自升式平台水密桩靴内部介质与桩靴结构承压性能计算分析

曲健冰，王飞

(1.中国船级社 海洋工程技术中心，天津 300457；2.中海油田服务有限公司 钻井事业部，北京 101149)

根据不同的设计理念，自升式平台的桩靴从水密性角度可分为与海水联通和水密2种形式。水密桩靴由于随着水深加大内外压差会随之升高，静水压溃的风险也随之提升，为避免静水压溃的出现，构件的尺寸需要大于联通的桩靴。

各船级社的移动平台规范中对于水密桩靴内外压差在强度计算中的考虑都进行了要求，但对于如何进行考虑并未提出详细的要求。出于保守考虑，通常情况下将水密桩靴的内压计为0，但实际上由于内部填充介质的存在，其内部压力会在桩靴结构体积被压缩后上升，上升的数值与内部介质的压缩性能直接相关。为此，通过水密桩靴中不同介质的模拟分析(不同比例的海水与空气)，定量分析封闭桩靴内介质对其强度的影响。

某自升式平台将桩靴改造加大后，在使用中发现部分结构发生塑性变形的现象，经现场调查，确认为桩靴变形的原因是意外发生自封闭产生的内外压差。因此，有必要对桩靴内外压差的作用进行定量模拟分析，掌握自封闭后内外压差对强度的影响情况，为后续桩靴设计及校核提供参考。

1 基本假设

1)桩靴内的介质温度和状态不发生变化，即水不结冰也不发生气化。

2)压力沿桩靴深度方向上不发生变化。

3)桩靴结构受力在弹性范围内，不发生塑性变形。

4)桩靴内的空气不会溶解至水中。

2 介质受压性能考虑

考虑到封闭桩靴内可能存在海水与空气2种介质，因此本文对不同海水与空气的比率下桩靴受力的情况进行研究。桩靴内不同介质分布见图1，桩靴受压分布见图2。

图1 桩靴内介质分布示意

图2 桩靴内、外压力分布示意

2种介质在压力变化时体积的变化规律如下。

1)海水的体积随压强的变化规律。

V1水=V0水[1-β(p1-p0)]

(1)

式中：p0为初始海水压强，考虑取标准大气压，约为0.1 MPa；p1为变化后海水压强；V0水为初始海水体积;V1水为变化后海水体积;β为海水的压缩系数。

实际上海水的压缩系数与海水的温度和盐度均相关，假设温度无变化(一直保持为300 K)，将海水的压缩系数简化考虑为β≈4.5×10-4MPa。

海水体积的变化量可表示为

V1水-V0水=-βV0水[p1-p0]

(2)

2)气体体积随压强变化的规律可根据理想气体状态方程表示为

pV=nRT

(3)

式中：p为理想气体压强，Pa；R为气体常量；V为气体体积，m3；n为气体物质的量，mol；T为体系温度，K。

由于计算中假设温度未发生变化，气体的量和气体常量均为常数，因此气体体积变化可以表示为

p0V0气=p1V1气

(4)

式中：p0为初始气体承受压强，考虑取标准大气压，约为0.1 MPa；p1为变化后气体承受压强；V0气为初始气体体；V1气为变化后气体体积。

气体体积变化量可表示为

(5)

经计算，示例平台桩靴的总容积为1 555 m3。为方便对比，将不同含气百分比情况下1 555 m3介质体积变化量与压力变化关系绘制曲线见图3。

图3 桩靴内介质体积变化量与压力变化的关系

可以看出气体微量的比例将极大地改变桩靴内介质的抗压性能。对比发现在压力差为1 MPa时，空气的被压缩体积约为海水的2 000倍。

3 封闭桩靴受力特征分析

以某400 in自升式平台加大后的桩靴为例，对其封闭后下放到100 m水深时的变形及受力情况进行分析，考虑不同的内部介质(海水与空气)比例。利用有限元模型分析不同内外压差下桩靴变形引起的容积变化，由于本文中结构的分析为线性分析，桩靴容积变化量与压差的关系也表现为线性。

压差为1.0 MPa时桩靴的变形情况见图4，图中最大变形位置与实际桩靴属性变形位置一致，考虑引起变形的原因是面外压力作用下的局部屈曲。

图4 桩靴变形情况

通过不同压差情况下桩靴变形引起容积变化量的统计，得到桩靴容积变化量与内外压差关系计算结果，见图5。

图5 桩靴容积变化量与内外压差关系曲线

由此得出桩靴容积变化量与内外压差关系的解析式为

ΔV=K·pload

(6)

式中：pload为桩靴的内外压力差；ΔV为桩靴容积变化量；K为桩靴的体积变化率，该参数与桩靴的设计结构情况相关，这里通过有限元模型计算获取。

考虑到水密桩靴深入海底时，实际的受载状态是外侧受到海水的压力，内侧受到内部介质提供的压力，桩靴结构的受载总和为内外部压力的差值。考虑到桩靴内部的压力与桩靴的变形量的相关性，列出方程组如下。

(7)

式中：pout为外部压力，这里考虑下放到100 m水深+标准大气压，约为1.1 MPa；pin为桩靴内部介质承受压力，核心待求解参数；ΔV体积变化量，核心待求解参数；p0为初始海水及气体压强，考虑取标准大气压，约为0.1 MPa；V0气入水前桩靴内空气体积，已知参数；V0水入水前桩靴内水体积，已知参数。

求解以上方程组得到示例桩靴不同空气比率下比率内部支撑压力与桩靴内外压力差关系见表1，并绘制曲线见图6。由图6可知，本示例平台桩靴桩靴内部介质的支持压强在含气量为0～0.10%区间内变化最为剧烈；在含气量大于0.10%～0.20%区间内稍有变化；含气量大于0.20%之后的后变化非常平缓，并不断向内部完全无支撑作用趋近。考虑到内部介质原有的压强为0.1 MPa，当空气比率达到1.00%时，桩靴结构支撑压力约为内部介质支撑压力的110倍，内部介质的支撑能力可以忽略不计。

表1 不同空气比率下内部支撑压力与转学内外压力差关系

图6 桩靴内部含空气比率与压力关系曲线

4 内部介质对桩靴强度影响

通过计算得到100 m水深下，密闭桩靴不同的内部介质下(含气量0.00%、0.01%和1.00%)桩靴的受力分布情况见图7～9。图中应力的类型为等效应力，应力的单位为kPa。

图7 含气量为0时等效应力的分布

图8 含气量为0.01%时等效应力的分布

图9 含气量为1.00%时等效应力的分布

桩靴设计材料的屈服强度为355 MPa，通过以上计算可知：

1)排除有限元模拟失真的局部高应力情况，最理想状态下——桩靴内完全充满水(不含气体)，内部海水可以对桩靴起到有效的支撑作用，但距离完全抵抗外部水压差距甚远，100 m水深情况下，抵抗的压强在0.65 MPa左右，由内外压差引起桩靴的等效应力约为55 MPa。

2)当含气量增加0.01%时，桩靴的等效应力即增大至66 MPa；当桩靴内的含气量达到0.2%时，其对内部介质的支撑作用不足外压的1%，基本可以忽略不计；当含气量继续增加1%时，桩靴的等效应力即增大至155 MPa。

3)仅1%的含气量带来的内外压差给桩靴结构带来的应力增幅最大为100 MPa，占材料屈服强度的比率为28.2%，对结构的稳定性带来了非常不利的影响。由此可知，水密桩靴结构的实际受力对其中的含气量异常敏感，不足1%的含气量即可让内部介质的支撑作用几乎完全丧失，实际上桩靴内的海水和空气还会发生溶解，同样给桩靴的结构安全带来了极大的不确定性。

5 结论

1)由于水密桩靴的结构强度对桩靴气体的存在情况非常敏感，给桩靴的结构安全带来了极大的不确定性，因此建议在自升式平台的实际工程设计中不考虑水密桩靴内充满水对外压的抵抗作用，按照水密桩靴结构能够完全承压进行设计。

2)桩靴的意外水密对于桩靴的强度具有很大的影响，除在设计中考虑水密外，其他桩靴应设有有效的防自闭设施。

3)对于非水密桩靴，其中如存在少量的气体未顺利的排出，由于空气抗压缩能力较海水非常弱，压力的波动同样会对结构带来风险，因此过水/过气孔的合理布置应在桩靴的设计中予以关注。