宋林松 王建軍 黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司)

自升式平臺(tái)壓載量準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算方法應(yīng)用研究

宋林松 王建軍 黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司)

目前自升式平臺(tái)壓載量是按照極限環(huán)境條件設(shè)定的,一般遠(yuǎn)大于平臺(tái)作業(yè)工況條件需要的壓載量,有時(shí)會(huì)影響到平臺(tái)的作業(yè)適用性,因此研究了根據(jù)作業(yè)井位環(huán)境條件確定平臺(tái)壓載量的方法。以海洋石油941平臺(tái)為例,探討了利用準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算平臺(tái)在各種海況下實(shí)際需要壓載量的流程,并將該方法用于海外某作業(yè)平臺(tái)的壓載量分析。分析結(jié)果表明,在一定的環(huán)境條件下,利用準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算結(jié)果確定平臺(tái)壓載量可以減小平臺(tái)樁靴入泥深度,從而降低拔樁難度,提高平臺(tái)的作業(yè)適用性。

準(zhǔn)靜態(tài)法 自升式平臺(tái) 環(huán)境載荷 壓載量計(jì)算

在平臺(tái)操作手冊(cè)中,對(duì)自升式平臺(tái)的壓載量一般是按照最大作業(yè)水深和極限風(fēng)暴狀態(tài)設(shè)計(jì)的。但在很多情況下,平臺(tái)實(shí)際作業(yè)水深小于其最大作業(yè)水深,實(shí)際作業(yè)環(huán)境載荷也低于其最大環(huán)境載荷,此時(shí)自升式平臺(tái)實(shí)際需要的樁腳支撐能力明顯低于設(shè)計(jì)值。2008年版美國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造標(biāo)準(zhǔn)》(ABS規(guī)范)允許根據(jù)環(huán)境條件確定平臺(tái)的壓載量[1],這樣,通過(guò)降低預(yù)壓載量就可以減小平臺(tái)樁腳的入泥深度,從而降低拔樁難度,提高平臺(tái)作業(yè)的安全性。在環(huán)境條件比較溫和、作業(yè)區(qū)域土體承載能力相對(duì)較弱的海域,已有自升式平臺(tái)嘗試過(guò)降低壓載量,但這種嘗試是基于經(jīng)驗(yàn)的。筆者借助于有限元軟件,根據(jù)我國(guó)海洋石油941平臺(tái)作業(yè)參數(shù),探討了利用準(zhǔn)靜態(tài)分析法根據(jù)環(huán)境條件確定平臺(tái)壓載量的計(jì)算程序,并以COSL-CONFIDENCE平臺(tái)為例進(jìn)行了壓載量分析,以期為定量計(jì)算壓載載荷提供參考。體,其固有振動(dòng)頻率與平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)、作業(yè)載荷、船體高度等參數(shù)有關(guān),環(huán)境載荷對(duì)平臺(tái)的振動(dòng)產(chǎn)生一種激勵(lì),即在平臺(tái)上附加一種慣性力——?jiǎng)討B(tài)載荷。因此,在計(jì)算平臺(tái)壓載量時(shí)既要計(jì)算平臺(tái)自身載荷,還要考慮風(fēng)、波、流等產(chǎn)生的外部載荷及動(dòng)態(tài)載荷,分析流程如圖1所示。

1 自升式平臺(tái)載荷動(dòng)態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析方法

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)法分析流程圖

自升式平臺(tái)的樁腳除了要承擔(dān)平臺(tái)自身載荷外,還要承受風(fēng)、波、流等環(huán)境載荷作用在船體、樁腿和設(shè)備上產(chǎn)生的橫向力和力矩。將風(fēng)暴狀態(tài)站立和鉆井狀態(tài)站立的自升式平臺(tái)看作為一種彈性振動(dòng)

圖1所示方法為準(zhǔn)靜態(tài)法,包括兩個(gè)分析步驟: (1)建立分析結(jié)構(gòu)的有限元分析模型,進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷分析;(2)將動(dòng)態(tài)載荷和風(fēng)、波、流產(chǎn)生的外部載荷代入有限元模型,分析樁腳反力和結(jié)構(gòu)的安全性。在第二個(gè)分析步中實(shí)際上用靜態(tài)力代替了波浪產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng),因此該分析過(guò)程叫做準(zhǔn)靜態(tài)模擬[1-2]。

在第一個(gè)分析步中需要引入動(dòng)態(tài)放大系數(shù)(DAF)。DAF是動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)的比值,用于近似計(jì)算各種結(jié)構(gòu)響應(yīng),例如平臺(tái)的傾覆力矩、船體的橫向載荷與橫向位移等。一般DAF可用式(1)計(jì)算,當(dāng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度要求比較嚴(yán)格時(shí),可在式(1)的基礎(chǔ)上,按SNAME5-5A給出的時(shí)域或隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算[2]。

式(1)中:Tp為平臺(tái)自振周期,s;T為波浪周期,s; ξ為阻尼系數(shù),一般取ξ=0.05～0.07。

自升式平臺(tái)站立狀態(tài)的振動(dòng)周期一般為3～15s,低于波浪周期,平臺(tái)一般不會(huì)與波浪產(chǎn)生共振[3]。因此,平臺(tái)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用DAF的上限值,以避免平臺(tái)振動(dòng)頻率與波浪頻率接近時(shí)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的歧變。

2 等效有限元模型

以我國(guó)海洋石油941平臺(tái)為例,建立等效有限元模型(圖2)。該平臺(tái)模型包括4種單元:梁?jiǎn)卧?管單元,浸沒(méi)管單元及質(zhì)量單元。梁?jiǎn)卧饕糜谀M樁腿弦桿和船體主要承載結(jié)構(gòu);管單元用于模擬樁腿各種撐管;浸沒(méi)管單元用于模擬波、流施加在樁腿上的載荷;質(zhì)量單元用于模擬平臺(tái)設(shè)備重量并按傾斜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整平臺(tái)重心的位置。

圖2 海洋石油941平臺(tái)等效有限元模型

建立平臺(tái)等效有限元模型時(shí)應(yīng)注意以下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的模擬:

(1)樁腿弦桿的模擬 樁腿弦桿的模擬包括弦桿剛度的計(jì)算和曳力系數(shù)(CD)的模擬:弦桿模型采用了單元耦合技術(shù),即在弦桿節(jié)點(diǎn)上既建有梁?jiǎn)卧?又建有浸沒(méi)管單元。

考慮到弦桿結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和環(huán)境載荷作用方向的變化性,本文模型按照弦桿實(shí)際結(jié)構(gòu)、利用梁?jiǎn)卧?利用有限元軟件自動(dòng)計(jì)算弦桿沿各方向的剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;同時(shí)按照平臺(tái)基本設(shè)計(jì),建模時(shí)不考慮齒條剛度對(duì)樁腿剛度的影響。

由于每條樁腿3根弦桿的方向不一致,每根弦桿的曳力系數(shù)不同;隨著波浪和海流方向的變化,弦桿的曳力系數(shù)也發(fā)生變化,所以模擬時(shí)需要根據(jù)每個(gè)環(huán)境載荷作用方向計(jì)算出每根弦桿的曳力系數(shù),調(diào)整浸沒(méi)管單元的關(guān)鍵參數(shù)。

(2)樁腿與船體連接處的模擬 樁腿與船體的連接剛度對(duì)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)分析非常重要,會(huì)直接影響平臺(tái)的自振頻率。根據(jù)每座平臺(tái)固樁裝置的不同,船體與樁腿之間的連接形式可以簡(jiǎn)化為:①剛性連接;②存在轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的彈性連接;③允許一定轉(zhuǎn)動(dòng)的剛性連接。941平臺(tái)采用齒形鎖緊裝置,因此其船體與樁腿之間為剛性連接。本文模型在船體與樁腿之間加上了剛性較大的梁?jiǎn)卧?以獲得鎖緊裝置的受力。

(3)平臺(tái)模型重心的處理 941平臺(tái)模型總質(zhì)量為19 817t,包括樁腿質(zhì)量、船體質(zhì)量和可變載荷。通過(guò)調(diào)節(jié)各質(zhì)量單元的位置可使平臺(tái)模型的重心與風(fēng)暴自存狀態(tài)時(shí)的平臺(tái)重心位置相同。

(4)邊界條件(樁靴約束方式)的確定 平臺(tái)在站立狀態(tài)時(shí)樁腿插在海底土壤中,對(duì)平臺(tái)樁腿-樁靴的約束可以簡(jiǎn)化為:①海床面3m以下鉸接;②樁靴中部鉸接;③樁靴中部鉸接同時(shí)施加轉(zhuǎn)動(dòng)彈性約束。通常認(rèn)為,第一種約束偏于危險(xiǎn),第二種約束偏于保守,第三種約束較為符合實(shí)際,故進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)一般采用第三種約束,進(jìn)行平臺(tái)強(qiáng)度校核時(shí)一般采用第二種約束。本次計(jì)算采用第二種約束,即在樁靴中部施加 x、y、z三個(gè)方向的位移約束。該約束方式與平臺(tái)基本設(shè)計(jì)所用的約束方式相同。

3 計(jì)算程序

3.1 波流載荷計(jì)算

941平臺(tái)作業(yè)海況條件為水深100m、波高22m、流速0.51)Hai Yang Shi You 941 Marine Operating Manual . 2006.m/s、波浪周期15.5s、風(fēng)速44.8m/ s、平臺(tái)氣隙19.8m、樁靴入泥深度3.1m。

由于水深較大,利用 Stokes五階波理論和Morison公式計(jì)算海流和波浪對(duì)平臺(tái)樁腿的作用力。考慮沿樁腿縱向不同深度的波流速度與波浪相位角度有關(guān),在相位角0°～360°范圍內(nèi)計(jì)算了波流橫向力和平臺(tái)重心橫向位移值,計(jì)算結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 波流載荷及平臺(tái)重心橫向位移計(jì)算結(jié)果

表1 平臺(tái)樁腿反力及平臺(tái)重心橫向位移計(jì)算結(jié)果

3.2 模態(tài)分析和慣性載荷計(jì)算

按照ABS規(guī)定,采用單自由度法(SDOF)計(jì)算平臺(tái)動(dòng)態(tài)載荷。利用有限元模型計(jì)算,得出海洋石油941平臺(tái)第一階自振周期為9.69s;利用式(1)計(jì)算動(dòng)態(tài)放大系數(shù)為1.642;慣性載荷 Fi利用式(2)計(jì)算。

式(2)中 Fw,man、Fw,min分別為波流力的極大值和極小值。計(jì)算得出的 Fi為2 615.3kN(表1),該慣性載荷的作用點(diǎn)為平臺(tái)船體的重心。

3.3 風(fēng)載荷計(jì)算

由于平臺(tái)基本設(shè)計(jì)已給出了相對(duì)于平臺(tái)各方位的風(fēng)載荷,本文將此結(jié)果直接用于了有限元計(jì)算。

3.4 二次彎曲效應(yīng)

在風(fēng)、浪、流作用下,平臺(tái)沿作用力方向產(chǎn)生了橫向位移(表1),相當(dāng)于將平臺(tái)重力(P)作用點(diǎn)移動(dòng)了Δ距離,即在平臺(tái)上施加了 P·Δ的力矩,這種現(xiàn)象稱作二次彎曲,也叫歐拉放大效應(yīng)。二次彎曲可以用不同的方法模擬,例如降低平臺(tái)樁腿等處的剛度。本次計(jì)算中直接在平臺(tái)上施加了力矩 P·Δ。

3.5 計(jì)算結(jié)果

海洋石油941平臺(tái)最終模擬計(jì)算結(jié)果列于表1?？梢?jiàn),在前述工況下平臺(tái)重心橫向位移達(dá)到1.524m,平臺(tái)的最大樁腿反力為94 638.5kN,該反力低于操船手冊(cè)規(guī)定的預(yù)壓載最小樁腿反力105 546.0kN(10 770t)1),但相差不大。最后還要利用常規(guī)方法計(jì)算平臺(tái)的抗橫向滑移能力和抗傾覆能力,這里不作贅述。

4 方法應(yīng)用

4.1 應(yīng)用實(shí)例

在某次海外作業(yè)平臺(tái)的適應(yīng)性分析中,由于作業(yè)區(qū)域海床地質(zhì)疏松,根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料和操船手冊(cè)規(guī)定的壓載量進(jìn)行計(jì)算,作業(yè)區(qū)所有自升式平臺(tái)的樁靴入泥深度均應(yīng)在20m以上,大大超過(guò)了操船手冊(cè)規(guī)定的入泥深度,而樁靴入泥過(guò)深將帶來(lái)拔樁困難的問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題,決定根據(jù) 2008年版ABS規(guī)范[1],嘗試根據(jù)環(huán)境條件確定實(shí)際壓載量。

以COSL-CONFIDENCE平臺(tái)為例,按100年一遇重現(xiàn)期選取風(fēng)暴環(huán)境載荷,作業(yè)水深為21m,水面流速為1.1m/s,泥面流速為0.4m/s,最大波高為9.8m,最大風(fēng)速為36.7m/s;該平臺(tái)樁腿反力、壓載量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 COSL-CONFIDENCE平臺(tái)作業(yè)環(huán)境載荷及樁腿反力、壓載量計(jì)算結(jié)果 (kN)

4.2 應(yīng)用條件

本方法只適用于海況比較溫和的條件。在非臺(tái)風(fēng)季作業(yè)時(shí),很多探井作業(yè)時(shí)間相對(duì)短,且作業(yè)期間風(fēng)力、波高和海流速度相對(duì)較小,因此可以嘗試上述降低壓載量的作法。

此外,本方法適用于樁靴位置處為土體抗剪切強(qiáng)度隨深度漸次增加的粘土層的井位。因?yàn)樵谶@種情況下滿壓載和部分壓載對(duì)平臺(tái)樁靴入泥深度的影響較大,對(duì)將來(lái)拔樁阻力的影響也很大,所以降低壓載的效果比較明顯。對(duì)于海底土壤比較硬的海床,海底流的沖刷作用是影響平臺(tái)站立安全的主要因素,這種情況下應(yīng)增大壓載量或采用邊壓載邊沖樁等方法[4]增加樁靴的入泥深度。

4.3 應(yīng)用效果

取 COSL-CONFIDENCE平臺(tái)左樁腿反力59 409kN折合為壓載量6 062.0t,樁靴壓強(qiáng)為26.17t/m2(操船手冊(cè)要求其樁腿反力為90 263.8 kN,合壓載量為9 210.6t,樁靴壓強(qiáng)為39.77t/m2,可見(jiàn)均滿足要求)。根據(jù)該壓載量和已知地質(zhì)鉆孔資料用準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算樁靴入泥深度,最終計(jì)算結(jié)果表明,其入泥深度能夠減少3～5m。

再根據(jù)對(duì)抗橫向滑移能力和抗傾覆能力進(jìn)行的校核,可知該壓載量足夠大,滿足工程需要,因此該平臺(tái)可以安全作業(yè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

以海洋石油941平臺(tái)和COSL-CONFIDENCE平臺(tái)為例,探討了利用準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算自升式平臺(tái)壓載量的計(jì)算程序,并進(jìn)行了平臺(tái)壓載量分析。根據(jù)平臺(tái)實(shí)際作業(yè)環(huán)境載荷,利用準(zhǔn)靜態(tài)法進(jìn)行計(jì)算,能夠更合理地確定一定條件下自升式平臺(tái)的壓載量,減小樁靴入泥深度,從而降低拔樁難度,提高自升式平臺(tái)作業(yè)的安全性。

[1] AMERICAN BUREAU of SHIPPING.Rules for building and classing-mobile offshore drilling units[S].Houston:ABS, 2008.

[2]SOCIETY of NAVAL ARCHITECTS and MARINE ENGINEERS.Technical and research bulletin5-5A,guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units[M].New Jersey:SNAME,2002.

[3] AMERICAN BUREAU of SHIPPING.Dynamic analysis procedure for self-elevating drilling units[M].Houston:ABS, 2004.

[4] 周俊昌.南黃海鐵板砂海床插樁問(wèn)題分析與對(duì)策[J].中國(guó)海上油氣:工程,2003,15(4):1-4.

(編輯:張金棣)

Abstract:At present,the preload value of jack-up is predetermined based on the most severe environmental conditions and it is generally far higher than the preload needed for the field operation condition,which will affect the operational applicability of the jack-up sometimes.Therefore,the method for calculating preload value of jack-up based on the environmental condition of its intended operation site is investigated.For the jack-up HYSY941,the quasi-static method was studied for calculating preload values of the jack-up under different sea conditions actually required.Then,this method was used for analyzing the preload values of a jack-up working offshore.The results of investigation and application show that quasi-static method could offer a reasonable preload value and decrease leg penetration so as to improve the operational applicability of jack-ups under certain sea conditions.

Key words:quasi-static method;jack-up;environmental conditions;preload value

Study and application of quasi-static method for calculating preload value of jack-up

Song Linsong Wang Jianjun Li Jianbo
(China Oilf ield Services Ltd.,CNOOC, Hebei,065201)

2009-07-21 改回日期:2009-10-27

宋林松,男,高級(jí)工程師,1993年畢業(yè)于原石油大學(xué)(華東),主要從事自升式平臺(tái)研究。地址:河北省三河市燕郊開(kāi)發(fā)區(qū)海油大街18號(hào)(郵編:065201)。電話:010-84522531。