自升式鉆井平臺系統(tǒng)中的樁靴結(jié)構(gòu)強度研究

張大偉

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

隨著能源需求量日益增加，石油需求持續(xù)增長，但陸地石油資源逐步漸少，海洋油氣開發(fā)越來越受關(guān)注。對海洋自升式鉆井平臺普遍應用在不超過200m近海海域石油開采活動。而平臺作業(yè)在50m以上時，便需設(shè)計樁靴結(jié)構(gòu)，由于此種結(jié)構(gòu)起著積極的推動作用，可讓海床土壤對該平臺獲得非常高的承載力，很多樁靴均具有一個明顯的錐點，使樁腿插入深度更小及淺樁靴插入滑移風險較小，保障就位作業(yè)安全，便于平臺順利實施插、拔樁作業(yè)。尤其平臺在抬升條件下，維持整體平臺平穩(wěn)安全地位于海床上，防止樁腿受到損害，使樁身保持端正姿態(tài)，更好地進入到土層持力層，實施鉆井作業(yè)。所以科學合理設(shè)計樁靴保持一定的結(jié)構(gòu)強度，有助于保障整體平臺安全性能。自升式鉆井平臺處于非常惡劣的作業(yè)環(huán)境當中，不同類型載荷工況較為復雜，所以，著重分析及計算樁靴結(jié)構(gòu)，這是此平臺設(shè)計的關(guān)鍵。馬延德等研究中具體分析了CJ70自升式鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)強度，闡述了部分原理及手段，而討論關(guān)鍵為樁腿計算，對樁靴部分只給出了理論公式，缺少具體的計算；胡安康等研究中參照美國船級社(ABS)規(guī)范對400英尺水深自升式平臺中兩類樁靴結(jié)構(gòu)形式進行完善，同時做出了分析及比較，得出了一類比較好的樁靴結(jié)構(gòu)形式，而在計算具體強度方面，并不具體。以下結(jié)合對其的了解，以某自升式平臺的樁靴為例，進行分析研究如下。

1 平臺介紹及背景

自升式鉆井平臺屬于一個海上平臺，它的構(gòu)成包括駁船形船體、鉆臺、上建與升降裝置等。樁靴一般是把船體支撐在水面上，為更好的實施水瞄占井作業(yè)，其結(jié)合不同地域水深狀況來合理調(diào)整平臺作業(yè)水深高度，抵抗風力傳遞作業(yè)載荷等。以某自升式平臺的樁靴為例，該鉆井平臺構(gòu)成部分包括主船體、樁腿、懸臂梁及直升飛機平臺等結(jié)構(gòu)組成。船體形狀接近三角形箱型平底結(jié)構(gòu)，平臺艏艉中樁腿下端攜帶樁靴。

2 樁靴結(jié)構(gòu)模型

2.1 有限元模型

有限元法屬于一種數(shù)值技術(shù)用作求解偏微分方程邊值問題近似解。在樁靴結(jié)構(gòu)有限元建模中一般使用有限元程序移動交換中心。前后處理/求解MSC．Patran/Nastran。為防止影響到滲流場的等勢線分布、流線分布、井產(chǎn)量等，樁靴結(jié)構(gòu)分析模型涵蓋了整體樁靴及與樁靴底部相距16．82m位置的部分樁腿。整體分析模型構(gòu)成包括板、梁單元，樁靴的板材通過板單元實施模擬，樁腿的弦桿、撐桿通過梁單元進行模擬，板、梁單元的過渡利用媒體播放器MPC單元來連接。

2.2 邊界條件

邊界條件，也就是運動邊界上方程組解需達到的條件。有限元計算，不管是Ansys，還是comsol等，歸結(jié)為就是解微分方程。樁靴插入海底過程可認為是一種輸入與輸出間緊密配合和相互影響的耦合過程，也即樁靴底部和海底底基二者之間的耦合，因為樁靴與底基彼此之間會產(chǎn)生作用，在此過程當中，底基性質(zhì)變化是一種非線性接觸。

2.3 許用應力

樁靴結(jié)構(gòu)材料強度有高強度與甚高強度，楊氏模量（用于描述固體材料抵抗形變能力）E=206800MPa；泊松比（材料單向受拉或受壓時，橫向與軸向的正應變的絕對值的比值）ν=0．3。依據(jù)ABS規(guī)范，安全系數(shù)為1．11。以EH36/DH36/AH36為例，其屈服應力355MPa、安全系數(shù)1．11、許用應力320/MPa。再如EQ70的屈服應力690MPa、安全系數(shù)1．11、許用應力621/MPa。

3 樁靴荷載分析

3.1 偏心荷載

偏心荷載，水平荷載在一些條件下將會通過偏心形式作用到群樁基礎(chǔ)上，繼而產(chǎn)生較復雜的樁土響應。因為海底地形非常崎嶇，會受海水沖刷影響，一定程度上使得樁靴底部受力不均勻而產(chǎn)生偏心情況，依照規(guī)范需求，把樁靴所受最大支反力均勻遍布到一半樁靴底面積上對偏心現(xiàn)象給樁靴強度造成的影響考慮在內(nèi)。因為樁靴形狀缺少對稱性，形成了偏心荷載Eccentric load case 1(LC6)及2(LC7)兩類偏心工況。

3.2 風荷載

風荷載（wind load），空氣流動給工程結(jié)果造成的壓力。風載荷很大程度上影響平臺穩(wěn)定性，它形成的力矩幾乎在全部載荷總力矩中占一半左右，所以，風載荷計算的準確性在校準平臺樁腿強度方面起到突出意義。遵照船級社相關(guān)要求，風暴自存工況下，設(shè)計的無限制區(qū)域作業(yè)平臺風速至少100kn以上。

于風暴自存工況條件下，樁靴底面積不但要承受最大的支反力，同時還承受水平剪力施加的影響，此種水平剪力與風暴自存工況樁靴得到的最大支反力是相等的，且遭受剪力。此外，還需將影響樁腿疊加的環(huán)境載荷及P-△效應考慮在內(nèi)，通過樁腿強度的測算得出。另外，加載35%Lower Guide位置的最大彎矩也包含在內(nèi)，此彎矩加載方式以環(huán)形艙壁為走向從垂直方向上添加點載荷，不同艙壁中載荷在大小上存有差異，繼而生成力矩。

把上述點載荷調(diào)整在合理范圍，讓它的合力矩值與35%Lower Guide位置的最大彎矩保持相等。這時上述點載荷總體垂直方向的力是F，那么將壓力載荷施加至與整體樁靴底板相垂直的表面，讓此壓力在垂直方向的分力與最大支反力減去Fv保持相等，借助此種手段，可對力矩M、垂向支反力載荷實施同時增加。這時的工況也就是風荷載Storm survival case(LC5)。

3.3 預壓荷載

“預壓荷載”即先將荷載施加到承載物，讓承載物壓力先達至設(shè)計預壓值，接著趨于正常載荷的流程。平臺主體依據(jù)鉆井作業(yè)需求，上升舉升，在還未達到規(guī)定要求高度開始前，一定要對所有樁腿實施預壓，讓樁腿底基所受載荷能稍微至風暴條件下，會形成最大軸向力。按照總體強度。進行測算，預壓載工況條件下，平臺各樁靴所受最大垂向力1．12073×105kN，因為海底底基存有差異，樁靴不同于海底接觸范疇，選取6類工況，同時在不超出接觸范疇內(nèi)通過均布力形式加載到樁靴底部。

樁靴內(nèi)圈以2．4375m作為半徑，剩下的3個環(huán)形 艙 壁 各 是 A：r=4．5725m、B：r=6．8025m、C：r=8．9925m。樁靴底部和水平所呈的夾角是10．12°計算時，如果樁靴底部與海底在不超過接觸范圍條件下承受均布壓力P，該壓力和接觸面保持垂直，但最大升樁力加上樁腿重力所受的力為1．12073×105kN，與水平面保持垂直，且方向向下，在堅持平衡原理條件下，二者于垂向上矢量總和為零。

4 生存概況

生存工況即平臺在承受極端環(huán)境載荷過程中，終止鉆井，同時尚能自存，對生存工況而言，可變載荷較鉆井具有比較小的作業(yè)工況，而承受較大的環(huán)境載荷。在此種條件下，平臺主體在重力及風力作用影響下，樁腿會遭受許多聯(lián)合作用的影響，如浮力、重力等施加的作用。生存工況狀態(tài)下，結(jié)合環(huán)境載荷等一些作用，樁靴底部和海底接觸的范圍并非是均布載荷。

工況分析時，在三角載荷的協(xié)助下，對樁靴底部所受載荷實施模擬。同時加載水平方向的力，彎矩均與環(huán)境載荷保持大小相等，但方向不同。分析水深不一樣條件下自升式鉆井平臺0°、90°及180°各樁靴承受的力的狀況，在各類深度下，樁靴承受三種不同方向的力，分別是水平力、垂向力、36%平臺傾覆力承受水平力H，垂向力V以及35%的平臺傾覆力矩M。各記作H、V、M，測出總強度，便可得到上述值。

對環(huán)境載荷下的總強度進行計算，樁靴底部受到垂向力與彎矩。彎矩通過三角載荷形式加載至樁靴底面，經(jīng)過簡化，通過公式P(x)=kx+b，D/2＜x＜D/2進行描述。

在該公式中，D表示樁靴底面的投影直徑。經(jīng)過計算，得出結(jié)果數(shù)據(jù)，針對全部工況下的載荷分布，挑選出比較嚴重的工況，獲得生存條件下的計算工況。如環(huán)境載荷方向：A：0°、B：90°、C：180°，彎矩M：A：5．26693×105kN·m、B：5．58223×105kN·m、C：5．03000×105kN·m。

5 結(jié)果分析

針對樁靴結(jié)構(gòu)各工況進行分析，并計算，接著比較結(jié)果并匯集。工況計算過后，僅給出樁靴不同結(jié)構(gòu)最大應力相對應的計算工況，樁靴結(jié)構(gòu)應力結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

樁靴底板：計算工況（預壓載）H3、最大范式等效Von Mises應力250MPa、許用應力320MPa、UC0．78；三角過渡艙壁：計算工況（預壓載）H3、最大范式等效Von Mises應力471MPa、許用應力495MPa、UC0．0．95；環(huán)形艙壁：計算工況（預壓載）H3、最大范式等效Von Mises應力287MPa、許用應力 320MPa、UC0．780．90；梁單元最大合成應力：計算工況（預壓載）A、最大范式等效Von Mises應力271MPa、許用應力 320MPa、UC0．0．85。

6 結(jié)語

樁靴結(jié)構(gòu)是整體海洋平臺結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在具體分析對象上，選取特定自升式鉆井平臺，分析其樁靴結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建了樁靴強度分析力學模型，在仿真程序幫助下，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)有限元分析模型，研究了該平臺樁靴的載荷精簡后的分析手段。分析了其結(jié)構(gòu)強度，遵照相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合實際環(huán)境，分析并研究了幾類工況情況，一些是危險工況，也即是我們認為的偏心工況，這時樁靴內(nèi)部承受非常大的應力。本次研究分析了預壓載與生存工況下結(jié)構(gòu)強度情況，同時做出評估。這方面的結(jié)論如下。

①針對樁靴結(jié)構(gòu)強度分析，獲得了其工程化分析流程；②從樁靴計算結(jié)果來看，其的主控工況為預壓載工況；③借助有限元軟件進行分析，樁腿連接的三條120°三角形過渡艙壁、樁靴內(nèi)弦桿、樁腿與樁靴連接處肘板主要通過樁靴結(jié)構(gòu)進行支撐，這些地方的應力水平非常高，這些部位在設(shè)計時，需要切實注意；④樁靴底部受力面積逐步增大同時，樁靴結(jié)構(gòu)在應力分布方面得以優(yōu)化。

平臺的總體設(shè)計包含了諸多要素，各要素間的關(guān)系十分緊密，且是一個十分復雜的過程。在自升式鉆井平臺設(shè)計方面，樁腿與樁靴結(jié)構(gòu)強度等的計算是結(jié)構(gòu)分析當中較為關(guān)鍵的內(nèi)容，為后續(xù)結(jié)構(gòu)分析工作的開展創(chuàng)造了前提條件。以上結(jié)構(gòu)包含的結(jié)構(gòu)計算原理及載荷種類復雜，不易進行計算，給具體工作開展帶來了一定的難度，設(shè)計者需要結(jié)合平臺作業(yè)的特征，同時參照相關(guān)需求，明確不同的主要要素，以讓設(shè)計結(jié)果適用，且合適，不存在冗余的情況。事實上樁靴結(jié)構(gòu)強度在有限元計算下結(jié)果證實符合強度需求，該平臺樁靴得到了相關(guān)認證，且在具體實際設(shè)計中得到使用。該次研究可為結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析提供較好的引導及幫助。

[1]趙軍,段夢蘭,宋林松等．自升式鉆井平臺就位時老腳印對樁靴性能的影響分析[J]．中國海上油氣,2014,26(5)：104-108．

[2]張寶平,金元剛,王金明等．自升式鉆井平臺沖樁對拔樁阻力影響研究 [J]．石油礦場機械 ,2015,(6)：59-62．

[3]關(guān)國偉,楊軼普,張銀洲等．自升式鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)強度分析 [J]．海洋工程裝備與技術(shù) ,2016,3(4)：236-242．