、备品等生活载荷等。

泥浆舱、散料堆场作为均布面载荷施加于相应位置，将局部分析获得的作业甲板修井模块载荷支反力根据相应作用位置施加于作业甲板纵轨道节点，生活区结构及可变载荷、钻具等作为按线载荷施加于相应节点位置，燃烧臂载荷、起重机及吊重载荷、锚机等作为集中载荷施加于相应位置。

2.4.3 环境载荷

环境载荷主要包括风载荷、波浪与海流载荷等，环境载荷计算坐标系如图2所示，计算中按纵向（0°）、横向（90°）及斜向作用方向考虑，各工况中按上述环境载荷作用方向相同考虑。

（1）相应工况构件所受风载荷根据《风载荷计算书》选取，按均布或集中载荷施加到相应构件节点或单元上，对于未建模的构件所受风载荷施加至对应平台上部对应位置，对应折减的风弯矩转化为力偶矩施加。

（2）沉垫作为按大尺度结构物，其所受波流载荷按绕射理论进行计算，作为面载荷施加到到沉垫相应单元上；沉垫与上甲板连接支柱及泵舱通道作为小尺度构件，采用莫里森公式进行计算，在模型中采用PIPE59单元模拟受波流载荷作用的上述结构，程序可自动计算、施加相应结构的波流载荷。见图2.

图2 计算坐标系

2.5 计算工况

按修井作业工况、风暴自存工况和远洋拖航工况进行平台整体强度分析。

（1）修井作业工况：平台进行试油、修井等作业，钻台移出至钻盘中心距船艉8.0 m，横移至钻盘中心距船中2.5 m，大钩载荷为最大钩载1 580 kN（注：计算时按起重机吊重载荷与与环境载荷作用方向相同考虑）。

（2）风暴自存工况：平台不进行试油、修井等作业，将钻台收至拖航位置，并进行固定。

（3）远洋拖航工况：平台漂浮于水面，考虑风及波浪载荷作用，按中拱（波峰位于船舯）与中垂（波谷位于船舯）2种情况进行分析，设计波长取为平台型长。

3 计算结果

3.1 许用应力

平台沉垫材质采用CSA、CSB船用钢，主甲板及作业甲板材质采用DH36、EH36高强度船用钢，沉垫与主甲板之间连接支柱材质采用DH32高强度船用钢。板结构安全系数为1.11，梁及支柱结构安全系数为1.25[7，8]，相应屈服强度及许用应力如表1所示。

表1 平台结构许用应力

3.2 结果分析

平台各工况下整体结构强度有限元分析结果如表2所示，从表中可以看出：正常作业工况、风暴自存工况及远洋拖航工况下平台沉垫、主甲板、作业甲板及支柱结构的计算最大应力均小于相应的材料许用应力，强度满足要求。作业工况（环境载荷斜向作用）下平台主要结构的应力分布见图3、4.

表2 平台整体结构强度有限元分析结果

图3 平台应力整体分布图

图4 立柱应力分布图

4 结论

（1）从计算过程及结果分析，笔者提出的坐底式平台整体强度有限元分析模型与方法是合理的，可准确模拟平台结构的实际情况，具有一定的实际工程意义。

（2）以胜利作业八号坐底式平台为例，对平台整体结构强度进行了校核，结果表明，在各种工况下，平台沉垫、主甲板、作业甲板及支柱结构强度均满足要求。

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