安長武

（中石化勝利石油工程有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

淺海坐底式平臺結(jié)構(gòu)由沉墊、主體及兩者間連接支柱組成，是最早應(yīng)用的一種移動式海洋平臺，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、造價遠(yuǎn)、工作可靠、操作便利等特點(diǎn)，一般適于10 m以內(nèi)作業(yè)水深的淺海區(qū)域勘探作業(yè)。當(dāng)作業(yè)水深較大時，平臺沉墊與主體間連接支柱尺寸需要加大，這不僅增加了結(jié)構(gòu)與成本，而且在漂浮狀態(tài)平臺重心過高，降低了平臺拖航的安全性[1，2，3]。

淺海坐底式平臺在拖航、正常作業(yè)、風(fēng)暴自存等狀態(tài)不僅承受船體重量和作業(yè)載荷，還受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷作用，因此必須首先保證平臺作業(yè)的安全性[3]，而平臺整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析對平臺設(shè)計具有重要意義。本文以勝利作業(yè)八號坐底式平臺為例，利用ANSYS軟件建立了包括沉墊、主甲板及支柱等結(jié)構(gòu)的平臺整體強(qiáng)度有限元分析模型，對坐底式平臺整體強(qiáng)度分析的方法及過程進(jìn)行了研究。

1 示例平臺介紹

1.1 平臺簡介

勝利作業(yè)八號平臺是一座坐底式作業(yè)平臺。平臺主要結(jié)構(gòu)由沉墊、主甲板、作業(yè)甲板、連接支撐立柱等部分組成。沉墊內(nèi)設(shè)有泵艙、壓載艙、燃油艙、淡水艙和油污水艙等。主甲板上的生活區(qū)設(shè)有生活居住房間及全套生活設(shè)施，動力設(shè)備區(qū)設(shè)有主機(jī)房、空壓器間、鍋爐房、液壓站、配電間等。

1.2 主要參數(shù)

平臺主體型長60.0 m、型寬28.0 m、型深2.7 m；主甲板邊線距基線13.5 m；作業(yè)甲板長31 m，寬25 m，作業(yè)甲板距基線18.5 m；主甲板及沉墊肋距0.5 m；泵艙主通道直徑Φ2.5 m，副通道直徑Φ1.0 m.

1.3 設(shè)計工況

設(shè)計最大作業(yè)水深8.5 m（含天文潮及風(fēng)暴潮）；修井作業(yè)工況最大風(fēng)速36 m/s，表面流速2.5節(jié)（1.285 m/s），最大波高4.6 m，相應(yīng)周期8 s；風(fēng)暴自存工況最大風(fēng)速51.5 m/s，表面流速2.5節(jié)（1.285 m/s），最大波高5.6 m，相應(yīng)周期8 s；油田拖航設(shè)計風(fēng)速36 m/s，遠(yuǎn)洋拖航設(shè)計風(fēng)速51.5 m/s.

2 結(jié)構(gòu)分析模型

2.1 結(jié)構(gòu)分析基本假定

（1）材料是線彈性的，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變之間符合胡可定律，成比例關(guān)系。

（2）結(jié)構(gòu)變形后尺寸與原始尺寸相比可忽略不計，均為小尺度變形，可采用疊加原理。

2.2 結(jié)構(gòu)分析基本方程式

2.2.1 靜力平衡方程[4，5，6]

節(jié)點(diǎn)所受外載荷與節(jié)點(diǎn)位移引起的內(nèi)力相等，即

式中：P為節(jié)點(diǎn)所受外載荷；F為節(jié)點(diǎn)位移引起的內(nèi)力。

2.2.2 變形協(xié)調(diào)方程[4，5，6]

匯于一個節(jié)點(diǎn)的各單元在外載荷作用下，保持變形后仍匯于一點(diǎn)，整個結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)間幾何尺寸滿足變形協(xié)調(diào)方程。

2.2.3 應(yīng)力應(yīng)變方程[4，5，6]

節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)應(yīng)變呈比例關(guān)系，即

式中：f為應(yīng)力；Δ為應(yīng)變；k為剛度系數(shù)。

2.3 有限元模型

2.3.1 建模要求

平臺沉墊、主甲板及作業(yè)甲板為空間板、梁的組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用板殼單元SHELL63、梁單元 BEAM188及管單元 PIPE59、PIPE16等建立平臺有限元模型。

平臺主甲板、作業(yè)甲板及沉墊甲板、底板、舷側(cè)板、艏艉壁板、艙壁板等板結(jié)構(gòu)采用SHELL63板單元模擬；泵艙通道、主甲板與沉墊間連接立柱、斜撐、作業(yè)甲板立柱及沉墊艙內(nèi)支柱等結(jié)構(gòu)采用PIPE59、PIPE16管單元模擬；縱桁、強(qiáng)橫梁及艙壁扶強(qiáng)材等框架構(gòu)件采用BEAM188梁單元模擬。在模型中未對主甲板上部橫移軌道、起重機(jī)基座、工程房、生活樓、直升飛機(jī)平臺等平臺附屬結(jié)構(gòu)建模，而是通過將上述結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度分析獲得的支反力按載荷施加在主體結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置上加以考慮。

平臺坐底狀態(tài)時，在垂向方向海底地基對沉墊底板的起彈性支撐約束作用，在水平方向海底土對沉墊底板有摩擦作用力并對抗滑樁入泥部分提供水平約束。在模型中，按沉墊底板單元的彈性基礎(chǔ)（即彈性基礎(chǔ)板單元）來考慮垂向約束。根據(jù)海底地基條件確定彈性基礎(chǔ)剛度系數(shù)。在ANSYS程序中Shell63板殼單元具有一個實(shí)常數(shù)，專門用來處理彈性基礎(chǔ)，將彈性基礎(chǔ)剛度系數(shù)k輸入，ANSYS即可對地基進(jìn)行計算處理。

建立模型時，考慮板梁復(fù)合彎曲時板、梁中性軸不一致產(chǎn)生的偏心問題，根據(jù)板、梁構(gòu)件實(shí)際尺寸，對梁單元設(shè)定相應(yīng)的偏心值，保證構(gòu)件模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸一致。

平臺有限元模型共有個38 107節(jié)點(diǎn)，52 680個單元，包括698個PIPE59單元，898個PIPE16單元，21 870個BEAM188管單元，29 214個SHELL63殼單元。平臺有限元模型圖如圖1所示。

圖1 平臺有限元模型圖

2.3.2 腐蝕裕量考慮

平臺沉墊甲板、艙壁板及主甲板、作業(yè)甲板等SHELL63板單元以及BEAM188梁單元的立板、面板腐蝕裕量按1.5 mm考慮，PIPE59、PIPE16等管單元壁厚腐蝕裕量按1.5 mm考慮，沉墊底板腐蝕裕量按3 mm考慮。

2.4 載荷施加

綜合考慮平臺平臺各工況所受到的載荷，在計算時主要考慮平臺固定載荷、可變載荷及環(huán)境載荷。

2.4.1 固定載荷

固定載荷主要包括平臺鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線、電纜、舾裝等重量，其中鋼結(jié)構(gòu)重量由程序根據(jù)所建模型自動完成計算，而設(shè)備、管線、電纜、舾裝等根據(jù)實(shí)際情況，按照《甲板載荷圖》進(jìn)行施加。

2.4.2 可變載荷

可變載荷主要包括平臺試油、修井作業(yè)時大鉤、泥漿、藥品、鉆具等作業(yè)載荷及起重機(jī)吊重載荷、直升機(jī)降落沖擊載荷、生活淡水、備品等生活載荷等。

泥漿艙、散料堆場作為均布面載荷施加于相應(yīng)位置，將局部分析獲得的作業(yè)甲板修井模塊載荷支反力根據(jù)相應(yīng)作用位置施加于作業(yè)甲板縱軌道節(jié)點(diǎn)，生活區(qū)結(jié)構(gòu)及可變載荷、鉆具等作為按線載荷施加于相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置，燃燒臂載荷、起重機(jī)及吊重載荷、錨機(jī)等作為集中載荷施加于相應(yīng)位置。

2.4.3 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷主要包括風(fēng)載荷、波浪與海流載荷等，環(huán)境載荷計算坐標(biāo)系如圖2所示，計算中按縱向（0°）、橫向（90°）及斜向作用方向考慮，各工況中按上述環(huán)境載荷作用方向相同考慮。

（1）相應(yīng)工況構(gòu)件所受風(fēng)載荷根據(jù)《風(fēng)載荷計算書》選取，按均布或集中載荷施加到相應(yīng)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)或單元上，對于未建模的構(gòu)件所受風(fēng)載荷施加至對應(yīng)平臺上部對應(yīng)位置，對應(yīng)折減的風(fēng)彎矩轉(zhuǎn)化為力偶矩施加。

（2）沉墊作為按大尺度結(jié)構(gòu)物，其所受波流載荷按繞射理論進(jìn)行計算，作為面載荷施加到到沉墊相應(yīng)單元上；沉墊與上甲板連接支柱及泵艙通道作為小尺度構(gòu)件，采用莫里森公式進(jìn)行計算，在模型中采用PIPE59單元模擬受波流載荷作用的上述結(jié)構(gòu)，程序可自動計算、施加相應(yīng)結(jié)構(gòu)的波流載荷。見圖2.

圖2 計算坐標(biāo)系

2.5 計算工況

按修井作業(yè)工況、風(fēng)暴自存工況和遠(yuǎn)洋拖航工況進(jìn)行平臺整體強(qiáng)度分析。

（1）修井作業(yè)工況：平臺進(jìn)行試油、修井等作業(yè)，鉆臺移出至鉆盤中心距船艉8.0 m，橫移至鉆盤中心距船中2.5 m，大鉤載荷為最大鉤載1 580 kN（注：計算時按起重機(jī)吊重載荷與與環(huán)境載荷作用方向相同考慮）。

（2）風(fēng)暴自存工況：平臺不進(jìn)行試油、修井等作業(yè)，將鉆臺收至拖航位置，并進(jìn)行固定。

（3）遠(yuǎn)洋拖航工況：平臺漂浮于水面，考慮風(fēng)及波浪載荷作用，按中拱（波峰位于船舯）與中垂（波谷位于船舯）2種情況進(jìn)行分析，設(shè)計波長取為平臺型長。

3 計算結(jié)果

3.1 許用應(yīng)力

平臺沉墊材質(zhì)采用CSA、CSB船用鋼，主甲板及作業(yè)甲板材質(zhì)采用DH36、EH36高強(qiáng)度船用鋼，沉墊與主甲板之間連接支柱材質(zhì)采用DH32高強(qiáng)度船用鋼。板結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.11，梁及支柱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.25[7，8]，相應(yīng)屈服強(qiáng)度及許用應(yīng)力如表1所示。

表1 平臺結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力

3.2 結(jié)果分析

平臺各工況下整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析結(jié)果如表2所示，從表中可以看出：正常作業(yè)工況、風(fēng)暴自存工況及遠(yuǎn)洋拖航工況下平臺沉墊、主甲板、作業(yè)甲板及支柱結(jié)構(gòu)的計算最大應(yīng)力均小于相應(yīng)的材料許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求。作業(yè)工況（環(huán)境載荷斜向作用）下平臺主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布見圖3、4.

表2 平臺整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析結(jié)果

圖3 平臺應(yīng)力整體分布圖

圖4 立柱應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

（1）從計算過程及結(jié)果分析，筆者提出的坐底式平臺整體強(qiáng)度有限元分析模型與方法是合理的，可準(zhǔn)確模擬平臺結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，具有一定的實(shí)際工程意義。

（2）以勝利作業(yè)八號坐底式平臺為例，對平臺整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，結(jié)果表明，在各種工況下，平臺沉墊、主甲板、作業(yè)甲板及支柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求。

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