淺海坐底式平臺強度分析研究

安長武

（中石化勝利石油工程有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

淺海坐底式平臺結構由沉墊、主體及兩者間連接支柱組成，是最早應用的一種移動式海洋平臺，具有結構簡單、易于制造、造價遠、工作可靠、操作便利等特點，一般適于10 m以內作業水深的淺海區域勘探作業。當作業水深較大時，平臺沉墊與主體間連接支柱尺寸需要加大，這不僅增加了結構與成本，而且在漂浮狀態平臺重心過高，降低了平臺拖航的安全性[1，2，3]。

淺海坐底式平臺在拖航、正常作業、風暴自存等狀態不僅承受船體重量和作業載荷，還受到風、浪、流等環境載荷作用，因此必須首先保證平臺作業的安全性[3]，而平臺整體結構強度有限元分析對平臺設計具有重要意義。本文以勝利作業八號坐底式平臺為例，利用ANSYS軟件建立了包括沉墊、主甲板及支柱等結構的平臺整體強度有限元分析模型，對坐底式平臺整體強度分析的方法及過程進行了研究。

1 示例平臺介紹

1.1 平臺簡介

勝利作業八號平臺是一座坐底式作業平臺。平臺主要結構由沉墊、主甲板、作業甲板、連接支撐立柱等部分組成。沉墊內設有泵艙、壓載艙、燃油艙、淡水艙和油污水艙等。主甲板上的生活區設有生活居住房間及全套生活設施，動力設備區設有主機房、空壓器間、鍋爐房、液壓站、配電間等。

1.2 主要參數

平臺主體型長60.0 m、型寬28.0 m、型深2.7 m；主甲板邊線距基線13.5 m；作業甲板長31 m，寬25 m，作業甲板距基線18.5 m；主甲板及沉墊肋距0.5 m；泵艙主通道直徑Φ2.5 m，副通道直徑Φ1.0 m.

1.3 設計工況

設計最大作業水深8.5 m（含天文潮及風暴潮）；修井作業工況最大風速36 m/s，表面流速2.5節（1.285 m/s），最大波高4.6 m，相應周期8 s；風暴自存工況最大風速51.5 m/s，表面流速2.5節（1.285 m/s），最大波高5.6 m，相應周期8 s；油田拖航設計風速36 m/s，遠洋拖航設計風速51.5 m/s.

2 結構分析模型

2.1 結構分析基本假定

（1）材料是線彈性的，節點應力和應變之間符合胡可定律，成比例關系。

（2）結構變形后尺寸與原始尺寸相比可忽略不計，均為小尺度變形，可采用疊加原理。

2.2 結構分析基本方程式

2.2.1 靜力平衡方程[4，5，6]

節點所受外載荷與節點位移引起的內力相等，即

式中：P為節點所受外載荷；F為節點位移引起的內力。

2.2.2 變形協調方程[4，5，6]

匯于一個節點的各單元在外載荷作用下，保持變形后仍匯于一點，整個結構各節點間幾何尺寸滿足變形協調方程。

2.2.3 應力應變方程[4，5，6]

節點應力和節點應變呈比例關系，即

式中：f為應力；Δ為應變；k為剛度系數。

2.3 有限元模型

2.3.1 建模要求

平臺沉墊、主甲板及作業甲板為空間板、梁的組合結構，根據平臺結構特點，采用板殼單元SHELL63、梁單元 BEAM188及管單元 PIPE59、PIPE16等建立平臺有限元模型。

平臺主甲板、作業甲板及沉墊甲板、底板、舷側板、艏艉壁板、艙壁板等板結構采用SHELL63板單元模擬；泵艙通道、主甲板與沉墊間連接立柱、斜撐、作業甲板立柱及沉墊艙內支柱等結構采用PIPE59、PIPE16管單元模擬；縱桁、強橫梁及艙壁扶強材等框架構件采用BEAM188梁單元模擬。在模型中未對主甲板上部橫移軌道、起重機基座、工程房、生活樓、直升飛機平臺等平臺附屬結構建模，而是通過將上述結構局部強度分析獲得的支反力按載荷施加在主體結構相應位置上加以考慮。

平臺坐底狀態時，在垂向方向海底地基對沉墊底板的起彈性支撐約束作用，在水平方向海底土對沉墊底板有摩擦作用力并對抗滑樁入泥部分提供水平約束。在模型中，按沉墊底板單元的彈性基礎（即彈性基礎板單元）來考慮垂向約束。根據海底地基條件確定彈性基礎剛度系數。在ANSYS程序中Shell63板殼單元具有一個實常數，專門用來處理彈性基礎，將彈性基礎剛度系數k輸入，ANSYS即可對地基進行計算處理。

建立模型時，考慮板梁復合彎曲時板、梁中性軸不一致產生的偏心問題，根據板、梁構件實際尺寸，對梁單元設定相應的偏心值，保證構件模型和實際結構尺寸一致。

平臺有限元模型共有個38 107節點，52 680個單元，包括698個PIPE59單元，898個PIPE16單元，21 870個BEAM188管單元，29 214個SHELL63殼單元。平臺有限元模型圖如圖1所示。

圖1 平臺有限元模型圖

2.3.2 腐蝕裕量考慮

平臺沉墊甲板、艙壁板及主甲板、作業甲板等SHELL63板單元以及BEAM188梁單元的立板、面板腐蝕裕量按1.5 mm考慮，PIPE59、PIPE16等管單元壁厚腐蝕裕量按1.5 mm考慮，沉墊底板腐蝕裕量按3 mm考慮。

2.4 載荷施加

綜合考慮平臺平臺各工況所受到的載荷，在計算時主要考慮平臺固定載荷、可變載荷及環境載荷。

2.4.1 固定載荷

固定載荷主要包括平臺鋼結構、設備、管線、電纜、舾裝等重量，其中鋼結構重量由程序根據所建模型自動完成計算，而設備、管線、電纜、舾裝等根據實際情況，按照《甲板載荷圖》進行施加。

2.4.2 可變載荷

可變載荷主要包括平臺試油、修井作業時大鉤、泥漿、藥品、鉆具等作業載荷及起重機吊重載荷、直升機降落沖擊載荷、生活淡水、備品等生活載荷等。

泥漿艙、散料堆場作為均布面載荷施加于相應位置，將局部分析獲得的作業甲板修井模塊載荷支反力根據相應作用位置施加于作業甲板縱軌道節點，生活區結構及可變載荷、鉆具等作為按線載荷施加于相應節點位置，燃燒臂載荷、起重機及吊重載荷、錨機等作為集中載荷施加于相應位置。

2.4.3 環境載荷

環境載荷主要包括風載荷、波浪與海流載荷等，環境載荷計算坐標系如圖2所示，計算中按縱向（0°）、橫向（90°）及斜向作用方向考慮，各工況中按上述環境載荷作用方向相同考慮。

（1）相應工況構件所受風載荷根據《風載荷計算書》選取，按均布或集中載荷施加到相應構件節點或單元上，對于未建模的構件所受風載荷施加至對應平臺上部對應位置，對應折減的風彎矩轉化為力偶矩施加。

（2）沉墊作為按大尺度結構物，其所受波流載荷按繞射理論進行計算，作為面載荷施加到到沉墊相應單元上；沉墊與上甲板連接支柱及泵艙通道作為小尺度構件，采用莫里森公式進行計算，在模型中采用PIPE59單元模擬受波流載荷作用的上述結構，程序可自動計算、施加相應結構的波流載荷。見圖2.

圖2 計算坐標系

2.5 計算工況

按修井作業工況、風暴自存工況和遠洋拖航工況進行平臺整體強度分析。

（1）修井作業工況：平臺進行試油、修井等作業，鉆臺移出至鉆盤中心距船艉8.0 m，橫移至鉆盤中心距船中2.5 m，大鉤載荷為最大鉤載1 580 kN（注：計算時按起重機吊重載荷與與環境載荷作用方向相同考慮）。

（2）風暴自存工況：平臺不進行試油、修井等作業，將鉆臺收至拖航位置，并進行固定。

（3）遠洋拖航工況：平臺漂浮于水面，考慮風及波浪載荷作用，按中拱（波峰位于船舯）與中垂（波谷位于船舯）2種情況進行分析，設計波長取為平臺型長。

3 計算結果

3.1 許用應力

平臺沉墊材質采用CSA、CSB船用鋼，主甲板及作業甲板材質采用DH36、EH36高強度船用鋼，沉墊與主甲板之間連接支柱材質采用DH32高強度船用鋼。板結構安全系數為1.11，梁及支柱結構安全系數為1.25[7，8]，相應屈服強度及許用應力如表1所示。

表1 平臺結構許用應力

3.2 結果分析

平臺各工況下整體結構強度有限元分析結果如表2所示，從表中可以看出：正常作業工況、風暴自存工況及遠洋拖航工況下平臺沉墊、主甲板、作業甲板及支柱結構的計算最大應力均小于相應的材料許用應力，強度滿足要求。作業工況（環境載荷斜向作用）下平臺主要結構的應力分布見圖3、4.

表2 平臺整體結構強度有限元分析結果

圖3 平臺應力整體分布圖

圖4 立柱應力分布圖

4 結論

（1）從計算過程及結果分析，筆者提出的坐底式平臺整體強度有限元分析模型與方法是合理的，可準確模擬平臺結構的實際情況，具有一定的實際工程意義。

（2）以勝利作業八號坐底式平臺為例，對平臺整體結構強度進行了校核，結果表明，在各種工況下，平臺沉墊、主甲板、作業甲板及支柱結構強度均滿足要求。

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