一種懸臂梁結構設計優化方案

劉 遠，黃曌宇，金 晶

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

一種懸臂梁結構設計優化方案

劉 遠，黃曌宇，金 晶

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

針對目前自升式懸臂梁結構的形式和特點，以某自升式平臺為例提出一種優化方法，使用較小的修改成本即可以使得站位作業區域最遠點的承載能力明顯增加，擴大懸臂梁的作業范圍。

優化設計；懸臂梁；載荷表；自升式平臺

油價不斷創出新低的背景下，性價比高且日均消耗低的自升式平臺勢必占有較大的市場優勢。須在市場的低谷期做好產品的優化設計，提供性能更好的新產品，才能跟上客戶的新要求。懸臂梁作為自升式平臺關鍵結構之一，其承載能力提升對自升式平臺整體性能提升效果明顯，在站立作業區域，懸臂梁最大外伸時，鉆臺在左右最遠點的作業能力也通常作為衡量自升式平臺作業能力的重要指標之一。目前對懸臂梁結構的研究多為對懸臂梁結構原型的認識和理解[1-2]，多集中在結構有限元分析和荷載表編制等工作上；項目中遇到懸臂梁承載能力不足時常用的優化措施主要是側壁局部加強及懸臂基座加強等，對懸臂梁承載能力提升不明顯。

實際建造過程中，往往由于設計原因或者采購的設備超重，導致懸臂梁能夠承載的最大許可組合載荷能力降低。擬以某即將完成建造的自升式平臺懸臂梁結構為例，提出一種全新的優化方案，嘗試以較小的代價獲得鉆井能力顯著提升。

1 結構強度設計限值

圖1 懸臂梁及鉆臺結構側視圖

以某400 ft自升式鉆井平臺為例，其懸臂梁結構主體為門字形結構，尾端有鉆臺支撐橫梁，鉆臺可以在橫梁上的一定范圍內左右滑移，見圖1。懸臂梁在外伸時，鉆井載荷、鉆臺結構及設備重量主要是由懸臂梁的縱向構件即兩側工字形的側壁承載，見圖2。

圖2 懸臂梁典型橫剖面結構圖

作業時，懸臂梁和鉆臺移動到某特定位置時結構所能承載的最大荷載是由主要是由側壁結構強度，懸臂基座強度，以及懸臂梁鉆臺結構連接高應力區域等位置的局部強度來決定的，通過懸臂梁縱向和鉆臺橫向的移動，井口可以在整個作業區域內任意點進行作業，懸臂梁在作業區域(即包絡線區域)的作業能力通常用載荷表的形式給出。在編制載荷表時，可以根據懸臂梁結構的特點將懸臂梁兩側的工字形側壁板簡化為2個單跨梁結構。其中，鉆井荷載、鉆臺結構及設備重量根據按照集中載荷處理，懸臂梁的結構重量及懸臂甲板上的設備重量等效成2段均布荷載加載[3]。

按照上述的簡化方法，單跨梁結構強度可以依據懸臂梁側壁的縱向構件剖面特性得出[4],根據許用的最大應力,得到懸臂梁側壁截面能夠承載的最大彎矩和剪力；抓緊基座和支撐基座最大承載能力，按照AISC 鋼結構設計手冊評估得出[5-6]。在每個作業位置對懸臂梁進行加載，在不超過上述4個設計限值的情況下得到最大的許可載荷值，即為鉆井平臺在該工況下的最大鉆井能力，進而得到包絡線區域載荷表(見表1)，上述步驟通常使用程序自動計算得出。

懸臂梁結構局部強度可選取幾個典型工作位置，按照載荷表中得到最大許可載荷值進行整體有限元分析評估，這是目前懸臂梁結構設計過程中普遍采用的方法。其中，懸臂梁二層甲板，堆場甲板等結構尺寸較小，或在縱向僅部分連續，僅在有限元方法進行整體強度分析時才加以考慮。

表1 某400 ft平臺載荷表 kN

2 懸臂梁結構和布置優化

由表1可見，包絡區域內平臺的鉆井能力隨著懸臂外伸，鉆井載荷會逐步降低，并在最遠端的2側降低到最小值，該位置的載荷許可值不及中心區域的一半，許可值的降低意味著平臺的鉆井能力降低。圖3為某400 ft自升式平臺懸臂梁外伸22.86 m(75 ft)時抓緊基座及支撐基座承載隨著鉆臺結構左右移動的變化趨勢，可以看出降低的原因主要是鉆井載荷在達到最大設計值之前，結構的承載已經達到了設計限值。由于鉆井載荷主要由懸臂梁兩側的側壁結構承載，鉆臺向某一側移動時，該側的側壁承載的載荷隨之增加，直到承載能力達到設計限值，另一側載荷值相應降低。如左側壁承載的載荷Fside可以按照以下公式得出。

圖3 外伸22.9 m工況鉆臺左右滑移時載荷趨勢

式中：a,b分別為鉆臺載荷合力Fcom作用點到懸臂梁左、右兩側壁的距離。在設計的包絡線區域內左右移動井口位置時，a和b的差值會逐步增加，左、右兩側壁承載的載荷差距也相應變大。

圖4 滑移軌道間距示意

從圖4載荷趨勢圖看到，在靠近中心線左、右兩側約1.5 m的范圍內，最大組合載荷達到設計要求時(范例平臺為13 610 kN)抓緊基座和支撐基座承載逐步達到設計限值，如果鉆臺繼續向外側移動，則需要逐步降低最大組合載荷值(通過降低鉆井載荷或者立根數量實現)，以保證抓緊基座和支撐基座上的反力不超過設計限值。本范例中，懸臂梁承載彎矩和剪力能力余量較大，在整個包絡線內都未達到設計限值，因此未在圖3中給出。

目前，范例所述400 ft平臺的懸臂梁側壁間距為18.27 m，鉆臺的允許最大橫向滑移距離為4.57 m(單側)，在鉆井載荷不變的情況下，通過降低鉆臺左右的滑移距離，或者增大懸臂梁側壁間距，都可以使得2側壁分擔的載荷差異降低，避免某一側壁迅速達到承載能力的極限值。由于鉆臺左右滑移距離和作業包絡線大小直接相關，是自升式平臺鉆井能力的重要指標之一，僅剩下懸臂側壁間距即懸臂梁的寬度可以調整。

通過該平臺的布局研究獲悉，甲板設備通過重新布置，可以給懸臂梁的側壁外移即懸臂梁基座外移預留出優化空間。如果保留和滑移相關的設備如拖曳電纜，泥漿回流槽，滑移裝置等的布置空間，懸臂梁側壁和尾部樁腿抬升機構之間的間距仍有3 m左右。實際由于懸臂梁側壁間距增加，內部布置空間相應變大，拖曳電纜和滑移裝置等設備可以移到懸臂梁結構內部，以預留更多空間。最終外移的距離可以根據甲板設備布置，支撐橫梁的強度等尤其是客戶客戶實際需求等因素綜合考慮來決定。在保持懸臂梁及懸臂基座的設計載荷限值大小不變的情況下，將懸臂梁2側側壁各向外移3 m(10 ft)時的載荷見表2。

表2 優化后的載荷表—右舷 kN

選取懸臂梁向后滑移22.9 m，鉆臺向右滑移4.6 m和7.6 m位置工況使用有限元分析軟件對結構整體強度進行校核。由于懸臂梁的加寬導致結構重量增加大約120 t，約占鉆臺和懸臂梁結構和設備總重的4%左右，主要集中在靠近船艏一側；懸臂梁上的鉆井設備重量參照原始布置位置進行加載，鉆臺和鉆井荷載使用MPC點加載到鉆臺支撐結構的4個點位置，計算得到的懸臂梁側壁的應力見圖5，懸臂梁側壁最大應力為338 MPa，符合ABS規范要求，并且仍有較大的余量。

3 結論

1)相同尺寸的包絡線區域內，表2中優化后的載荷表和表1原設計載荷表相比較，兩側最遠端的鉆井載荷值增幅約為1/3。

2)由于側壁外移，鉆臺可以左右滑移的距離相應增加，即一次站位可作業范圍變大。

可以看出側壁外移對鉆井能力提升明顯，在

實際工作中，如果能夠結合其他的優化方法，比如調整懸臂梁局部的側壁高度，提高支撐位置等高應力區域的材料等級，對懸臂基座加強等，能夠進一步提升和改善懸臂梁的承載能力。文中提出的設計思路對舊船型優化或者新船設計也應有借鑒意義。

[1] 劉祥建，戴挺，張佳寧，等.自升式平臺懸臂梁結構分析方法的研究[C].中國鋼結構協會海洋鋼結構分會2010年學術會議暨第六屆理事會第三次會議論文集,鄭州,2010.

[2] 任憲剛,白勇,賈魯生.自升式鉆井平臺懸臂梁研究[J].船舶力學, 2011,15(4):402-409.

[3] 劉遠，張家齊.懸臂梁載荷表計算過程中的重量處理方法[J].船舶工程，2013，35(2)：23-24.

[4] 汪怡，黃曌宇.自升式平臺懸臂梁載荷表的編制方法[J].船舶工程，2013,35(2)：72-74.

[5] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. ABS,2012.

[6] AISC. Specification for structural steel buildings ASD [S]，AISC，1989.

A Method of Cantilever Structure Optimization for Jack-up Drilling Unit

LIU Yuan, HUANG Zhao-yu, JIN Jing

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd, Shanghai 200125, China)

Taking one jack up rig as an example, according to the characteristic of the cantilever beam, an optimization method is proposed to improve drilling capacity of jack up rig significantly at the furthest point in the drilling envelope with a small cost.

optimization design; cantilever; load chart; jack up rig

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.008

2016-04-18

劉 遠(1978—)，男，碩士，高級工程師

P751

A

1671-7953(2016)06-0034-04

修回日期：2016-06-06

研究方向:自升式平臺結構設計及計算

E-mail:liuyuan_hg@zpmc.net