自升式平臺壓載量準靜態計算方法應用研究

宋林松 王建軍 黎劍波

(中海油田服務股份有限公司)

自升式平臺壓載量準靜態計算方法應用研究

宋林松 王建軍 黎劍波

(中海油田服務股份有限公司)

目前自升式平臺壓載量是按照極限環境條件設定的,一般遠大于平臺作業工況條件需要的壓載量,有時會影響到平臺的作業適用性,因此研究了根據作業井位環境條件確定平臺壓載量的方法。以海洋石油941平臺為例,探討了利用準靜態法計算平臺在各種海況下實際需要壓載量的流程,并將該方法用于海外某作業平臺的壓載量分析。分析結果表明,在一定的環境條件下,利用準靜態法計算結果確定平臺壓載量可以減小平臺樁靴入泥深度,從而降低拔樁難度,提高平臺的作業適用性。

準靜態法 自升式平臺 環境載荷 壓載量計算

在平臺操作手冊中,對自升式平臺的壓載量一般是按照最大作業水深和極限風暴狀態設計的。但在很多情況下,平臺實際作業水深小于其最大作業水深,實際作業環境載荷也低于其最大環境載荷,此時自升式平臺實際需要的樁腳支撐能力明顯低于設計值。2008年版美國船級社《海上移動平臺入級與建造標準》(ABS規范)允許根據環境條件確定平臺的壓載量[1],這樣,通過降低預壓載量就可以減小平臺樁腳的入泥深度,從而降低拔樁難度,提高平臺作業的安全性。在環境條件比較溫和、作業區域土體承載能力相對較弱的海域,已有自升式平臺嘗試過降低壓載量,但這種嘗試是基于經驗的。筆者借助于有限元軟件,根據我國海洋石油941平臺作業參數,探討了利用準靜態分析法根據環境條件確定平臺壓載量的計算程序,并以COSL-CONFIDENCE平臺為例進行了壓載量分析,以期為定量計算壓載載荷提供參考。體,其固有振動頻率與平臺自身結構、作業載荷、船體高度等參數有關,環境載荷對平臺的振動產生一種激勵,即在平臺上附加一種慣性力——動態載荷。因此,在計算平臺壓載量時既要計算平臺自身載荷,還要考慮風、波、流等產生的外部載荷及動態載荷,分析流程如圖1所示。

1 自升式平臺載荷動態效應的準靜態分析方法

圖1 準靜態法分析流程圖

自升式平臺的樁腳除了要承擔平臺自身載荷外,還要承受風、波、流等環境載荷作用在船體、樁腿和設備上產生的橫向力和力矩。將風暴狀態站立和鉆井狀態站立的自升式平臺看作為一種彈性振動

圖1所示方法為準靜態法,包括兩個分析步驟: (1)建立分析結構的有限元分析模型,進行動態載荷分析;(2)將動態載荷和風、波、流產生的外部載荷代入有限元模型,分析樁腳反力和結構的安全性。在第二個分析步中實際上用靜態力代替了波浪產生的動態響應,因此該分析過程叫做準靜態模擬[1-2]。

在第一個分析步中需要引入動態放大系數(DAF)。DAF是動態響應和靜態響應的比值,用于近似計算各種結構響應,例如平臺的傾覆力矩、船體的橫向載荷與橫向位移等。一般DAF可用式(1)計算,當對計算結果的精度要求比較嚴格時,可在式(1)的基礎上,按SNAME5-5A給出的時域或隨機動態分析法計算[2]。

式(1)中:Tp為平臺自振周期,s;T為波浪周期,s; ξ為阻尼系數,一般取ξ=0.05～0.07。

自升式平臺站立狀態的振動周期一般為3～15s,低于波浪周期,平臺一般不會與波浪產生共振[3]。因此,平臺設計人員在設計時通常采用DAF的上限值,以避免平臺振動頻率與波浪頻率接近時出現計算結果的歧變。

2 等效有限元模型

以我國海洋石油941平臺為例,建立等效有限元模型(圖2)。該平臺模型包括4種單元:梁單元,管單元,浸沒管單元及質量單元。梁單元主要用于模擬樁腿弦桿和船體主要承載結構;管單元用于模擬樁腿各種撐管;浸沒管單元用于模擬波、流施加在樁腿上的載荷;質量單元用于模擬平臺設備重量并按傾斜實驗數據調整平臺重心的位置。

圖2 海洋石油941平臺等效有限元模型

建立平臺等效有限元模型時應注意以下關鍵結構的模擬:

(1)樁腿弦桿的模擬 樁腿弦桿的模擬包括弦桿剛度的計算和曳力系數(CD)的模擬:弦桿模型采用了單元耦合技術,即在弦桿節點上既建有梁單元,又建有浸沒管單元。

考慮到弦桿結構的復雜性和環境載荷作用方向的變化性,本文模型按照弦桿實際結構、利用梁單元建模,利用有限元軟件自動計算弦桿沿各方向的剛度和轉動慣量;同時按照平臺基本設計,建模時不考慮齒條剛度對樁腿剛度的影響。

由于每條樁腿3根弦桿的方向不一致,每根弦桿的曳力系數不同;隨著波浪和海流方向的變化,弦桿的曳力系數也發生變化,所以模擬時需要根據每個環境載荷作用方向計算出每根弦桿的曳力系數,調整浸沒管單元的關鍵參數。

(2)樁腿與船體連接處的模擬 樁腿與船體的連接剛度對平臺的動態分析非常重要,會直接影響平臺的自振頻率。根據每座平臺固樁裝置的不同,船體與樁腿之間的連接形式可以簡化為:①剛性連接;②存在轉動剛度的彈性連接;③允許一定轉動的剛性連接。941平臺采用齒形鎖緊裝置,因此其船體與樁腿之間為剛性連接。本文模型在船體與樁腿之間加上了剛性較大的梁單元,以獲得鎖緊裝置的受力。

(3)平臺模型重心的處理 941平臺模型總質量為19 817t,包括樁腿質量、船體質量和可變載荷。通過調節各質量單元的位置可使平臺模型的重心與風暴自存狀態時的平臺重心位置相同。

(4)邊界條件(樁靴約束方式)的確定 平臺在站立狀態時樁腿插在海底土壤中,對平臺樁腿-樁靴的約束可以簡化為:①海床面3m以下鉸接;②樁靴中部鉸接;③樁靴中部鉸接同時施加轉動彈性約束。通常認為,第一種約束偏于危險,第二種約束偏于保守,第三種約束較為符合實際,故進行平臺設計時一般采用第三種約束,進行平臺強度校核時一般采用第二種約束。本次計算采用第二種約束,即在樁靴中部施加 x、y、z三個方向的位移約束。該約束方式與平臺基本設計所用的約束方式相同。

3 計算程序

3.1 波流載荷計算

941平臺作業海況條件為水深100m、波高22m、流速0.51)Hai Yang Shi You 941 Marine Operating Manual . 2006.m/s、波浪周期15.5s、風速44.8m/ s、平臺氣隙19.8m、樁靴入泥深度3.1m。

由于水深較大,利用 Stokes五階波理論和Morison公式計算海流和波浪對平臺樁腿的作用力。考慮沿樁腿縱向不同深度的波流速度與波浪相位角度有關,在相位角0°～360°范圍內計算了波流橫向力和平臺重心橫向位移值,計算結果如圖3和表1所示。

圖3 波流載荷及平臺重心橫向位移計算結果

表1 平臺樁腿反力及平臺重心橫向位移計算結果

3.2 模態分析和慣性載荷計算

按照ABS規定,采用單自由度法(SDOF)計算平臺動態載荷。利用有限元模型計算,得出海洋石油941平臺第一階自振周期為9.69s;利用式(1)計算動態放大系數為1.642;慣性載荷 Fi利用式(2)計算。

式(2)中 Fw,man、Fw,min分別為波流力的極大值和極小值。計算得出的 Fi為2 615.3kN(表1),該慣性載荷的作用點為平臺船體的重心。

3.3 風載荷計算

由于平臺基本設計已給出了相對于平臺各方位的風載荷,本文將此結果直接用于了有限元計算。

3.4 二次彎曲效應

在風、浪、流作用下,平臺沿作用力方向產生了橫向位移(表1),相當于將平臺重力(P)作用點移動了Δ距離,即在平臺上施加了 P·Δ的力矩,這種現象稱作二次彎曲,也叫歐拉放大效應。二次彎曲可以用不同的方法模擬,例如降低平臺樁腿等處的剛度。本次計算中直接在平臺上施加了力矩 P·Δ。

3.5 計算結果

海洋石油941平臺最終模擬計算結果列于表1。可見,在前述工況下平臺重心橫向位移達到1.524m,平臺的最大樁腿反力為94 638.5kN,該反力低于操船手冊規定的預壓載最小樁腿反力105 546.0kN(10 770t)1),但相差不大。最后還要利用常規方法計算平臺的抗橫向滑移能力和抗傾覆能力,這里不作贅述。

4 方法應用

4.1 應用實例

在某次海外作業平臺的適應性分析中,由于作業區域海床地質疏松,根據地質鉆孔資料和操船手冊規定的壓載量進行計算,作業區所有自升式平臺的樁靴入泥深度均應在20m以上,大大超過了操船手冊規定的入泥深度,而樁靴入泥過深將帶來拔樁困難的問題。為解決這一問題,決定根據 2008年版ABS規范[1],嘗試根據環境條件確定實際壓載量。

以COSL-CONFIDENCE平臺為例,按100年一遇重現期選取風暴環境載荷,作業水深為21m,水面流速為1.1m/s,泥面流速為0.4m/s,最大波高為9.8m,最大風速為36.7m/s;該平臺樁腿反力、壓載量計算結果見表2。

表2 COSL-CONFIDENCE平臺作業環境載荷及樁腿反力、壓載量計算結果 (kN)

4.2 應用條件

本方法只適用于海況比較溫和的條件。在非臺風季作業時,很多探井作業時間相對短,且作業期間風力、波高和海流速度相對較小,因此可以嘗試上述降低壓載量的作法。

此外,本方法適用于樁靴位置處為土體抗剪切強度隨深度漸次增加的粘土層的井位。因為在這種情況下滿壓載和部分壓載對平臺樁靴入泥深度的影響較大,對將來拔樁阻力的影響也很大,所以降低壓載的效果比較明顯。對于海底土壤比較硬的海床,海底流的沖刷作用是影響平臺站立安全的主要因素,這種情況下應增大壓載量或采用邊壓載邊沖樁等方法[4]增加樁靴的入泥深度。

4.3 應用效果

取 COSL-CONFIDENCE平臺左樁腿反力59 409kN折合為壓載量6 062.0t,樁靴壓強為26.17t/m2(操船手冊要求其樁腿反力為90 263.8 kN,合壓載量為9 210.6t,樁靴壓強為39.77t/m2,可見均滿足要求)。根據該壓載量和已知地質鉆孔資料用準靜態法計算樁靴入泥深度,最終計算結果表明,其入泥深度能夠減少3～5m。

再根據對抗橫向滑移能力和抗傾覆能力進行的校核,可知該壓載量足夠大,滿足工程需要,因此該平臺可以安全作業。

5 結束語

以海洋石油941平臺和COSL-CONFIDENCE平臺為例,探討了利用準靜態法計算自升式平臺壓載量的計算程序,并進行了平臺壓載量分析。根據平臺實際作業環境載荷,利用準靜態法進行計算,能夠更合理地確定一定條件下自升式平臺的壓載量,減小樁靴入泥深度,從而降低拔樁難度,提高自升式平臺作業的安全性。

[1] AMERICAN BUREAU of SHIPPING.Rules for building and classing-mobile offshore drilling units[S].Houston:ABS, 2008.

[2]SOCIETY of NAVAL ARCHITECTS and MARINE ENGINEERS.Technical and research bulletin5-5A,guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units[M].New Jersey:SNAME,2002.

[3] AMERICAN BUREAU of SHIPPING.Dynamic analysis procedure for self-elevating drilling units[M].Houston:ABS, 2004.

[4] 周俊昌.南黃海鐵板砂海床插樁問題分析與對策[J].中國海上油氣:工程,2003,15(4):1-4.

(編輯:張金棣)

Abstract:At present,the preload value of jack-up is predetermined based on the most severe environmental conditions and it is generally far higher than the preload needed for the field operation condition,which will affect the operational applicability of the jack-up sometimes.Therefore,the method for calculating preload value of jack-up based on the environmental condition of its intended operation site is investigated.For the jack-up HYSY941,the quasi-static method was studied for calculating preload values of the jack-up under different sea conditions actually required.Then,this method was used for analyzing the preload values of a jack-up working offshore.The results of investigation and application show that quasi-static method could offer a reasonable preload value and decrease leg penetration so as to improve the operational applicability of jack-ups under certain sea conditions.

Key words:quasi-static method;jack-up;environmental conditions;preload value

Study and application of quasi-static method for calculating preload value of jack-up

Song Linsong Wang Jianjun Li Jianbo
(China Oilf ield Services Ltd.,CNOOC, Hebei,065201)

2009-07-21 改回日期:2009-10-27

宋林松,男,高級工程師,1993年畢業于原石油大學(華東),主要從事自升式平臺研究。地址:河北省三河市燕郊開發區海油大街18號(郵編:065201)。電話:010-84522531。