自升式平台结构强度与疲劳分析设计方案

张东升，胥永晓

（山东交通学院船舶与港口工程学院，山东 威海 264209）

0 前言

海洋石油的开采与天然气能源开发、近海海床勘探和沿岸工程建设需要各种类型的海洋工程装备为载体，因为自升式钻井平台稳固性好、定位能力强、钻井深度大且能适应较恶劣的自然环境，所以在海洋资源开发领域占有绝对性的优势。自升式平台同时具备海洋平台与自航式运输安装船的特点，可为钻修井作业、甲板承载、海上吊装、海上生活等提供多功能海洋平台支持，同时还可用于海洋资源勘探开发、人工岛礁建设、海洋旅游平台开发、海底整平清淤等。由于自升式钻井平台作业工况复杂烦琐、工作环境恶劣多变等因素，对平台的力学性能和失效模式影响巨大，并且随着平台钻井深度的增加，这些问题更加明显，严重威胁了平台在海上工作的安全性。

自升式海洋平台开发及其核心技术的研发是当前国内外海洋工程领域的研究热点，如何在满足实际工程需要和设计规范的条件下，研发新型海洋工程装备、突破设计关键技术是学术界长期以来努力的方向[1]。本研究针对某自升式海洋平台，基于海工软件SESAM建立平台的有限元模型，依据船级社规范对自升式平台在不同作业工况下的结构强度以及桩腿的疲劳寿命分析做了研究方案设计，为在役平台提供了结构分析和疲劳寿命评估的方法和手段，为开发自升式海洋平台提供了设计技术基础和关键技术储备。

1 研究现状

经过多年的发展与海洋工程领域的实践检验，自升式钻井平台设计建造应用技术已经趋于完善，近年来国内外学者对于自升式平台的研究大致可以分为以下方面：不同随机环境载荷的组合分析，平台结构动力学性能与平台桩腿的疲劳寿命的评估。

1.1 国外研究进展

Alati等基于经过验证的简化线性分析概念，考虑随机环境载荷情况，并将空气动力载荷和流体动力载荷进行叠加，对海上风力涡轮机的钢三脚架和导管架撑杆结构进行随机时域疲劳分析，并进行比较[2]。Halil等针对海洋装备的可靠性进行了研究，给出了结构可靠性的基本定义和研究分析方法，说明了三级可靠性方法的数值积分（NI）和蒙特卡罗模拟（MCS）技术，明确了海洋结构物疲劳损伤和可靠性的算法以及技术路线图。Tang等研究了三种类型的桁架腿在预压载工况、钻井工况和风暴自存工况下的稳定性。研究表明，最大应力出现在弦杆上，K型、倒K型都能满足共振要求，且K型在预压载工况下具有较好的稳定性，倒K型在钻井、风暴自存工况下具有较好的稳定性[3]。等采用一种基于模型的载荷估算法，通过间接测量海洋结构物上的载荷，基于结构的降阶模型，借助离散卡尔曼滤波器对系统未知状态进行实时递归估计，利用模拟数据对规则波和不规则波进行了验证[4]。Mirzadeh等通过考虑结构材料的特性和几何非线性以及非线性桩-土相互作用建立有限元模型，采用NewWave和Constrained NewWave两种波浪理论模拟水面运动和水粒子运动，对二维和三维波浪模型进行了分析，研究了海浪的方向性和随机性对自升式平台样本整体结构性能的影响，并依据甲板和桩靴的基础位移对结果进行了比较[5]。

1.2 国内研究进展

国内船舶与海洋工程领域的学者针对自升式钻井平台也开展了大量的研究。蒙占彬等基于ANSYS针对某自升式平台的桩腿结构强度及平台的稳定性进行了分析方法介绍，并提出了一种考虑桩腿锁紧装置的优化计算方法[6]。丁勇借助有限元软件ANSYS建立自升式平台模型，依据四种作业工况和环境载荷进行了有限元分析计算，校核了桩腿和桩靴的强度和稳定性，从而为海洋平台的桩腿结构安全评估给出较为全面的依据[7]。杨光等基于NAPA分析软件建立自升式平台风力矩模型以及SACS模型，计算作用在平台上的波浪海流载荷，并根据P-Δ效应求出平台的附加力矩。最后得出平台在风暴自存工况下的抗倾覆安全系数[8]。周炳焕等针对自升式平台桁架式桩腿在风暴迁移工况时对结构外力、内力以及应力衡准进行分析，依据规范要求对桩腿进行结构强度分析，其结果为自升式平台桁架式桩腿的结构设计提供技术支持[9]。

郭海强等利用SACS软件模拟平台所受的风、浪、流等环境载荷，考虑了波浪惯性矩和横向位移引起的P-Δ效应，对平台在三种工况下的桩腿强度进行分析，并根据AISC规范对桩腿强度进行校核，还分析了平台的预压载能力和桩靴的承载能力，并对平台的抗倾覆稳性进行了校核[10]。

黄曌宇等基于SACS分析软件和斯托克斯五阶波浪理论，通过采用波浪不同的浪向角对动态放大因子（DAF）进行计算，并分析了不同DAF产生差异的原因。得出不同浪向角下DAF与周期比的变化趋势基本一致；不同的水动力将会导致结构位移和加速度的产生变化；当水动力的1、2阶谐波叠加时，DAF值将会增大[11]。尚谨以抗滑移能力反向推算自升式平台垂直方向所能承受的极限载荷，并把得出的试验值与经典插桩理论公式得出的最大承载力进行比较。结果表明：基于经典插桩理论公式得出的最大承载力明显小于现场勘测的试验值，而基于抗滑移能力计算出的插桩阻力与试验值基本吻合[12]。

孙承猛等基于定位考虑对带月池的深水作业钻井船的漂移载荷进行了时域模拟分析，得到不同方向、不同环境条件下各项漂移力的统计值和统计特征[13]。

2 主要研究内容

本研究针对适用于最大水深122 m、桩腿总长167 m、型深9.45 m的自升式平台在不同工况下的平台结构强度及桩腿疲劳寿命进行研究，具体工作如下。

1）基于DNV的SESAM软件建立自升式钻井平台的有限元模型，并依据《移动平台规范》的要求和平台的工作海域环境确定风、浪、流环境载荷的理论基础与研究方法。

2）对正常作业工况、迁移工况和自存工况进行环境载荷模拟计算。其中在对于波流载荷的计算中，对入射角的选取进一步合理细化，研究不同入射角度下的波流相位角与波流力的关系，以便准确地计算出不同工况下的环境载荷。

3）将不同工况下的最大环境载荷与作业载荷作为系统输入，并确定桩腿与平台上部连接处的边界条件，对平台进行静力学分析和动态响应分析，然后基于累积损伤理论利用SESAM软件对自升式平台的桩腿进行疲劳寿命评估，得到桩腿在发生疲劳破坏前所经历的应力循环数。

4）依据船级社规范对平台在正常作业工况和风暴自存工况下的抗倾覆稳性进行校核计算。

3 研究方案设计

3.1 结构强度分析

基于SESAM软件的GeniE模块建立平台的有限元模型，计算平台在自身工作载荷和环境载荷作用下发生的位移与应力，获得平台各构件的应力分布情况并按照应力衡准规范进行强度校核，其分析流程如图1所示。

图1 结构强度分析流程图

3.2 疲劳强度分析

基于SESAM软件运用谱分析法评估自升式平台桩腿在波流载荷作用下的疲劳强度，其评估流程如图2所示。

图2 疲劳强度评估流程图

本研究方案考虑平台全生命周期中遭遇的所有环境载荷及其组合，创新性地提出波浪相位角、波流耦合作用、水动力惯性作用以及几何非线性载荷对平台安全性的综合效应，得到对平台影响最恶劣的特征载荷，分析过程更加合理，结果更加可靠。

4 结语

通过对自升式平台的结构强度及桩腿的疲劳分析，进而可得到一种新型、高强度、高效率作业平台的优化方案，不仅能节约建造成本还能提高海洋平台的可靠性。使得自升式平台能够适应复杂的作业工况，成功应对恶劣的海洋环境和多变的突发状况，防止海洋平台因结构失稳而导致事故的发生，对保障平台上工作人员的生命安全和财产安全具有一定的现实意义和应用价值。