“海洋石油162”隔水導管扶正平臺強度計算分析

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

國內首座移動式試采平臺“海洋石油162”是一座集試采、修井、采油、油氣處理、艙室儲油、原油外輸、井口支持等功能于一體的四樁腿自升式平臺，通過設置在平臺主體艉部的隔水導管扶正平臺來對井口提供支持。扶正平臺與船體艉封板鉸接連接，拖航時，扶正平臺收回固定；到達井位后，扶正平臺下放與隔水導管連接，可對1或2口井井口提供保護，并方便人員進行操作。

1 隔水導管扶正平臺結構

平臺的結構形式為“H”型框架結構，長7.405 m，寬5.7 m，重5.683 t。扶正平臺連接基座距平臺底板0.45 m，通過Φ70的合金鋼銷軸連接。回收固定基座設在艉封板，距平臺主甲板0.25 m。隔水導管扶正平臺使用Φ101.6×8.1的APIX52支撐桿與平臺主體連接，并用插銷固定。

扶正平臺主骨架采用H300×150 DH36工字鋼，輔骨架采用H200×150 DH36工字鋼及L100×80×7 AH36角鋼；扶正平臺設有吊裝及鎖緊眼板，材質為DH36；連接固定用的插銷全部采用屈服強度不小于700 MPa合金鋼。

2 隔水導管扶正平臺性能分析

2.1 分析工況

隔水導管扶正平臺工況及海洋環境條件見表1。

表1 海洋環境條件

1)工況1。自存工況條件下，平臺主體發生最大位移時，對隔水導管扶正平臺受到的波流力進行分析。

2)工況2。作業工況條件下，平臺主體發生最大位移時，對隔水導管扶正平臺受到的波流力進行分析。

3)工況3。平臺就位過程中，隔水導管在環境載荷作用下，對隔水導管扶正平臺就位安裝的影響進行分析。

2.2 有限元分析

使用ANSYS軟件進行結構有限元建模，采用BEAM188單元模擬隔水導管扶正平臺骨架結構；采用PIPE16單元模擬隔水導管卡子及隔水導管泥線以下部分；使用PIPE59單元模擬隔水導管受波流載荷作用的部分。

由于平臺主體在風、浪、流環境載荷作用下會發生位移，與隔水導管扶正平臺產生相對運動，造成扶正平臺受力發生變化，因此需構建平臺整體模型近似模擬隔水導管扶正平臺的受力情況。使用PIPE59單元模擬樁腿，BEAM188單元簡易模擬平臺主體框架。

工況1、工況2在隔水導管泥線下4.572 m端部施加全約束，隔水導管與管卡子處的節點施加UX、UY、UZ方向的耦合，在隔水導管扶正平臺、支撐桿與平臺主體鏈接部位施加全節點耦合，見圖1。工況3在隔水導管泥線下4.72 m端部施加全約束[1-6]，見圖2。

圖1 工況1、2有限元模型

圖2 工況3有限元模型

隔水導管扶正平臺所用材料為DH36和APIX52，屈服應力分別為355 MPa和359 MPa。根據中國船級社《海上移動平臺入級規范2016》[7](以下簡稱《移規》)，其許用應力為[σ]=σs×0.8，DH36許用應力為284 MPa，APIX52許用應力為287.2 MPa。隔水導管材料為APIX80，屈服應力555 MPa，安全系數取1.67，許用應力為332.3 MPa。

2.2.1 整體強度校核

各工況的有限元計算結果見表2。

表2 隔水導管工況1～3有限元計算結果表

由表2可見，各工況下結構件的最大應力均小于材料的許用應力，隔水導管扶正平臺的整體強度滿足規范要求。

2.2.2 局部強度校核

隔水導管扶正平臺各個連接點位置見圖3。

使用ANSYS軟件對工況1、工況2的各個連接點進行提取，其結果見表3。

1)牽拉底座眼板強度校核。采用ANSYS進行有限元建模，用SHELL63單元模擬牽拉底座眼板。約束施加于牽拉底座眼板底座板邊沿，采用固支約束。由表3可見，工況1時，在連接點2處，牽拉底座眼板受到的載荷最大，有限元模型見圖4。

牽拉底座眼板所用材料材質為AH36、DH36，根據《移規》(2016)，其許用應力為[σ]=σs/1.11=319.8 MPa。牽拉底座眼板結構應力見圖5。

在上述載荷作用下，該處最大組合應力為246.472 MPa，小于許用應力，故該處結構強度滿足規范要求。

圖3 隔水導管扶正平臺各連接點位置

表3 工況1、工況2各連接點受力

圖4 牽拉底座眼板有限元模型

圖5 牽拉底座眼板應力云圖

2)平臺連接座強度校核。使用ANSYS進行有限元建模，SHELL63單元模擬平臺連接座。約束施加于平臺連接座底座板邊沿，采用固支約束。由表3可得，工況1時，在連接點7處，平臺連接座受到的載荷最大，有限元模型見圖6。

圖6 平臺連接座底座有限元模型

平臺連接座底座所用材料材質為AH36、DH36，根據《移規》(2016)，該處許用應力[σ]=σs/1.11=319.8 MPa。牽拉底座眼板結構應力見圖7。

圖7 平臺連接座底座應力云圖

在上述載荷作用下，該處最大組合應力為274.341 MPa，小于許用應力，故該處結構強度滿足規范要求。

3)小平臺固定撐桿連接眼板強度校核。使用ANSYS進行有限元建模，SHELL63單元模擬小平臺固定撐桿連接眼板。約束施加于小平臺固定撐桿連接眼板底板與眼板對應位置邊沿，采用固支約束。由表3可得，工況1時，在連接點7處，小平臺固定撐桿連接眼板受到的載荷最大，有限元模型見圖8。

圖8 小平臺固定撐桿連接眼板有限元模型

小平臺固定撐桿連接眼板所用材料材質為AH36、DH36，根據《移規》(2016)，其許用應力為[σ]=σs/1.11=319.8 MPa。小平臺固定撐桿連接眼板結構應力見圖9。

圖9 平臺連接座底座應力云圖

在上述載荷作用下，該處最大組合應力為143.7 MPa，小于許用應力，故該處結構強度滿足規范要求。

4)銷軸強度校核。銷軸受到剪切作用，其材料為屈服強度不小于700 MPa合金鋼，抗剪強度為350 MPa。根據《移規》(2016)，選取安全系數n=1.88，[τ]=τ/n=186 MPa。

由表3可得，工況1時，在連接點7處，銷軸受到的軸向載荷最大，τ=21.39 MPa。

τ<[τ]；故銷軸抗剪強度滿足規范要求。

5)平臺與隔水導管扶正平臺連接部位局部強度校核。使用ANSYS進行有限元建模，BEAM188單元模擬平臺骨材及桁材，SHELL63單元模擬板單元，平臺板材邊緣，采用鉸支約束。由表3可得，工況1時平臺主體受到的載荷最大，有限元模型見圖10。

圖10 平臺主體與隔水導管扶正平臺連接部分有限元模型

平臺主體板材所用材料材質為AH36，根據《移規》(2016)，其許用應力為[σ]=319.8 MPa。平臺主體骨材所用材料材質為為CSA，其許用應力為[σ]=σs/1.25=188 MPa。平臺主體局部結構應力見圖11。

圖11 平臺連接座底座應力云

在上述載荷作用下，平臺主體最大組合應力為56.7 MPa，小于許用應力，故該處結構強度滿足規范要求。

3 結論

采用有限元的方法對“海洋石油162”隔水導管扶正平臺整體強度及連接位置的局部強度進行校核，結果表明該扶正平臺的強度滿足規范要求，可以有效地對隔水導管起到扶正支持作用。