自升式平臺水密樁靴內部介質與樁靴結構承壓性能計算分析

曲健冰，王飛

(1.中國船級社 海洋工程技術中心，天津 300457；2.中海油田服務有限公司 鉆井事業部，北京 101149)

根據不同的設計理念，自升式平臺的樁靴從水密性角度可分為與海水聯通和水密2種形式。水密樁靴由于隨著水深加大內外壓差會隨之升高，靜水壓潰的風險也隨之提升，為避免靜水壓潰的出現，構件的尺寸需要大于聯通的樁靴。

各船級社的移動平臺規范中對于水密樁靴內外壓差在強度計算中的考慮都進行了要求，但對于如何進行考慮并未提出詳細的要求。出于保守考慮，通常情況下將水密樁靴的內壓計為0，但實際上由于內部填充介質的存在，其內部壓力會在樁靴結構體積被壓縮后上升，上升的數值與內部介質的壓縮性能直接相關。為此，通過水密樁靴中不同介質的模擬分析(不同比例的海水與空氣)，定量分析封閉樁靴內介質對其強度的影響。

某自升式平臺將樁靴改造加大后，在使用中發現部分結構發生塑性變形的現象，經現場調查，確認為樁靴變形的原因是意外發生自封閉產生的內外壓差。因此，有必要對樁靴內外壓差的作用進行定量模擬分析，掌握自封閉后內外壓差對強度的影響情況，為后續樁靴設計及校核提供參考。

1 基本假設

1)樁靴內的介質溫度和狀態不發生變化，即水不結冰也不發生氣化。

2)壓力沿樁靴深度方向上不發生變化。

3)樁靴結構受力在彈性范圍內，不發生塑性變形。

4)樁靴內的空氣不會溶解至水中。

2 介質受壓性能考慮

考慮到封閉樁靴內可能存在海水與空氣2種介質，因此本文對不同海水與空氣的比率下樁靴受力的情況進行研究。樁靴內不同介質分布見圖1，樁靴受壓分布見圖2。

圖1 樁靴內介質分布示意

圖2 樁靴內、外壓力分布示意

2種介質在壓力變化時體積的變化規律如下。

1)海水的體積隨壓強的變化規律。

V1水=V0水[1-β(p1-p0)]

(1)

式中：p0為初始海水壓強，考慮取標準大氣壓，約為0.1 MPa；p1為變化后海水壓強；V0水為初始海水體積;V1水為變化后海水體積;β為海水的壓縮系數。

實際上海水的壓縮系數與海水的溫度和鹽度均相關，假設溫度無變化(一直保持為300 K)，將海水的壓縮系數簡化考慮為β≈4.5×10-4MPa。

海水體積的變化量可表示為

V1水-V0水=-βV0水[p1-p0]

(2)

2)氣體體積隨壓強變化的規律可根據理想氣體狀態方程表示為

pV=nRT

(3)

式中：p為理想氣體壓強，Pa；R為氣體常量；V為氣體體積，m3；n為氣體物質的量，mol；T為體系溫度，K。

由于計算中假設溫度未發生變化，氣體的量和氣體常量均為常數，因此氣體體積變化可以表示為

p0V0氣=p1V1氣

(4)

式中：p0為初始氣體承受壓強，考慮取標準大氣壓，約為0.1 MPa；p1為變化后氣體承受壓強；V0氣為初始氣體體；V1氣為變化后氣體體積。

氣體體積變化量可表示為

(5)

經計算，示例平臺樁靴的總容積為1 555 m3。為方便對比，將不同含氣百分比情況下1 555 m3介質體積變化量與壓力變化關系繪制曲線見圖3。

圖3 樁靴內介質體積變化量與壓力變化的關系

可以看出氣體微量的比例將極大地改變樁靴內介質的抗壓性能。對比發現在壓力差為1 MPa時，空氣的被壓縮體積約為海水的2 000倍。

3 封閉樁靴受力特征分析

以某400 in自升式平臺加大后的樁靴為例，對其封閉后下放到100 m水深時的變形及受力情況進行分析，考慮不同的內部介質(海水與空氣)比例。利用有限元模型分析不同內外壓差下樁靴變形引起的容積變化，由于本文中結構的分析為線性分析，樁靴容積變化量與壓差的關系也表現為線性。

壓差為1.0 MPa時樁靴的變形情況見圖4，圖中最大變形位置與實際樁靴屬性變形位置一致，考慮引起變形的原因是面外壓力作用下的局部屈曲。

圖4 樁靴變形情況

通過不同壓差情況下樁靴變形引起容積變化量的統計，得到樁靴容積變化量與內外壓差關系計算結果，見圖5。

圖5 樁靴容積變化量與內外壓差關系曲線

由此得出樁靴容積變化量與內外壓差關系的解析式為

ΔV=K·pload

(6)

式中：pload為樁靴的內外壓力差；ΔV為樁靴容積變化量；K為樁靴的體積變化率，該參數與樁靴的設計結構情況相關，這里通過有限元模型計算獲取。

考慮到水密樁靴深入海底時，實際的受載狀態是外側受到海水的壓力，內側受到內部介質提供的壓力，樁靴結構的受載總和為內外部壓力的差值。考慮到樁靴內部的壓力與樁靴的變形量的相關性，列出方程組如下。

(7)

式中：pout為外部壓力，這里考慮下放到100 m水深+標準大氣壓，約為1.1 MPa；pin為樁靴內部介質承受壓力，核心待求解參數；ΔV體積變化量，核心待求解參數；p0為初始海水及氣體壓強，考慮取標準大氣壓，約為0.1 MPa；V0氣入水前樁靴內空氣體積，已知參數；V0水入水前樁靴內水體積，已知參數。

求解以上方程組得到示例樁靴不同空氣比率下比率內部支撐壓力與樁靴內外壓力差關系見表1，并繪制曲線見圖6。由圖6可知，本示例平臺樁靴樁靴內部介質的支持壓強在含氣量為0～0.10%區間內變化最為劇烈；在含氣量大于0.10%～0.20%區間內稍有變化；含氣量大于0.20%之后的后變化非常平緩，并不斷向內部完全無支撐作用趨近。考慮到內部介質原有的壓強為0.1 MPa，當空氣比率達到1.00%時，樁靴結構支撐壓力約為內部介質支撐壓力的110倍，內部介質的支撐能力可以忽略不計。

表1 不同空氣比率下內部支撐壓力與轉學內外壓力差關系

圖6 樁靴內部含空氣比率與壓力關系曲線

4 內部介質對樁靴強度影響

通過計算得到100 m水深下，密閉樁靴不同的內部介質下(含氣量0.00%、0.01%和1.00%)樁靴的受力分布情況見圖7～9。圖中應力的類型為等效應力，應力的單位為kPa。

圖7 含氣量為0時等效應力的分布

圖8 含氣量為0.01%時等效應力的分布

圖9 含氣量為1.00%時等效應力的分布

樁靴設計材料的屈服強度為355 MPa，通過以上計算可知：

1)排除有限元模擬失真的局部高應力情況，最理想狀態下——樁靴內完全充滿水(不含氣體)，內部海水可以對樁靴起到有效的支撐作用，但距離完全抵抗外部水壓差距甚遠，100 m水深情況下，抵抗的壓強在0.65 MPa左右，由內外壓差引起樁靴的等效應力約為55 MPa。

2)當含氣量增加0.01%時，樁靴的等效應力即增大至66 MPa；當樁靴內的含氣量達到0.2%時，其對內部介質的支撐作用不足外壓的1%，基本可以忽略不計；當含氣量繼續增加1%時，樁靴的等效應力即增大至155 MPa。

3)僅1%的含氣量帶來的內外壓差給樁靴結構帶來的應力增幅最大為100 MPa，占材料屈服強度的比率為28.2%，對結構的穩定性帶來了非常不利的影響。由此可知，水密樁靴結構的實際受力對其中的含氣量異常敏感，不足1%的含氣量即可讓內部介質的支撐作用幾乎完全喪失，實際上樁靴內的海水和空氣還會發生溶解，同樣給樁靴的結構安全帶來了極大的不確定性。

5 結論

1)由于水密樁靴的結構強度對樁靴氣體的存在情況非常敏感，給樁靴的結構安全帶來了極大的不確定性，因此建議在自升式平臺的實際工程設計中不考慮水密樁靴內充滿水對外壓的抵抗作用，按照水密樁靴結構能夠完全承壓進行設計。

2)樁靴的意外水密對于樁靴的強度具有很大的影響，除在設計中考慮水密外，其他樁靴應設有有效的防自閉設施。

3)對于非水密樁靴，其中如存在少量的氣體未順利的排出，由于空氣抗壓縮能力較海水非常弱，壓力的波動同樣會對結構帶來風險，因此過水/過氣孔的合理布置應在樁靴的設計中予以關注。