(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

國(guó)內(nèi)首座移動(dòng)式試采平臺(tái)“海洋石油162”是一座集試采、修井、采油、油氣處理、艙室儲(chǔ)油、原油外輸、井口支持等功能于一體的四樁腿自升式平臺(tái)，通過(guò)設(shè)置在平臺(tái)主體艉部的隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)來(lái)對(duì)井口提供支持。扶正平臺(tái)與船體艉封板鉸接連接，拖航時(shí)，扶正平臺(tái)收回固定；到達(dá)井位后，扶正平臺(tái)下放與隔水導(dǎo)管連接，可對(duì)1或2口井井口提供保護(hù)，并方便人員進(jìn)行操作。

1 隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式為“H”型框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)7.405 m，寬5.7 m，重5.683 t。扶正平臺(tái)連接基座距平臺(tái)底板0.45 m，通過(guò)Φ70的合金鋼銷軸連接?；厥展潭ɑO(shè)在艉封板，距平臺(tái)主甲板0.25 m。隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)使用Φ101.6×8.1的APIX52支撐桿與平臺(tái)主體連接，并用插銷固定。

扶正平臺(tái)主骨架采用H300×150 DH36工字鋼，輔骨架采用H200×150 DH36工字鋼及L100×80×7 AH36角鋼；扶正平臺(tái)設(shè)有吊裝及鎖緊眼板，材質(zhì)為DH36；連接固定用的插銷全部采用屈服強(qiáng)度不小于700 MPa合金鋼。

2 隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)性能分析

2.1 分析工況

隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)工況及海洋環(huán)境條件見(jiàn)表1。

表1 海洋環(huán)境條件

1)工況1。自存工況條件下，平臺(tái)主體發(fā)生最大位移時(shí)，對(duì)隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)受到的波流力進(jìn)行分析。

2)工況2。作業(yè)工況條件下，平臺(tái)主體發(fā)生最大位移時(shí)，對(duì)隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)受到的波流力進(jìn)行分析。

3)工況3。平臺(tái)就位過(guò)程中，隔水導(dǎo)管在環(huán)境載荷作用下，對(duì)隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)就位安裝的影響進(jìn)行分析。

2.2 有限元分析

使用ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元建模，采用BEAM188單元模擬隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)；采用PIPE16單元模擬隔水導(dǎo)管卡子及隔水導(dǎo)管泥線以下部分；使用PIPE59單元模擬隔水導(dǎo)管受波流載荷作用的部分。

由于平臺(tái)主體在風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷作用下會(huì)發(fā)生位移，與隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成扶正平臺(tái)受力發(fā)生變化，因此需構(gòu)建平臺(tái)整體模型近似模擬隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)的受力情況。使用PIPE59單元模擬樁腿，BEAM188單元簡(jiǎn)易模擬平臺(tái)主體框架。

工況1、工況2在隔水導(dǎo)管泥線下4.572 m端部施加全約束，隔水導(dǎo)管與管卡子處的節(jié)點(diǎn)施加UX、UY、UZ方向的耦合，在隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)、支撐桿與平臺(tái)主體鏈接部位施加全節(jié)點(diǎn)耦合，見(jiàn)圖1。工況3在隔水導(dǎo)管泥線下4.72 m端部施加全約束[1-6]，見(jiàn)圖2。

圖1 工況1、2有限元模型

圖2 工況3有限元模型

隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)所用材料為DH36和APIX52，屈服應(yīng)力分別為355 MPa和359 MPa。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范2016》[7](以下簡(jiǎn)稱《移規(guī)》)，其許用應(yīng)力為[σ]=σs×0.8，DH36許用應(yīng)力為284 MPa，APIX52許用應(yīng)力為287.2 MPa。隔水導(dǎo)管材料為APIX80，屈服應(yīng)力555 MPa，安全系數(shù)取1.67，許用應(yīng)力為332.3 MPa。

2.2.1 整體強(qiáng)度校核

各工況的有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 隔水導(dǎo)管工況1～3有限元計(jì)算結(jié)果表

由表2可見(jiàn)，各工況下結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)的整體強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2.2.2 局部強(qiáng)度校核

隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)各個(gè)連接點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。

使用ANSYS軟件對(duì)工況1、工況2的各個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行提取，其結(jié)果見(jiàn)表3。

1)牽拉底座眼板強(qiáng)度校核。采用ANSYS進(jìn)行有限元建模，用SHELL63單元模擬牽拉底座眼板。約束施加于牽拉底座眼板底座板邊沿，采用固支約束。由表3可見(jiàn)，工況1時(shí)，在連接點(diǎn)2處，牽拉底座眼板受到的載荷最大，有限元模型見(jiàn)圖4。

牽拉底座眼板所用材料材質(zhì)為AH36、DH36，根據(jù)《移規(guī)》(2016)，其許用應(yīng)力為[σ]=σs/1.11=319.8 MPa。牽拉底座眼板結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖5。

在上述載荷作用下，該處最大組合應(yīng)力為246.472 MPa，小于許用應(yīng)力，故該處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖3 隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)各連接點(diǎn)位置

表3 工況1、工況2各連接點(diǎn)受力

圖4 牽拉底座眼板有限元模型

圖5 牽拉底座眼板應(yīng)力云圖

2)平臺(tái)連接座強(qiáng)度校核。使用ANSYS進(jìn)行有限元建模，SHELL63單元模擬平臺(tái)連接座。約束施加于平臺(tái)連接座底座板邊沿，采用固支約束。由表3可得，工況1時(shí)，在連接點(diǎn)7處，平臺(tái)連接座受到的載荷最大，有限元模型見(jiàn)圖6。

圖6 平臺(tái)連接座底座有限元模型

平臺(tái)連接座底座所用材料材質(zhì)為AH36、DH36，根據(jù)《移規(guī)》(2016)，該處許用應(yīng)力[σ]=σs/1.11=319.8 MPa。牽拉底座眼板結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖7。

圖7 平臺(tái)連接座底座應(yīng)力云圖

在上述載荷作用下，該處最大組合應(yīng)力為274.341 MPa，小于許用應(yīng)力，故該處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3)小平臺(tái)固定撐桿連接眼板強(qiáng)度校核。使用ANSYS進(jìn)行有限元建模，SHELL63單元模擬小平臺(tái)固定撐桿連接眼板。約束施加于小平臺(tái)固定撐桿連接眼板底板與眼板對(duì)應(yīng)位置邊沿，采用固支約束。由表3可得，工況1時(shí)，在連接點(diǎn)7處，小平臺(tái)固定撐桿連接眼板受到的載荷最大，有限元模型見(jiàn)圖8。

圖8 小平臺(tái)固定撐桿連接眼板有限元模型

小平臺(tái)固定撐桿連接眼板所用材料材質(zhì)為AH36、DH36，根據(jù)《移規(guī)》(2016)，其許用應(yīng)力為[σ]=σs/1.11=319.8 MPa。小平臺(tái)固定撐桿連接眼板結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖9。

圖9 平臺(tái)連接座底座應(yīng)力云圖

在上述載荷作用下，該處最大組合應(yīng)力為143.7 MPa，小于許用應(yīng)力，故該處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4)銷軸強(qiáng)度校核。銷軸受到剪切作用，其材料為屈服強(qiáng)度不小于700 MPa合金鋼，抗剪強(qiáng)度為350 MPa。根據(jù)《移規(guī)》(2016)，選取安全系數(shù)n=1.88，[τ]=τ/n=186 MPa。

由表3可得，工況1時(shí)，在連接點(diǎn)7處，銷軸受到的軸向載荷最大，τ=21.39 MPa。

τ<[τ]；故銷軸抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5)平臺(tái)與隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)連接部位局部強(qiáng)度校核。使用ANSYS進(jìn)行有限元建模，BEAM188單元模擬平臺(tái)骨材及桁材，SHELL63單元模擬板單元，平臺(tái)板材邊緣，采用鉸支約束。由表3可得，工況1時(shí)平臺(tái)主體受到的載荷最大，有限元模型見(jiàn)圖10。

圖10 平臺(tái)主體與隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)連接部分有限元模型

平臺(tái)主體板材所用材料材質(zhì)為AH36，根據(jù)《移規(guī)》(2016)，其許用應(yīng)力為[σ]=319.8 MPa。平臺(tái)主體骨材所用材料材質(zhì)為為CSA，其許用應(yīng)力為[σ]=σs/1.25=188 MPa。平臺(tái)主體局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖11。

圖11 平臺(tái)連接座底座應(yīng)力云

在上述載荷作用下，平臺(tái)主體最大組合應(yīng)力為56.7 MPa，小于許用應(yīng)力，故該處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

采用有限元的方法對(duì)“海洋石油162”隔水導(dǎo)管扶正平臺(tái)整體強(qiáng)度及連接位置的局部強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)果表明該扶正平臺(tái)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，可以有效地對(duì)隔水導(dǎo)管起到扶正支持作用。