樁腿滑移對自升式平臺結構及RPD影響

冼敏元1，高杰，段夢蘭

(1.中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201；2.中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院，北京 102249)

我國南海油氣資源開發中，隨著作業次數的增加，自升式海洋鉆井平臺在鄰近、甚至相同位置進行二次或者多次插樁作業的情況會逐年增加，使南海海域的“踩腳印”問題日趨嚴重，影響海洋平臺的作業安全，見圖1。

圖1 樁靴“踩腳印”示意

傳統的RPD(Rack phase difference)監測系統用于監測支腿各弦的變形情況。一旦支腿變形接近臨界值，RPD系統將發出警報，必須停止船體的頂升操作。常規情況下，只對起升和預壓載工況進行極限RPD值的分析，僅考慮樁端的彎矩；在樁腿端部施加一系列的彎矩計算各工況下最大RPD值，未考慮樁腿的橫向滑移。并且在進行RPD分析時，將主船體及固樁區結構簡化為剛性梁結構[1-2]，并不能很好地解釋樁靴滑移對平臺結構的影響。為此，建立典型的三樁腿自升式鉆井平臺模型，通過有限元分析和求解，分析進行自升式鉆井平臺結構強度。

1 計算模型

該桁架式三樁腿自升式鉆井平臺包括主船體、固樁區以及桁架式樁腿模型；船體艏部1個樁腿，艉部2個樁腿，對稱分布；固樁區每個升降系統包括3個齒輪組，與樁腿弦上的齒條配合；由于自升式鉆井平臺一般在海洋環境較為緩和時進行施工，計算未考慮水流、風以及波浪等環境因素的影響。船底板下方樁腿長度為100 m，根據操船手冊得知，在此工作深度下空氣間隙為17 m，因此樁腿入泥及水下深度一共為83 m；樁腿從船體下底板到最頂部長度為65 m，其中位于固樁區的樁腿部分長17.5 m。平臺的主尺度見表1。

表1 平臺主尺度及作業參數

自升式鉆井平臺有限元模型中，樁腿采用梁單元，主船體采用殼單元，見圖2。

圖2 自升式平臺有限元模型

2 RPD測量

“踩腳印”時，由于某一樁腿相對于其他樁腿發生了滑移，導致樁腿各弦之間產生高差進而產生不同程度的RPD值見圖3。RPD不僅可以有效表征支撐管軸向載荷的大小，也可以表征樁腿的姿態，即樁腿的傾斜程度與傾斜方向[3]。

圖3 RPD計算示意

RPD(faceij)=|RPV(i)-RPV(j)|

(1)

通過模擬計算分析，推算出樁腿端部發生橫向位移與平臺實測到的RPD之間的關系。計算中給樁腿底部施加一系列橫向滑移距離，最終通過計算得到其對應的極限RPD值。

由于樁腿整體垂向滑移并不會影響樁腿的RPD，只有在橫向滑移時才會產生RPD，因此，忽略滑移過程中垂向位移的影響，對單樁腿不同方向橫向位移時進行強度分析，得到滑移對結構強度及RPD的影響。

3 連接設置

船體與樁腿通過彈簧單元進行連接。平臺主體與樁腿的相互作用主要包括：①升降裝置上小齒輪與樁腿主弦管上齒條的相互作用，通過彈簧連接并設置等效彈簧剛度進行模擬；②平臺固樁區上、下導向板與樁腿齒條的相互作用，通過設置非線性gap單元進行模擬。

3.1 彈簧剛度計算

根據SNAME[4]，水平剛度Khh為

Khh=∞

(2)

1)垂向剛度。Kvh為包括所有垂直齒輪與鎖緊系統的剛度和減震墊(shock pad)的總體有效剛度。

2)扭轉剛度。

有鎖緊系統時：

Krh=Fnh2kf

(3)

式中：Fn對三弦樁腿為0.5，四弦樁腿為1；h為主弦桿中心間距；kf為弦桿上所有固樁設備的總體垂向剛度。

沒有鎖緊系統時：

(4)

式中：h為同一樁腿兩相鄰弦桿的中心間距；kj為在一個弦桿上所有升降系統設備的組合垂向剛度；d為上下導向板的距離；ku為上、下導向板的相對橫向剛度系數；As為樁腿的有效剪切面積。

表2 樁腿與船體連接的彈簧剛度系數

3.2 間隙單元

通常，弦桿與上下導板之間有一定的裝配間隙。為了精確模擬弦桿與上下導板之間的間隙，在有限元分析中采用非線性彈簧單元來模擬連接。圖4中初始間隙為δ0，接觸后僅承受軸向壓力。

圖4 樁腿與導向板接觸模型

4 邊界條件

由于本模型僅考慮插樁過程中單樁腿滑移對上部平臺結構強度的影響，邊界條件為兩艉部樁腿鉸支，艏部樁腿樁靴位置沿x軸正向即0°、60°、90°、120°、180°方向發生橫向滑移，分別定義為工況1～5；在保證船體結構不會發生破壞的情況下，計算其極限滑移距離以及對應的RPD值。

5 計算載荷

由于未考慮外界海洋環境載荷的影響，計算載荷主要包括固定載荷和可變載荷。固定載荷包括整個海洋平臺結構的自重及內部和甲板上表面設備總重；可變載荷為樁腿升降相關載荷。

6 計算結果分析

根據中國船級社《海上移動平臺入級與建造規范》[5]要求，通過分析計算結果，對平臺進行強度分析。

6.1 樁腿強度

根據計算結果，弦管相對于內部斜撐和三角撐所受應力較大，計算的樁腿應力值是完整樁腿模型(包括弦管、內部斜撐，三角撐)在各工況下，弦管上的應力值；不同工況下樁腿滑移距離與樁腿最大應力見表3。

表3 各工況樁腿滑移極限距離

對于165 m桁架式樁腿，其結構形式決定了樁腿剛度較大，根據計算所得UC值，沿不同的滑移方向，樁腿的最大滑移距離有所不同：沿x軸方向滑移時，最大滑移距離不能超過3.5 m；沿x軸60°方向滑移時，最大滑移距離不能超過3.5 m；沿x軸90°方向滑移時，最大滑移距離不能超過4.5 m；沿x軸120°方向滑移時，最大滑移距離不能超過3.0 m；沿x軸180°方向滑移時，最大滑移距離為3.0 m；由此可知，艏部樁腿在與x軸呈90°方向滑移時，可承受的極限滑移距離最大，沿x軸120°和180°方向滑移時，可承受的極限滑移距離最小。

6.2 板材強度

板的屈服校核根據2012年版中國船級社《海上移動平臺入級與建造規范》[6]規定，按相當應力(von Mises)進行校核。5種工況下，對每種工況的的各個板的最大von Mises應力結果進行比較。在保證樁腿未超過許用應力的情況下，計算不同工況下，主船體部分隨滑移距離變化的最大應力。

6.2.1 主船體板材校核

樁腿滑移極限距離時主船體各工況板材強度見表4。

表4 樁腿滑移極限距離時主船體各工況板材強度

由于平臺剛度比樁腿要大，所以，在極限滑移距離范圍內，主船體板材強度在安全范圍內，滑移方向在0°和60°時對主船體板材影響較大。

6.2.2 固樁區板材校核

樁腿滑移極限距離時固樁區各工況板材強度見表5。

表5 樁腿滑移極限距離時固樁區各工況板材強度

由于樁腿在發生滑移時，固樁區板材與樁腿會發生直接接觸，該處板材設計時采用了高強度板材，且厚度相對增加。因此，相對主船體板材，強度相對較大；同樣，滑移方向在0°和60°時對主船體板材影響較大，且在安全范圍內。

6.3 RPD分析

樁腿滑移導致同一樁腿不同主弦管上相同標高的齒條節點相對于同一水平的其他弦管產生了高度差。根據操作手冊可知，在船體正常升降時允許的最大RPD為51.5 mm，預壓載升降時允許的最大RPD為44.1 mm，預壓載保持期間允許的最大RPD為38.2 mm。樁腿滑移發生在未壓載情況下，因此其最大RPD不超過51.5 mm。由于設置了艏部樁腿滑移，其他2只樁腿鉸支，在滑移過程中，3個樁腿均會產生不同程度的RPD值，本文對3個樁腿中RPD值最大的樁腿進行了RPD分析，如果RPD值最大的樁腿滿足規范要求，則其余2樁腿也滿足要求；5種工況下不同方向滑移距離與RPD關系見圖5。

由圖5可知，隨著滑移距離增加，RPD基本呈線性增加，由于未考慮海洋環境載荷的影響，在樁腿強度承受范圍內，極限滑移距離時對應的最大RPD值為39 mm，未超過操作手冊允許的最大RPD，因此在樁腿極限滑移距離內，RPD滿足船級社規范要求。

圖5 樁腿底部滑移距離與RPD關系