自升式海洋平台站立状态下总体性能研究

1、自升式海洋平台站立状态下总体性能研究李红涛摘要：本文以一个桁架桩腿自升式平台为例，通过有限元计算分析，阐述了平台站立状态下几个重要总体性能的校核方法，主要包括桩腿强度；锁紧系统（升降系统）承载性能；预压载性能；桩靴承载性能；抗倾稳性。本文提供方法和思路对自升式平台使用者及平台设计人员具有一定的指导意义。关键词：自升式平台；有限元；总体性能；站立状态Study on General Performance of Jack-up under Elevated ConditionAbstract: Methods of checking for jack-up elevated performanc

2、e including leg structure strength, fixation system or jacking system bearing capacity, pre-load requirement, spud can bearing capacity and overturning stability is suggested in this paper. As a example, a jack-up with truss legs is analyzed by FEA method. This paper may be helpful to the rig owners

3、, operators and designers.Key words: Jack-up; finite element; general performance; elevated condition1. 引 言自升式海洋平台是指具有活动桩腿，且其主船体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行作业的平台，此种平台在海洋石油开发中被广泛应用。对于自升式海洋平台，站立状态下总体性能分析是平台作业的重要基础，是平台设计的主要内容1，其概括起来可包含以下几个方面：桩腿强度；锁紧系统（升降系统）承载性能；预压载性能；桩靴承载性能；抗倾稳性。因此，总体性能将直接影响到平台的操作安全及作业能力，是平台

4、使用者最关注的重点。本文对一个典型的桁架式桩腿自升式平台，通过有限元求解及相应理论分析，试图说明此平台总体性能的计算过程及方法，对工程实践具有一定的指导作用，为工程设计人员提供借鉴。2. 计算模型算例中的平台为悬臂梁式自升式平台，采用三角形箱形主船体，配有三个桁架式桩腿，艏一尾二，升降系统为电动齿轮升降系统，每个桩腿弦杆一套；并全船配有9套锁紧系统，在拖航、作业及自存状态下，锁紧系统将桩腿弦杆齿条板锁死；平台每个桩腿带有一个六边形的桩靴，拖航时可收回船底。平台的作业环境条件及参数如下表1所示。表1 环境条件及作业参数Tab.1 Environment Condition and Operati

5、ng Parameters环境条件作业工况自存工况水深（m）106.7106.7最大波高（m）1015.24波浪周期（s）1115最大风速（m/s）3651.4流速（m/s）： 0.510.51气隙（m）15.2415.24最大可变载荷（t）35002500船体总重量（t）1238011000根据该平台结构特点，建立如图1所示的有限元模型，所有结构由梁单元模拟。图1 有限元模型Fig.1 FE Model2.1 船体的模拟总体分析中不考虑船体结构强度，所以采用梁对船体进行模拟，将船体纵、横剖面视为箱形结构，模型中的梁单元组合截面特性按如下方式进行定义：面积与实际船体截面一致；y、z方向的惯性矩

6、与实际船体截面一致；扭转惯性矩与实际船体截面一致。通过以上方面的定义，从而保证了模型船体与实际船体刚度的一致。表2为模拟船体的梁剖面的相关特性。表2 模拟船体的梁特性Tab.2 Characteristics for Hull Beam特性纵向梁横向梁轴向面积0.150.18扭转惯性矩6.439.26抗弯y向惯性矩0.871.05抗弯z向惯性矩76.2192.892.2 桩腿的模拟桩腿是自升式平台最为关键的结构，且因结构形式复杂，在有限元建模中最难处理。本算例桩腿为桁架式桩腿，桩腿弦杆为齿条板与圆管的组合结构，截面如图2所示。模型中弦杆为自定义梁单元，既保证其刚度与实际弦杆刚度一致，又要保证其

7、水动力系数具有足够的精度。桩腿弦杆的剖面特性见表3。图2 桩腿截面Fig.2 Leg Section 表3 桩腿弦杆特性Tab.3 Characteristics for Leg Chord特性面积y向惯性矩z向惯性矩拖曳力系数惯性力系数桩腿弦杆0.11670.002830.001561.2561.3022.3 桩腿与船体之间的连接刚度有限元分析中桩腿和船体连接的处理将直接影响到计算结果的准确性。算例中平台作业和自存条件下依靠锁紧系统锁死桩腿，有限元模拟中充分考虑桩腿和锁紧系统刚度，利用弹簧模拟桩腿与船体连接的刚度，弹簧刚度系数计算如下2， (1)式中，分别为桩腿与船体连接的向扭转刚度系数及垂

8、向位移刚度系数；为桩腿截面面积；为锁紧系统的垂向位移刚度系数，可由锁紧系统实际结构形式计算得到；及分别为锁紧系统和桩腿的扭转刚度系数，可分别计算如下： (2)其中，为上、下导向结构间桩腿的截面惯性矩；为锁紧系统的垂向长度；为下导向结构距离锁紧系统的长度。图3为实际桩腿弦杆与锁紧系统连接示意图。图3 锁紧系统与下导向结构Fig.3 Fixation System and Lower Guide Structure算例中，桩腿与船体连接弹簧的刚度如下表2所示。表4 桩腿与船体连接弹簧刚度Tab.4 Spring Stiffness for Connection of Leg and Hull弹簧扭

9、转刚度(MNm/rad)扭转刚度(MNm/rad)垂向刚度(MNm/rad)刚度系数365E3368E39.8E32.4 边界条件 模型中充分考虑桩靴与海床的相互作用，边界条件为桩腿最下端采用弹簧六自由度支撑，其刚度系数可采用如下方法计算3， (3)式中，为垂向刚度；为水平刚度；为扭转刚度；为土壤剪切模量；为桩靴长度；为泊松比。需要注意的是，扭转刚度往往需要迭代计算才能最终确定。算例中边界条件弹簧刚度系数如下表3所示。表5 边界刚度系数Tab.5 Foundation Fixity Stiffness 弹簧垂向刚度( MN/m)水平刚度( MN/m)扭转刚度( MNm/rad)刚度系数1628

10、1382.7574133. 计算载荷3.1 功能载荷 功能载荷包括固定载荷和可变载荷。固定载荷主要包括平台结构自重和设备重量，可变载荷主要设计到各液舱的配载、平台作业的相关载荷及其它生活供应品等。3.2 环境载荷环境载荷主要包括风、波浪及海流载荷，还应有P-Delta效应载荷及波浪惯性力载荷。环境载荷作用方向在算例中取为180到360度、每30度一个，共7个方向。4. 计算结果分析 将上述基本载荷组合可得到组合工况，主要可分为作业工况和自存工况。按表1所给环境条件进行有限元计算分析，可得到以下结论。4.1 桩腿强度按AISC4校核桩腿的强度，桩腿弦杆作业工况下最大应力比为0.74，位置为艏桩腿

11、围阱下导向结构与桩腿交界处，环境载荷方向为300度入射；桩腿弦杆自存工况下最大应力比为0.99，位置为右后桩腿围阱下导向结构与桩腿交界处，环境载荷方向为240度入射，如下图4所示。锁紧系统UCmax=0.99UCmax=0.74图4 桩腿弦杆应力比Fig.4 Unity Check for Leg Chord 由计算结果可知，桩腿在平台作业及自存工况下，其屈服和屈曲强度满足要求。4.2 锁紧系统承载性能锁紧系统工作是否可靠将影响到整个平台的安全，因此需对其承载能力进行校核。如图3所示锁紧系统，采用具有相当刚度的杆件进行模拟，通过分析其受力大小，可校核锁紧系统的承载能力，如下表4所示。表6 锁紧

12、系统能力校核Tab.6 Check for Fixation System Capability锁紧系统受力自存工况作业工况压力（MN）40.6835.76拉力（MN）31.7728.36受压0.870.76受拉0.930.83锁紧系统能力受压（MN）受拉（MN）4734由表中分析结果可知，锁紧系统的名义载荷比值均小于1，因此锁紧系统在作业和自存条件下可安全工作。4.3 预压载性能平台的预压载能力是考核平台压载舱全部注满海水后，对桩腿产生的压力是否能够达到预压载要求的能力。平台的压载能力将直接关系到平台的站立稳定性，是重要的总体性能之一。表5说明了算例平台具有较好的压载能力，能够满足给定环境条

13、件下的预压载要求。表7 预压载能力校核Tab.7 Check for Pre-load Requirement压载能力自存工况作业工况单桩最大预压载能力（MN）78桩腿最大反力反力U.C.反力U.C.艏桩腿（MN）59.930.7762.920.81尾桩腿（左） （MN）31.960.4133.450.43尾桩腿（右） （MN）37.210.4836.490.474.4 桩靴承载性能本平台桩靴设计的最大容许承载力为78MN，因此需对平台的桩腿反力值进行考察，即桩腿反力最大值不应超过桩靴设计承载力。表6中桩靴载荷比均小于1，表明桩靴强度满足平台站立工况要求。表8 桩靴承载能力校核Tab.8 Sp

14、ud Can Capability Check工 况风暴自存工况载荷方向180°210°240°270°300°330°360°最大桩腿反力(kN)39520.940522.943829.649229.954061.957954.559925.5U.C.0.510.520.560.630.690.740.77工 况作业工况载荷方向180°210°240°270°300°330°360°最大桩腿反力(kN)50060.050667.652859.156244

15、.459387.661810.962915.9U.C0.640.650.680.720.760.790.814.5 抗倾稳性自升式海洋平台的抗倾稳性是指平台在重量、浮力及海床对平台的联合作用下，抵抗因环境载荷作用而引起平台倾覆的能力，此指标是考核平台站立安全性的重要性能之一。按CCS海上移动平台入级与建造规范（2005）中规定1，作业条件下，自升式平台抗倾安全系数不应低于1.5；自存条件下，不应低于1.3。抗倾安全系数可按如下公式计算， (4)式中，恢复力矩、倾覆力矩可表示为5， (5)其中，为平台自重产生的恢复力矩；为桩腿、桩靴重量产生的恢复力矩；为海床对桩靴吸附、摩擦产生的恢复力矩，此力矩

16、除非有详细的计算，一般不予考虑；为风、浪、流对平台产生的倾覆力矩；为波浪惯性力产生的倾覆力矩；为船体P-Delta效应产生的倾覆力矩。表7给出了算例平台在两个最危险方向的抗倾稳性，结果显示，此平台抗倾稳性满足要求。表9 抗倾稳性校核Tab.9 Overturning Stability Check横向（180度）斜向（300度）力臂(M)17.5011.14自存工况恢复力矩(KN*M)1846259.801174911.21倾覆力矩(KN*M)690604.03 802240.55安全系数2.671.47作业工况恢复力矩(KN*M)2326459.801480497.86倾覆力矩(KN*M)431681.44 514763.45 安全系数5.392.885. 结 论本文以一桁架桩腿自升式海洋平台为例，阐述了有限元建模方法及思路，计算了平台站立工况下的几个关键总体性能，计算结果表明，此平台桩腿强度、锁紧系统承载能力、压载能力、桩靴承载能力及抗倾能力均满足给定环境条件下的性能要求。本文提供方法和思路对自升式平台使用者及平台设计人员具有一定的借鉴作用。参考文献1 中国船级社，海上移动平台入级与建造规范M. 人民交通出版社，2005.2