LIFTBOAT平臺圓柱型樁腿強度分析

李艷臣+熊偉+方佩文

摘 要：本文闡述了Liftboat平臺圓柱形樁腿結構強度的基本理論，并以圓柱形樁腿為例，通過有限元分析，說明此類平臺樁腿結構強度的分析方法及過程。

關鍵詞：Liftboat； 自升式平臺；圓柱形樁腿；強度計算

中圖分類號：U663.7 文獻標識碼：A

Abstract： This paper describes the theory of structure strength analysis for the liftboat cylindrical leg. By FEA， this paper explains the process and method for the strength analysis of the cylindrical leg.

Keg Word：Liftboat； Self-elevating platform； Cylindrical leg； Strength analysis

1 引言

Liftboat自升式平臺具有活動的樁腿，主船體能沿著支撐于海底的樁腿升至海面以上的預定高度，相對于受季風季節影響較大的居住工作駁船，Liftboat更能適應比較惡劣季風季節天氣，保障油田正常施工。正是由于Liftboat這種優勢，國外尤其是中東及東南亞等地區，近年來對于Liftboat的需求不斷增加，國內船廠Liftboat的建造數量也逐年增加。季風環境狀況惡劣，且Liftboat用于人員居住和工作支持，因此Liftboat平臺的結構安全非常重要，尤其是自升式平臺的主要結構樁腿強度。

本文以Liftboat平臺的結構安全為目的，闡述了樁腿計算的強度理論，并以一圓柱形樁腿的Liftboat平臺為例，通過有限元分析，說明了此類平臺的樁腿結構強度的分析方法和過程。

2 樁腿結構強度失效形式

自升式平臺結構強度的失效形式主要有三種：屈服強度失效；屈曲強度失效；疲勞強度失效。

2.1 屈曲強度

2.1.1 壓彎工況

對于圓柱形樁腿等類型的獨立構件，當桿件受到軸向壓力以及有彎曲產生的擠壓，其屈服強度需滿足以下要求：

2.1.2 拉伸工況

當桿件受到軸向拉伸以及彎曲產生的拉伸作用，計算應力應滿足以下要求：

式中符號代表意義見參考文獻[3]。

2.2 屈曲強度

圓柱殼體結構遭受外力產生屈曲，根據圓柱殼體的內部結構形式，通常有以下三種典型屈曲形式，見圖1。

式中的符號代表意義見參考文獻[5]。

因圓柱體屈曲形式有以上三種典型形式，不同形式的屈曲強度校核公式因其內部結構形式不同略有不同，以無加強或者加強環加強的柱體凹凸屈曲為例，屈曲強度可按以下公式進行校核，詳見參考文獻[5]。

（ 7 ）

2.3 疲勞強度

疲勞強度校核的目的是為了確保平臺在使用過程中，在遭受復雜外力的情況下有足夠的疲勞壽命。根據規范要求，一般疲勞壽命不少于20年。

3 樁腿結構強度分析內容

圓柱殼體樁腿的結構分析以桿件有限元分析為主，通常利用SACS軟件的桿元形式，模擬樁腿以及船體結構，在校核樁腿強度的同時，也要校核自升式平臺的總體性能，包括站立工作狀態和極限工作狀態的樁腿強度、升降系統的承載性能、預壓載性能、樁靴的承載極限以及船體抗傾覆穩性等。

4 算例

以Liftboat為例，采用長方形箱型結構主船體，配有四個圓柱殼體形式樁腿，首尾各兩個，樁腿兩邊設置非對稱齒條，每個樁腿上配備7對液壓（或者電動）驅動升降系統，在拖航、作業以及極限自存工況下，升降系統利用制動器對驅動單元進行制動，提供能滿足風暴載荷的制動扭矩。每個樁腿帶有一個圓形樁靴，拖航時可收回至船體底部位置。

用結構有限元分析軟件SACS建立圖2所示模型。按照規范要求，加載空船重量以及可變載荷，相應的環境載荷（見表1），包括風力、浪流載荷、由浪流作用產生的動力放大DAF以及側向力引起的二次彎矩P-Δ。考慮樁腿對角線的方向，環境載荷的作用方向從0°～180°共7個方向，各方向環境載荷見下表2。

4.1 計算結果

有限元分析結果及后處理結果表明，樁腿強度、升降系統的承載性能、預壓載性能、樁靴的承載極限以及船體抗傾覆穩性等都滿足規范相應要求。

4.2 屈曲強度結果

利用SACS進行整體分析時，根據單根桿件的受力特征，調整圓柱樁腿結構的無支持長度，按照相應壓桿穩定理論進行調整。考慮相應調整的同時，根據整體模型計算的組合工況載荷大小，按照規范要求，核實圓柱形樁腿的屈曲強度，具體結果見表3。

4.3 疲勞分析結果

圓柱形樁腿的結構特征，以及樁腿殼體制作時的焊縫形式皆為全熔透焊接形式，疲勞分析的關注點集中在樁腿和樁靴的連接位置，疲勞分析采用簡單疲勞分析方法。偏于保守考慮，選用風暴自存工況下組合工況的最大作用力，以樁腿和樁靴連接位置應力集中處為考察對象，校核其疲勞強度如圖3所示。分析結果表明，疲勞壽命滿足規范要求的最低20年的最小疲勞壽命。

5 結論

本文從理論和實例出發，闡述了LIFTBOAT等自升式平臺的圓柱形樁腿強度的計算原理和分析方法，并得出以下結論：

（1） 樁腿強度的失效形式主要有屈服強度失效、屈曲強度失效和疲勞強度失效三種形式。

（2） 總體性能是決定平臺安全操作的首要條件，滿足樁腿強度要求的同時要滿足平臺的總體性能要求。

（3）樁腿是自升式平臺的關鍵結構，樁腿的安全是平臺安全的前提條件，強度校核時考慮了DAF、P-Δ等因素的影響，計算偏于保守。

參考文獻

[1] 常雙利. LIFTBOAT平臺在海洋油田的應用分析[J]. 石油機械，2010，38（1）.

[2] 李紅濤. 自升式鉆井平臺結構強度分析研究[J]. 中國海洋平臺，2010， 25（2）.

[3] ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units [M] 2008 （with Rule Change Notices）.

[4] ABS Guide for Fatigue Assessment of Offshore Structures and Commentary [M]， 2014.

[5] ABS Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures[M]， 2014.

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