多因素影響下自升式平臺抗臺風結構強度評估

郝林,張少洋

(中海油安全技術服務有限公司,天津 300457)

東海海域某作業區塊處于夏季臺風活動覆蓋區域,環境條件比較惡劣。在東海區域作業的自升式鉆井平臺可能受到臺風威脅。雖然在操船手冊中給出了風暴自存狀態下的工況條件,但不同海域環境參數差異較大,自升式平臺的固定載荷、可變載荷等會有變化。當臺風來臨前調整鉆井平臺的懸臂梁的外伸長度、固定載荷、可變載荷,能有效降低結構損傷風險。另外,由正常作業狀態調整到抗臺風狀態時,調整的工作越多,時間越長,經濟效益越低,如何調整到合理的抗臺狀態是現場勘探開發作業重點關注的內容[1]。為此,采用有限元軟件結合新作業井位的環境條件對平臺結構狀態進行評估,對不同參數的敏感性進行分析,給出不同環境條件下平臺的限制工況,為抗臺應急預案提供決策依據。

1 自升式平臺概述

平臺船型為三角形船體,帶有3個三角形桁架樁腿,樁腿位置如下:前樁腿位于平臺中心線上,2個后樁腿距前樁腿45.72 m,位于中心線兩側23.774 m處。平臺參數見表1,懸臂梁參數見表2。懸臂梁設計載荷包括立根載荷、轉盤載荷、大鉤載荷、套管/BOP張力載荷。

表1 平臺相關參數

表2 懸臂梁設計載荷

2 有限元模型

2.1 懸臂梁有限元模型

懸臂梁尺度是懸臂梁的重要參數,關系到平臺1次就位鉆井數量和平臺主尺度的確定。懸臂梁存在回收存放和外伸作業兩種狀態,回收存放時懸臂梁全部位于平臺內,平臺主尺度需要滿足懸臂梁存放要求;外伸作業時,其伸出平臺外的長度直接關系到平臺1次就位鉆井數量。

懸臂梁采用有限元方法進行計算時,將懸臂梁簡化為板、梁模型[2-3]。利用 Shell63 殼單元來模擬懸臂梁和橫向軌道各面板結構,Beam188 梁單元來模擬懸臂梁和橫向軌道扶強材等構件。總體坐標系X正向指向船艏,Y正向指向左舷,Z正向垂直海平面向上。坐標原點選在選在懸臂梁B肋位和懸臂梁基線交點位置。幾何模型主要考慮板材以及加強結構的空間位置,T型材面板采用殼單元進行模擬。對于板厚,設置對應的實常數。結合懸臂梁支撐座、卡槽、導向座及鎖緊裝置的結構圖,在船艉處以及船體鎖緊位置約束懸臂梁的自由度,鎖緊裝置結構形式見圖1。對幾何模型劃分網格,共計26 732個節點,36 386個單元,有限元模型見圖2。

圖1 懸臂梁鎖緊裝置約束

圖2 懸臂梁有限元模型

2.2 樁腿有限元模型

根據樁腿圍井結構圖,樁腿結構圖按照實際尺寸建立平臺及樁腿幾何模型,平臺整體位置關系為氣隙16.5 m,水深90 m(校核高水位),樁靴底部在泥面以下19.1 m。根據《海上移動平臺入級與建造規范》的要求,鉸支點取在樁靴高度的一半處。對幾何模型劃分網格,共計26 732個節點,36 386個單元,樁腿與船體連接位置在模型中通過節點耦合的方式連接樁腿與船體。

有限元模型見圖3、4,載荷加載采用MPC184單元,將計算載荷的坐標位置與載荷作用區域進行耦合,載荷加載方式見圖5。

圖3 船體有限元模型

圖4 樁腿有限元模型

圖5 模型約束與加載

3 載荷工況

3.1 懸臂梁載荷

風荷載根據《ABS Rules for Building and Classing Offshore Mobile Drilling Units》計算,計算公式為

(1)

F=pA

(2)

式中:F為風載荷,N;p為風壓,Pa;f=0.611;V為設計風速,m/s;Ch為受風構件高度系數,其值根據規范選取;Cs為受風構件形狀系數,對于圓柱形構件取0.5,對于平臺船體結構取1.0;S為受風構件正投影面積,m2。

懸臂梁計算風速作業工況為36 m/s,自存工況為51.5 m/s,懸臂梁局部計算選取了0°、45°、90°、135°、180°共5個方向進行校核。以作業工況為例,計算的懸臂梁風載荷見表3。

表3 作業工況懸臂梁風載荷

參考裝載手冊給出懸臂梁固定載荷與可變載荷,以作業工況為例,載荷分布見表4。

表4 作業工況懸臂梁載荷分布

3.2 樁腿載荷

1)風載荷。風載荷的計算方法與懸臂梁的方法一致,根據受風面積計算船體以及氣隙區的樁腿風載荷。

2)波流載荷。小尺度圓形構件按Morison公式計算,在有限元軟件中通過設定波浪參數、海流參數、拖曳力系數以及慣性力系數,即可計算出波流載荷。

3)慣性載荷。最大慣性力計算公式如下。

(3)

式中:Fi為慣性力;DAF為動力放大系數;Fmax,Fmin為最大/最小波流載荷。

通過單自由度系統計算動力放大系數(DAF)。計算公式如下[4]。

(4)

依據Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME)《Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units》中的section 7.3.5 &Ref.3 part3 chapter2 section3 5.9計算自升式鉆井平臺自振周期Tn,結合波浪周期計算動力方大系數。根據式(3)最終計算出慣性載荷,結果見表5。

表5 慣性載荷列表

4)P-Delta效應。將固定載荷、可變載荷、風載荷以及波流載荷施加于有限元模型,求出各工況下的水平位移,進一步求出P-Delta作用下的附加彎矩,見表6。

表6 P-Delta附加彎矩

4 計算結果

4.1 懸臂梁強度分析

將風載荷、固定載荷、可變載荷加載到有限元模型[5-8],計算不同工況下的懸臂梁等效應力以及位移,最大應力出現在懸臂梁外伸與船艉相接觸截面,如圖5所示。懸臂梁側板在下部為EQ56材質,中部為EQ36材質,對應的許用強度不同,相應位置的等效應力計算結果,見表7,許用應力為90%的屈服強度。

表7 懸臂梁有限元計算結果

計算表明,各工況下懸臂梁的強度滿足規范要求。比較發現,風暴狀態懸臂梁外伸22.9 m,

在風向135°時受力最大,達到411 MPa,UC值為0.83。懸臂梁本體結構強度有一定裕量,單從懸臂梁本體結構強度而言,在風暴自存條件下可以保持外伸狀態。

4.2 樁腿強度分析

計算表明,弦桿為最危險構件,因此僅給出弦桿的校核結果。弦桿屈服強度690 MPa,經計算樁腿底部許用壓縮應力為501 MPa,依據計算的許用應力計算最危險構件的UC值,匯總于表8。

表8 樁腿應力計算結果

根據計算結果,在120°載荷方向時樁腿根部弦桿強度不滿足要求,其他各載荷方向滿足強度校核要求。

4.3 樁腿強度敏感性分析

調整影響樁腿強度的各項參數,進行敏感性分析。從計算分析的角度可調整參數為①波浪參數,考慮不同作業海域的波浪參數,分析不同波浪參數對平臺的影響;②樁靴入泥深度,平臺運營方將平臺拖運至作業區塊確定入泥深度的依據;③可變載荷與懸臂梁位置,抗臺準備階段確定可變載荷與懸臂梁外伸長度。

4.3.1 波高

在120°載荷方向樁腿強度不滿足要求,根據風載荷、波流載荷、慣性載荷計算結果發現平臺的慣性載荷過大。慣性載荷與波流載荷大小以及動力放大系數有關。由于平臺自振周期與東海作業海域波浪周期較為接近,導致動力放大系數較大。同時,在50年重現期下的最大波高以及流速下,波流載荷較大。

當調整波浪參數,不僅可以使平臺整體波流載荷減小,還可以減小慣性載荷。如果調整風速,或者將22.9 m懸臂梁收回,減小的風載荷有限。當調整波高,重新計算樁腿應力。目前波高為20.6 m,經試算在波高17.2 m時,波流載荷為6 224 kN,慣性力載荷為6 225 kN,樁腿最大UC值為1,滿足規范要求。

4.3.2 樁靴入泥深度

調整樁靴底部距泥面距離,增大風速,以計算當構件UC值為1時對應的最大風速。

根據《鉆井平臺拖航與就位作業規范》,平臺艏向的選擇,應以占優勢的主導風、流為依據,自升式平臺應采用橫風和/或橫流的方向作為平臺艏向。實際作業中通常按照載荷方向90°布置,因此僅計算90°載荷方向工況。

不同入泥深度時對應最大允許風速見表9。

表9 不同樁靴入泥深度對應最大風速表

4.3.3 可變載荷及懸臂梁位置

調整平臺可變載荷,一方面降低了樁腿承受的垂向載荷;另一方面,由于平臺的自振周期變化,其動力放大系數隨之改變,進一步影響了平臺慣性載荷。因此通過降低自存工況下平臺可變載荷計算樁腿結構強度,可變載荷的調整基于自升式平臺的實際作業情況,見表10。

表10 調整后平臺可變載荷

計算考慮樁靴入泥深度14.5 m的情況,在上述分析中,限制工況為120°載荷工況,因此重點計算此方向下樁腿的結構強度。

根據動力放大系數計算方法計算調整可變載荷后的動力放大系數,結合120°載荷工況的波流載荷,計算對應的慣性力載荷。在“調整2”工況下同時減小懸臂梁外伸距離,可以進一步降低樁腿UC值,計算結果見表11。

表11 調整后有限元計算結果

降低可變載荷(見表10),以及減小懸臂梁外伸距離對平臺結構都是有利的。計算表明,在樁靴入泥14.5 m時,懸臂梁外伸12 m,可變載荷控制在955.1 t時,各載荷工況滿足結構強度要求。

5 結論

采用有限元方法,對自升式平臺抗臺狀態下的結構強度進行分析,從波高、樁腿入泥深度、可變載荷以及懸臂梁外伸出距離等因素進行敏感性分析,結果表明:

1)各工況下懸臂梁的強度均滿足規范要求。其中最危險工況為風暴自存狀態懸臂梁外伸22.9 m,風向135°,此時應力達到411 MPa(UC值為0.83)。

2)波流載荷、慣性載荷、風載荷在自存工況遠大于作業工況,首先采用操船手冊中的數據進行初步計算分析,分析中采用的環境條件為50年重現期的波流條件(最大波高20.6 m,波浪周期12.4 s,表面流速2.2 m),風速取51.5 m/s,計算表明,120°載荷方向桿件最大UC值為1.11,不滿足規范要求,其他方向UC值均小于1,滿足規范要求。

3)調整波高、樁腿入泥深度、可變載荷以及懸臂梁外伸出距離,其中波高受限于作業環境,無法調整,但根據樁腿強度反推了允許波高。平臺現場對可變載荷以及懸臂梁外伸出距離可以調整,由于平臺的重量發生變化其自振周期以及動力放大系數隨之改變,進一步影響了平臺慣性載荷。計算表明,在樁靴入泥14.5 m時,懸臂梁外伸12 m,可變載荷控制在955.1 t時,滿足結構強度要求。

4)不同地區環境條件差異較大,需要根據實際工況計算允許的可變載荷以及懸臂梁外伸量。