自升式平臺(tái)水密樁靴內(nèi)部介質(zhì)與樁靴結(jié)構(gòu)承壓性能計(jì)算分析

曲健冰，王飛

(1.中國(guó)船級(jí)社 海洋工程技術(shù)中心，天津 300457；2.中海油田服務(wù)有限公司 鉆井事業(yè)部，北京 101149)

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)理念，自升式平臺(tái)的樁靴從水密性角度可分為與海水聯(lián)通和水密2種形式。水密樁靴由于隨著水深加大內(nèi)外壓差會(huì)隨之升高，靜水壓潰的風(fēng)險(xiǎn)也隨之提升，為避免靜水壓潰的出現(xiàn)，構(gòu)件的尺寸需要大于聯(lián)通的樁靴。

各船級(jí)社的移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中對(duì)于水密樁靴內(nèi)外壓差在強(qiáng)度計(jì)算中的考慮都進(jìn)行了要求，但對(duì)于如何進(jìn)行考慮并未提出詳細(xì)的要求。出于保守考慮，通常情況下將水密樁靴的內(nèi)壓計(jì)為0，但實(shí)際上由于內(nèi)部填充介質(zhì)的存在，其內(nèi)部壓力會(huì)在樁靴結(jié)構(gòu)體積被壓縮后上升，上升的數(shù)值與內(nèi)部介質(zhì)的壓縮性能直接相關(guān)。為此，通過水密樁靴中不同介質(zhì)的模擬分析(不同比例的海水與空氣)，定量分析封閉樁靴內(nèi)介質(zhì)對(duì)其強(qiáng)度的影響。

某自升式平臺(tái)將樁靴改造加大后，在使用中發(fā)現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，確認(rèn)為樁靴變形的原因是意外發(fā)生自封閉產(chǎn)生的內(nèi)外壓差。因此，有必要對(duì)樁靴內(nèi)外壓差的作用進(jìn)行定量模擬分析，掌握自封閉后內(nèi)外壓差對(duì)強(qiáng)度的影響情況，為后續(xù)樁靴設(shè)計(jì)及校核提供參考。

1 基本假設(shè)

1)樁靴內(nèi)的介質(zhì)溫度和狀態(tài)不發(fā)生變化，即水不結(jié)冰也不發(fā)生氣化。

2)壓力沿樁靴深度方向上不發(fā)生變化。

3)樁靴結(jié)構(gòu)受力在彈性范圍內(nèi)，不發(fā)生塑性變形。

4)樁靴內(nèi)的空氣不會(huì)溶解至水中。

2 介質(zhì)受壓性能考慮

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

圖1 樁靴內(nèi)介質(zhì)分布示意

圖2 樁靴內(nèi)、外壓力分布示意

2種介質(zhì)在壓力變化時(shí)體積的變化規(guī)律如下。

1)海水的體積隨壓強(qiáng)的變化規(guī)律。

V1水=V0水[1-β(p1-p0)]

(1)

式中：p0為初始海水壓強(qiáng)，考慮取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，約為0.1 MPa；p1為變化后海水壓強(qiáng)；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(shù)。

實(shí)際上海水的壓縮系數(shù)與海水的溫度和鹽度均相關(guān)，假設(shè)溫度無變化(一直保持為300 K)，將海水的壓縮系數(shù)簡(jiǎn)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(qiáng)變化的規(guī)律可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程表示為

pV=nRT

(3)

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

由于計(jì)算中假設(shè)溫度未發(fā)生變化，氣體的量和氣體常量均為常數(shù)，因此氣體體積變化可以表示為

p0V0氣=p1V1氣

(4)

式中：p0為初始?xì)怏w承受壓強(qiáng)，考慮取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，約為0.1 MPa；p1為變化后氣體承受壓強(qiáng)；V0氣為初始?xì)怏w體；V1氣為變化后氣體體積。

氣體體積變化量可表示為

(5)

經(jīng)計(jì)算，示例平臺(tái)樁靴的總?cè)莘e為1 555 m3。為方便對(duì)比，將不同含氣百分比情況下1 555 m3介質(zhì)體積變化量與壓力變化關(guān)系繪制曲線見圖3。

圖3 樁靴內(nèi)介質(zhì)體積變化量與壓力變化的關(guān)系

可以看出氣體微量的比例將極大地改變樁靴內(nèi)介質(zhì)的抗壓性能。對(duì)比發(fā)現(xiàn)在壓力差為1 MPa時(shí)，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(tái)加大后的樁靴為例，對(duì)其封閉后下放到100 m水深時(shí)的變形及受力情況進(jìn)行分析，考慮不同的內(nèi)部介質(zhì)(海水與空氣)比例。利用有限元模型分析不同內(nèi)外壓差下樁靴變形引起的容積變化，由于本文中結(jié)構(gòu)的分析為線性分析，樁靴容積變化量與壓差的關(guān)系也表現(xiàn)為線性。

壓差為1.0 MPa時(shí)樁靴的變形情況見圖4，圖中最大變形位置與實(shí)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(tǒng)計(jì)，得到樁靴容積變化量與內(nèi)外壓差關(guān)系計(jì)算結(jié)果，見圖5。

圖5 樁靴容積變化量與內(nèi)外壓差關(guān)系曲線

由此得出樁靴容積變化量與內(nèi)外壓差關(guān)系的解析式為

ΔV=K·pload

(6)

式中：pload為樁靴的內(nèi)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(shù)與樁靴的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)情況相關(guān)，這里通過有限元模型計(jì)算獲取。

考慮到水密樁靴深入海底時(shí)，實(shí)際的受載狀態(tài)是外側(cè)受到海水的壓力，內(nèi)側(cè)受到內(nèi)部介質(zhì)提供的壓力，樁靴結(jié)構(gòu)的受載總和為內(nèi)外部壓力的差值?？紤]到樁靴內(nèi)部的壓力與樁靴的變形量的相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓，約為1.1 MPa；pin為樁靴內(nèi)部介質(zhì)承受壓力，核心待求解參數(shù)；ΔV體積變化量，核心待求解參數(shù)；p0為初始海水及氣體壓強(qiáng)，考慮取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，約為0.1 MPa；V0氣入水前樁靴內(nèi)空氣體積，已知參數(shù)；V0水入水前樁靴內(nèi)水體積，已知參數(shù)。

求解以上方程組得到示例樁靴不同空氣比率下比率內(nèi)部支撐壓力與樁靴內(nèi)外壓力差關(guān)系見表1，并繪制曲線見圖6。由圖6可知，本示例平臺(tái)樁靴樁靴內(nèi)部介質(zhì)的支持壓強(qiáng)在含氣量為0～0.10%區(qū)間內(nèi)變化最為劇烈；在含氣量大于0.10%～0.20%區(qū)間內(nèi)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(nèi)部完全無支撐作用趨近?？紤]到內(nèi)部介質(zhì)原有的壓強(qiáng)為0.1 MPa，當(dāng)空氣比率達(dá)到1.00%時(shí)，樁靴結(jié)構(gòu)支撐壓力約為內(nèi)部介質(zhì)支撐壓力的110倍，內(nèi)部介質(zhì)的支撐能力可以忽略不計(jì)。

表1 不同空氣比率下內(nèi)部支撐壓力與轉(zhuǎn)學(xué)內(nèi)外壓力差關(guān)系

圖6 樁靴內(nèi)部含空氣比率與壓力關(guān)系曲線

4 內(nèi)部介質(zhì)對(duì)樁靴強(qiáng)度影響

通過計(jì)算得到100 m水深下，密閉樁靴不同的內(nèi)部介質(zhì)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(yīng)力的類型為等效應(yīng)力，應(yīng)力的單位為kPa。

圖7 含氣量為0時(shí)等效應(yīng)力的分布

圖8 含氣量為0.01%時(shí)等效應(yīng)力的分布

圖9 含氣量為1.00%時(shí)等效應(yīng)力的分布

樁靴設(shè)計(jì)材料的屈服強(qiáng)度為355 MPa，通過以上計(jì)算可知：

1)排除有限元模擬失真的局部高應(yīng)力情況，最理想狀態(tài)下——樁靴內(nèi)完全充滿水(不含氣體)，內(nèi)部海水可以對(duì)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(yuǎn)，100 m水深情況下，抵抗的壓強(qiáng)在0.65 MPa左右，由內(nèi)外壓差引起樁靴的等效應(yīng)力約為55 MPa。

2)當(dāng)含氣量增加0.01%時(shí)，樁靴的等效應(yīng)力即增大至66 MPa；當(dāng)樁靴內(nèi)的含氣量達(dá)到0.2%時(shí)，其對(duì)內(nèi)部介質(zhì)的支撐作用不足外壓的1%，基本可以忽略不計(jì)；當(dāng)含氣量繼續(xù)增加1%時(shí)，樁靴的等效應(yīng)力即增大至155 MPa。

3)僅1%的含氣量帶來的內(nèi)外壓差給樁靴結(jié)構(gòu)帶來的應(yīng)力增幅最大為100 MPa，占材料屈服強(qiáng)度的比率為28.2%，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來了非常不利的影響。由此可知，水密樁靴結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力對(duì)其中的含氣量異常敏感，不足1%的含氣量即可讓內(nèi)部介質(zhì)的支撐作用幾乎完全喪失，實(shí)際上樁靴內(nèi)的海水和空氣還會(huì)發(fā)生溶解，同樣給樁靴的結(jié)構(gòu)安全帶來了極大的不確定性。

5 結(jié)論

1)由于水密樁靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)樁靴氣體的存在情況非常敏感，給樁靴的結(jié)構(gòu)安全帶來了極大的不確定性，因此建議在自升式平臺(tái)的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中不考慮水密樁靴內(nèi)充滿水對(duì)外壓的抵抗作用，按照水密樁靴結(jié)構(gòu)能夠完全承壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)樁靴的意外水密對(duì)于樁靴的強(qiáng)度具有很大的影響，除在設(shè)計(jì)中考慮水密外，其他樁靴應(yīng)設(shè)有有效的防自閉設(shè)施。

3)對(duì)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(dòng)同樣會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)帶來風(fēng)險(xiǎn)，因此過水/過氣孔的合理布置應(yīng)在樁靴的設(shè)計(jì)中予以關(guān)注。