許海東

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)公司，天津300457）

移動(dòng)式試采平臺(tái)樁腿強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

許海東

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)公司，天津300457）

以中海油移動(dòng)式試采平臺(tái)作為實(shí)例，考慮樁腿齒條等構(gòu)件的作用，利用有限元分析軟件ANSYS建立平臺(tái)樁腿分析模型，對(duì)樁腿強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出了一種改進(jìn)的圓柱樁腿穩(wěn)定性分析方法。

樁腿；強(qiáng)度；穩(wěn)定性分析

自升式海洋平臺(tái)是目前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)式海洋平臺(tái)，其主要由平臺(tái)主體、樁腿和升降系統(tǒng)組成，平臺(tái)主體與樁腿通過(guò)升降系統(tǒng)進(jìn)行連接，并通過(guò)升降系統(tǒng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)平臺(tái)主體或樁腿的升降。平臺(tái)主體依靠樁腿的支撐得以升離水面，使平臺(tái)處于站立狀態(tài)。樁腿的作用除了支撐平臺(tái)的全部重量以外，還要經(jīng)受風(fēng)、波浪、海流等環(huán)境載荷的作用［1］。因此自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析對(duì)平臺(tái)安全性極其重要。

本文以中海油移動(dòng)式試采平臺(tái)作為實(shí)例，考慮樁腿齒條等構(gòu)件的作用，利用有限元分析軟件ANSYS建立平臺(tái)樁腿分析模型，對(duì)樁腿強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出了一種改進(jìn)的圓柱樁腿穩(wěn)定性分析方法［2］。

1　實(shí)例分析

1.1簡(jiǎn)介

以中海油移動(dòng)式試采平臺(tái)作為實(shí)例對(duì)自升式海洋平臺(tái)樁腿強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析進(jìn)行介紹。該平臺(tái)是一座獨(dú)立四樁腿自升式試采平臺(tái)，平臺(tái)樁腿采用圓柱形結(jié)構(gòu)，艉2艏2布置，樁腿長(zhǎng)度73 m（含底部樁靴段），直徑3.2 m，壁厚范圍45 mm、50 mm、55 mm，材質(zhì)均為EH36船用鋼，樁腿橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。樁腿外側(cè)對(duì)稱(chēng)安裝齒條（齒條與樁腿之間采用座板連接），樁腿內(nèi)部對(duì)應(yīng)齒條位置設(shè)縱桁及水平支撐（水平撐距離2m），內(nèi)部周向設(shè)環(huán)梁結(jié)構(gòu)提高局部強(qiáng)度（環(huán)梁間距4 m）。

圖1　樁腿橫截面結(jié)構(gòu)圖

1.2計(jì)算模型

利用有限元分析軟件ANSYS 11.0建立移動(dòng)式試采平臺(tái)的樁腿強(qiáng)度分析簡(jiǎn)化模型，模型如圖2所示。

圖2　樁腿分析簡(jiǎn)化模型

（1）樁腿建模：泥面以下部分樁腿采用PIPE16單元模擬，水中及氣隙段樁腿采用PIPE59單元模擬，樁腿頂部采用PIPE16單元模擬。

（2）主體建模：因僅對(duì)樁腿強(qiáng)度進(jìn)行校核，故平臺(tái)主體及固樁架簡(jiǎn)化為剛體結(jié)構(gòu)，采用Shell63單元模擬。

（3）樁腿與主體連接建模：作業(yè)及自存工況時(shí)，4根樁腿與平臺(tái)主體、固樁架頂連接分別采用水平耦合（Ux、Uy），固樁架與樁腿在齒輪位置垂直耦合（Uz），如圖2所示。

（4）約束：樁腿底端鉸支約束，取樁靴入泥深度1/2高度處。

1.3計(jì)算載荷

作業(yè)、自存工況下，樁腿承受載荷主要包括：固定載荷、可變載荷、波流載荷和風(fēng)載荷。

固定載荷及可變載荷包括樁腿、樁靴、平臺(tái)主體固定載荷重量、平臺(tái)主體可變載荷重量等，在計(jì)算中，扣除樁靴重量，樁腿重量提取后單獨(dú)施加于樁腿模型上，平臺(tái)主體固定載荷及可變載荷等均通過(guò)集中載荷施加。

環(huán)境載荷主要為風(fēng)、波浪和海流載荷，其中，風(fēng)載荷根據(jù)各工況風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果作為集中載荷施加；ANSYS中的PIPE59單元可模擬浸沒(méi)在水中圓柱桿件所受波浪、海流力，樁腿波流載荷利用程序自動(dòng)施加。

1.4樁腿屈服強(qiáng)度分析

根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范（2012）》，樁腿屈服強(qiáng)度分析采用如下方法進(jìn)行：

式中：

σa為計(jì)算壓縮應(yīng)力（MPa）；

σb為計(jì)算彎曲應(yīng)力（MPa）；

σs為屈服應(yīng)力（MPa）；

S為安全系數(shù)。

作業(yè)、自存工況下的最大計(jì)算應(yīng)力如表1所示。樁腿材質(zhì)為EH36，屈服強(qiáng)度為355 MPa，根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》（2012）3.4.2.1，預(yù)壓工況安全系數(shù)取1.25，則許用應(yīng)力為355/1.25=284 MPa.

表1　作業(yè)工況樁腿應(yīng)力

上表數(shù)據(jù)表明，作業(yè)工況樁腿最大應(yīng)力為167 MPa（如圖3所示），自存工況樁腿最大應(yīng)力為235 MPa（如圖4所示），均小于許用應(yīng)力284MPa.應(yīng)力水平較高單元主要集中于樁腿與主體約束位置。

圖3　作業(yè)工況35°樁腿應(yīng)力圖

圖4　自存工況35°樁腿應(yīng)力圖

1.5樁腿穩(wěn)定性分析

1.5.1分析方法

移動(dòng)式試采平臺(tái)圓柱樁腿作為受壓構(gòu)件，還應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范（2012）》，受壓圓管整體穩(wěn)定性分析可采用下述公式進(jìn)行：

式中：

σa同式1；

σb同式1；

［σa］為許用壓縮應(yīng)力（MPa）；

［σb］為許用彎曲應(yīng)力（MPa；）

Cm為等效彎矩系數(shù)；

式中：E為彈性模量（MPa）；

l為無(wú)支撐長(zhǎng)度（m）；

K為有效長(zhǎng)度系數(shù)，按計(jì)算長(zhǎng)度l兩端支撐情況來(lái)選取。

由于樁腿軸向壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力可用下式計(jì)算：

式中：

F為計(jì)算軸向作用載荷（kN）；

A為受軸向載荷作用的樁腿橫截面積（m2）；

Mby、Mbz為對(duì)和軸計(jì)算彎矩（kN·m）；

W為樁腿橫截面抗彎模量（m3）.

以往在對(duì)圓柱形樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，通常省略掉樁腿內(nèi)部垂直桁材、齒條及夾板，將樁腿簡(jiǎn)化為一圓柱殼，這不僅造成樁腿結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備過(guò)大，增加了樁腿結(jié)構(gòu)重量與成本，而且提高了平臺(tái)拖航的重心，影響了平臺(tái)性能。

為此，提出了計(jì)算樁腿軸向應(yīng)力或彎曲應(yīng)力時(shí)應(yīng)計(jì)入樁腿內(nèi)部垂直桁材、齒條及齒條夾板等結(jié)構(gòu)作用的計(jì)算方法。在進(jìn)行樁腿穩(wěn)定性校核時(shí)，利用ANSYS軟件將平臺(tái)樁腿屈服強(qiáng)度分析時(shí)軸向作用載荷F、對(duì)Y軸計(jì)算彎矩Mby、對(duì)Z軸計(jì)算彎矩Mbz等內(nèi)力取出，并考慮樁腿內(nèi)部垂直桁材、齒條及夾板等構(gòu)件作用，計(jì)算出相應(yīng)樁腿橫截面積A和抗彎模量W.根據(jù)式（3）就可以計(jì)算出樁腿壓縮應(yīng)力σa和彎曲應(yīng)力σb，將σa和σb帶入式（2）就可以進(jìn)行樁腿穩(wěn)定性分析了。

1.5.2分析過(guò)程

根據(jù)1.4節(jié)樁腿屈服強(qiáng)度分析結(jié)果，僅以環(huán)境載荷35°方向自存工況下左艏樁腿（該樁腿在該工況下計(jì)算應(yīng)力最大）作為研究對(duì)象。

（1）截面積計(jì)算

考慮樁腿內(nèi)部垂直桁材、齒條及夾板等結(jié)構(gòu)作用下的樁腿不同壁厚段的截面積計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　樁腿不同壁厚段截面積計(jì)算結(jié)果

（2）截面抗彎模量計(jì)算

考慮樁腿內(nèi)部垂直桁材、齒條及夾板等構(gòu)件作用下的樁腿不同壁厚段抗彎模量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.

表3　樁腿不同壁厚段抗彎模量計(jì)算結(jié)果

（3）作用載荷

在ANSYS程序中將平臺(tái)樁腿屈服強(qiáng)度分析中PIPE59、PIPE16等各單元的軸向載荷F、對(duì)Y軸計(jì)算彎矩Mby與對(duì)Z軸計(jì)算彎矩軸Mbz提取出來(lái)，樁腿不同壁厚段最大計(jì)算內(nèi)力如表4所示。

表4　樁腿不同壁厚段最大計(jì)算內(nèi)力（自存35°）

（4）分析結(jié)果

根據(jù)表2～4的計(jì)算結(jié)果，代入式3中進(jìn)行計(jì)算，得到樁腿不同壁厚段計(jì)算壓縮應(yīng)力σa、計(jì)算彎曲應(yīng)力σb，如表5所示。

表5　樁腿不同壁厚段計(jì)算組合應(yīng)力（自存35°）

根據(jù)計(jì)算壓縮應(yīng)力σa、計(jì)算彎曲應(yīng)力σb計(jì)算結(jié)果，代入式（2）中進(jìn)行計(jì)算，得到樁腿不同壁厚段穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6　樁腿不同壁厚段穩(wěn)定性分析結(jié)果（自存35°）

從表6中可以看出，自存工況（外載荷35°）樁腿不同壁厚段最大穩(wěn)定性分析結(jié)果為0.95（小于1），樁腿穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

1.5.3與常規(guī)分析方法對(duì)比

如果按照常規(guī)作法省略掉樁腿內(nèi)部垂直桁材及齒條的作用，將樁腿簡(jiǎn)化為一圓柱殼，可以從樁腿屈服分析結(jié)果中提取出相應(yīng)計(jì)算應(yīng)力并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果匯總于表7.

表7　采用常規(guī)方法樁腿不同壁厚段計(jì)算應(yīng)力及穩(wěn)定性分析結(jié)果（自存35°）

將表5～表6計(jì)算結(jié)果與表7的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得如下結(jié)果：

（1）考慮樁腿內(nèi)部垂直桁材、齒條等作用的方法比按常規(guī)方法計(jì)算所得樁腿組合應(yīng)力要小10MPa以上；

（2）考慮樁腿內(nèi)部垂直桁材、齒條等作用的方法比按常規(guī)方法計(jì)算所得樁腿穩(wěn)定性分析結(jié)果要小。

2　結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合移動(dòng)式試采平臺(tái)實(shí)例，對(duì)利用ANSYS軟件進(jìn)行自升式海洋平臺(tái)樁腿強(qiáng)度分析建模、屈服強(qiáng)度分析、穩(wěn)定性分析的方法進(jìn)行了論述，給出了一種考慮樁腿內(nèi)部垂直桁材、齒條及夾板等結(jié)構(gòu)作用的計(jì)算方法，并與常規(guī)計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該計(jì)算方法對(duì)優(yōu)化樁腿結(jié)構(gòu)，提高平臺(tái)性能，降低平臺(tái)造價(jià)具有重要意義。

［1］蒙占彬，田海慶，樊敦秋．自升式海洋平臺(tái)樁腿強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析［C］．第十四屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京：海洋出版社，2009：8.

［2］中國(guó)船級(jí)社．海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范（2012）［M］．北京：人民交通出版社，2012：7.

The Mobile Test Platform for Analysis of Strength and Stability of the Leg

XU Hai-dong
（CNOOC Energy Technology&Services-Oil Production Services Co.，Tianjin 300457，China）

Analysismodel of the legs of the unit is established in use of finite element analysis software-ANSYS in example of the CNOOCmobile producting testunit.Themodified analytic technique of cylindrical legs is proposed. Yield and buckling strength of legs is analyzed in consideration of the effect of the leg’s members such as rack.

leg；yield strength；buckling strength analysis

TE932

A

1672-545X（2016）06-0041-03

2016-03-02

許海東（1978-），男，四川人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ碳夹g(shù)與裝備。