摘" " 要：深水導(dǎo)管架平臺(tái)的裙樁使得平臺(tái)具有良好的整體承載能力，在海洋油氣開(kāi)發(fā)及海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用。導(dǎo)管架專用分析軟件SACS并不具備對(duì)裙樁套筒這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部詳細(xì)力學(xué)分析的功能，而裙樁套筒是連接群樁與導(dǎo)管架主體的關(guān)鍵構(gòu)件，對(duì)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。采取SACS專用工程軟件結(jié)合ABAQUS通用有限元軟件開(kāi)展裙樁套筒強(qiáng)度分析。首先，通過(guò)SACS軟件對(duì)深水導(dǎo)管架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算，確保導(dǎo)管架的整體性能滿足要求；然后，分別提取整體模型靜力分析結(jié)果中樁頭力、彎矩、剪力以及UC值最大工況下群樁套筒各截?cái)辔恢玫倪吔鐥l件，輸入ABAQUS建立的群樁套筒詳細(xì)結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行更為準(zhǔn)確的局部校核，從而確保了深水導(dǎo)管架平臺(tái)及裙樁的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：裙樁套筒；局部構(gòu)件；截?cái)辔恢?；?qiáng)度校核；有限元模型

Finite element analysis of local strength of deepwater jacket platform skirt sleeve

SHI Changwei1， GUO Hongsheng1， YUE Qi1， WANG Yi2， LIU Jie2， DU Haowen2

1. CNPC Offshore Engineering Company Limited， Beijing 100028， China

2. College of Safety and Ocean Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China

Abstract：The skirt pile of the deepwater jacket platform makes the platform have good overall carrying capacity， and plays an important role in offshore oil and gas development and offshore wind power development. An analysis software specifically used in jacket， SACS， cannot conduct local detailed mechanical analysis on the complex structure of the skirt pile sleeve. However，" the skirt pile sleeve is the key component connecting the pile group and the jacket body and is crucial to the stability and safety of jacket structure. SACS special engineering software combined with ABAQUS generic finite element software is utilized to carry out the strength analysis of the skirt pile sleeve. Firstly， the static calculation of the overall structure of the deepwater jacket is carried out by SACS software to ensure that the overall performance of the jacket meets the requirements. Then， the pile head force， bending moment， shear force， and the boundary conditions of each cutoff position of the pile group sleeve under the maximum UC condition in the static analysis results of the overall model are extracted respectively， and the detailed structural finite element model of pile group sleeve established by ABAQUS is input for more accurate local check， thus ensuring the safety and stability of the deepwater jacket platform and skirt sleeve.

Keywords：skirt sleeve; local member; truncation position; intensity check; finite element model

我國(guó)深水海域蘊(yùn)藏著豐富的石油和天然氣資源，導(dǎo)管架平臺(tái)作為應(yīng)用最為廣泛的海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施，在深水油氣開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用[1]。大型深水導(dǎo)管架平臺(tái)多采用裙樁設(shè)計(jì)，即在主樁腿附近設(shè)置多個(gè)裙樁，以提高平臺(tái)的整體承載能力。

裙樁套筒是鋼樁與導(dǎo)管架之間的連接構(gòu)件，在載荷傳遞的過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通過(guò)它可將平臺(tái)荷載傳遞到鋼樁，通常由以下幾部分組成：主結(jié)構(gòu)導(dǎo)管、套筒、剪力板（Shear plate）、軛狀作用板（Yoke plate）、裙板和群樁套筒導(dǎo)向等[2]。連鑫等[3]和劉全剛等[4]通過(guò)簡(jiǎn)化裙樁套筒的力學(xué)模型，提出了一種基于SACS的裙樁套筒吊裝建模方法；王暉等[5]運(yùn)用有限元軟件采用不同模擬方式對(duì)海洋平臺(tái)的群樁套筒進(jìn)行疲勞預(yù)測(cè)分析；余建星等[6]和候國(guó)華等[7]從有限元的基本理論出發(fā)，對(duì)新型海洋平臺(tái)裙樁套筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析及計(jì)算；陳邦敏等[8]采用局部截?cái)嗟姆椒▽?duì)裙樁套筒進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析。

雖然相關(guān)研究對(duì)裙樁套筒的局部強(qiáng)度和吊裝進(jìn)行了有限元分析，但局部模型邊界條件獲取等問(wèn)題仍是準(zhǔn)確開(kāi)展裙樁套筒復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵。本文綜合運(yùn)用專用工程軟件SACS和通用有限元軟件ABAQUS開(kāi)展深水導(dǎo)管架平臺(tái)裙樁套筒強(qiáng)度分析，從而更全面地掌握裙樁套筒的受力和變形情況，可更好地保證導(dǎo)管架平臺(tái)的整體性能和局部構(gòu)件的穩(wěn)定性。

1" " 裙樁套筒局部強(qiáng)度計(jì)算方法

對(duì)深水導(dǎo)管架裙樁套筒進(jìn)行局部強(qiáng)度分析，首先，根據(jù)分析獲得的平臺(tái)動(dòng)力放大系數(shù)（DAF）對(duì)整個(gè)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析彎矩、剪力、樁頭力等在各危險(xiǎn)工況時(shí)最大受力位置情況以確定受力最大的裙樁套筒；隨后，在受力最大的裙樁套筒及平臺(tái)對(duì)稱位置的裙樁套筒處，提取截?cái)辔恢玫倪吔鐥l件；最后，在ABAQUS中建立裙樁套筒詳細(xì)局部模型，并恢復(fù)提取位置的邊界條件，在確保局部模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的情況下進(jìn)行計(jì)算分析，并評(píng)估計(jì)算結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)和工程要求。

整個(gè)局部分析過(guò)程可分為整體模型靜力分析、截?cái)辔恢眠吔鐥l件提取、局部詳細(xì)模型建立及邊界條件恢復(fù)等步驟，以確保裙樁套筒的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在各種工況下其結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1" " 整體模型靜力分析

在對(duì)深水導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，一般首先利用波浪譜和多個(gè)隨機(jī)數(shù)生成不同方向的隨機(jī)波浪，然后分別求得每個(gè)隨機(jī)波浪的最大動(dòng)態(tài)和靜態(tài)基底剪力，取不同隨機(jī)波浪的最大動(dòng)態(tài)與最大靜態(tài)基底剪力比值的均值作為動(dòng)力放大系數(shù)[9]。通過(guò)求得的動(dòng)力放大系數(shù)來(lái)建立組合系數(shù)，然后選擇一年一遇和百年一遇時(shí)間跨度的環(huán)境載荷進(jìn)行深水導(dǎo)管架平臺(tái)的靜力分析[10]，根據(jù)分析結(jié)果求得受力最大處的裙樁套筒及其邊界條件，為局部強(qiáng)度分析奠定基礎(chǔ)。

1.2" " 邊界條件的提取

裙樁套筒作為整個(gè)導(dǎo)管架的一部分，其局部模型中截?cái)辔恢门c其相連的結(jié)構(gòu)對(duì)它的約束即是其荷載及邊界條件。其中包括位移邊界約束和力邊界約束，各邊界約束簡(jiǎn)化符合圣維南原理，即簡(jiǎn)化邊界不能對(duì)關(guān)注區(qū)域的結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

1）位移邊界約束：由于SACS建模使用了全局坐標(biāo)系，為避免坐標(biāo)系變換，在構(gòu)建局部模型時(shí)應(yīng)保證ABAQUS與SACS中的全局坐標(biāo)系一致。從SACS中直接提取各個(gè)截?cái)帱c(diǎn)的坐標(biāo)，并將其應(yīng)用于ABAQUS局部模型中[11]。

2）力邊界約束：SACS中截?cái)帱c(diǎn)的力在局部坐標(biāo)系下提取，而ABAQUS中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系一致，添加力約束時(shí)需要在ABAQUS約束節(jié)點(diǎn)建立與SACS對(duì)應(yīng)桿件局部坐標(biāo)系。為方便在局部模型中施加邊界條件，在裙樁套筒的樁截?cái)帱c(diǎn)處提取桿件的力和彎矩，在斜撐的截?cái)帱c(diǎn)處提取截?cái)帱c(diǎn)的位移。

1.3" " 邊界條件的恢復(fù)

為了在截?cái)喙苤膱A心位置將節(jié)點(diǎn)上的力施加到截?cái)嗟沫h(huán)形面上，可以使用ABAQUS中的Coupling來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)耦合將參考點(diǎn)上的位移和力傳遞到與之耦合的管柱截面上，實(shí)現(xiàn)了在截?cái)喹h(huán)形面上施加邊界條件的目的。這種方法能夠確保SACS整體模型中的載荷邊界條件準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換到ABAQUS局部模型中，并確保在模型中保留節(jié)點(diǎn)上的邊界條件信息。

2" " 案例分析

2.1" " 導(dǎo)管架平臺(tái)整體靜力分析

本文選擇南海某在研200 m水深的深水導(dǎo)管架為例開(kāi)展研究，共有8個(gè)水平層、8條腿和16個(gè)裙樁，由 K 形支撐和 X 形支撐混合方案組成；導(dǎo)管架對(duì)角線處有4條腿，每條腿有4個(gè)裙樁（如圖1所示）。裙樁套筒的編號(hào)以導(dǎo)管腿編號(hào)為基礎(chǔ)，導(dǎo)管腿編號(hào)為A1、A4、B1、B4，裙樁套筒編號(hào)為A1-1、A1-2、A1-3，A4-1、A4-2、A4-3，B1-1、B1-2、B1-3，B4-1、B4-2、B4-3。環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表1，水動(dòng)力系數(shù)見(jiàn)表2，海生物厚度見(jiàn)表3，最大內(nèi)波配置見(jiàn)表4。

在SACS中進(jìn)行整體計(jì)算時(shí)，共考慮了96種計(jì)算工況，如下所示：

工況L01至工況L24 為操作工況（一年一遇）；

工況L25至工況L48 為極端工況（百年一遇）；

工況L011至工況L241 為操作工況+內(nèi)波工況；

工況L251至工況L481為極端工況+內(nèi)波工況。

使用SACS波響應(yīng)模塊進(jìn)行隨機(jī)波響應(yīng)分析，為每個(gè)波的方向生成30個(gè)隨機(jī)波分布。波響應(yīng)程序在總3 600 s的時(shí)間內(nèi)以0.5 s間隔產(chǎn)生隨機(jī)波。利用Pierson-Moskowitz波譜獲得動(dòng)態(tài)波響應(yīng)。由最大動(dòng)態(tài)基剪切與相關(guān)的靜態(tài)基剪切的比值來(lái)確定動(dòng)態(tài)放大系數(shù)。計(jì)算每個(gè)波廓的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)，然后取平均值得到每個(gè)方向的總動(dòng)態(tài)放大系數(shù)。通過(guò)得到的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)來(lái)建立組合系數(shù)，隨后進(jìn)行靜力分析。從圖2桿件靜力分析結(jié)果可知，各工況下平臺(tái)所有桿件最大UC值為0.934，所有節(jié)點(diǎn)最大UC值為0.981。

2.2" " SACS中邊界條件的獲取

由SACS靜力分析結(jié)果可知， B4導(dǎo)管腿的裙樁套筒在L421工況下的樁頭力、UC值、彎矩值、剪力值均為最大值。本文選擇B4導(dǎo)管腿的裙樁套筒和其對(duì)稱位置A1導(dǎo)管腿的裙樁套筒作為局部分析對(duì)象。

B4導(dǎo)管腿的裙樁套筒中，樁在PLA5、PLA6、PLA7、PLA8處截?cái)?，斜撐在K43X、KK3X、JK3X、3K4L、K32X處截?cái)?，主腿在JK4L處截?cái)啵財(cái)帱c(diǎn)在SACS整體模型中的位置情況如圖3所示。各截?cái)辔恢锰崛〉牧臀灰频冗吔鐥l件如表5和表6所示。

同理， A1導(dǎo)管腿的裙樁套筒中的樁在PLB1、PLB2、PLB3、PLB4處截?cái)啵睋卧贙B1X、KB31、KB2X、JB3X、J1BX處截?cái)?，主腿在JB3L處截?cái)啵鹘財(cái)辔恢锰崛〉牧臀灰频冗吔鐥l件如表7和表8所示。截?cái)帱c(diǎn)在SACS整體模型中的位置情況如圖4所示。

2.3" " ABAQUS中群樁套筒模型建立

在ABAQUS中采用4節(jié)點(diǎn)殼單元S4R建立兩個(gè)裙樁套筒模型，如圖5所示。

將SACS中提取到的邊界條件重新恢復(fù)到ABAQUS模型時(shí)，需要考慮具體使用材料的屬性。對(duì)于鋼材，其彈性模量為2.1×1011 Pa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3；水泥材料的彈性模量為1.51×1010 Pa，泊松比為0.22，密度為1 000 kg/m3。其中水泥不作為校核的對(duì)象，僅僅用于模擬整體的剛度以保證計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

2.4" " 仿真結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算得到B4和A1導(dǎo)管腿裙樁套筒的詳細(xì)應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表9，應(yīng)力分布如圖6、圖7所示。從局部分析結(jié)果可以看出，在樁頭力、UC值、彎矩值和剪力值均為最大值的工況條件下，裙樁套筒各部位的Mises應(yīng)力均滿足材料強(qiáng)度需求，表明其在最危險(xiǎn)工作狀態(tài)下完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3" " 結(jié)論

本文針對(duì)深水導(dǎo)管架平臺(tái)裙樁套筒，建立了SACS整體靜力分析結(jié)合ABAQUS局部分析進(jìn)行裙樁套筒強(qiáng)度分析的方法，可以確保準(zhǔn)確模擬分析裙樁套筒的強(qiáng)度，使其更符合工程實(shí)際要求。通過(guò)案例分析取得如下主要結(jié)論。

1）在SACS中提取危險(xiǎn)工況時(shí)，應(yīng)綜合考慮樁頭力、UC值、彎矩和剪力最大等多個(gè)校核工況，同時(shí)應(yīng)選擇導(dǎo)管腿的裙樁套筒和其對(duì)稱位置導(dǎo)管腿的裙樁套筒作為局部分析對(duì)象，以確保后續(xù)局部強(qiáng)度分析的可靠性。

2）在ABAQUS中建立的局部模型的邊界條件恢復(fù)中，應(yīng)與SACS模型坐標(biāo)系保持一致，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

參考文獻(xiàn)

[1]" 楊玉良，石曉，張旭杰，等. 導(dǎo)管架平臺(tái)裙裝套筒結(jié)構(gòu)吊裝受力分析[J]. 科技風(fēng)，2019（31）：104-105.

[2]" 郭鵬增，杜書鑫，耿凱，等. 深水導(dǎo)管架項(xiàng)目裙樁套筒總裝技術(shù)研究[J]. 石油和化工設(shè)備，2023，26（10）：98-104.

[3]nbsp; 連鑫，馮英磊，尚繼飛，等. 基于SACS的裙樁套筒吊裝建模方法可行性分析[J]. 海洋工程裝備與技術(shù)，2022，9（4）：59-64.

[4]" 劉全剛，連鑫，馮英磊. 導(dǎo)管架裙樁套筒的吊裝安裝[J]. 石油化工建設(shè)，2016，38（5）：47-49.

[5]" 王暉，劉洪濤，于皓. 群樁套筒疲勞分析在ANSYS中的實(shí)現(xiàn)[J]. 低溫建筑技術(shù)，2007（1）：100-102.

[6]" 余建星，黃鑫. 新型海洋平臺(tái)裙裝套筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析[J]. 海洋技術(shù)，2005，24（1）：86-89.

[7]" 候國(guó)華，吳海欣，譚振東. 導(dǎo)管架平臺(tái)空間鋼結(jié)構(gòu)的有限元分析[C]//第五屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集. 廣州：建筑工業(yè)出版社，2005：500-505.

[8]" 陳邦敏，于春潔，王忠暢，等. 導(dǎo)管架平臺(tái)裙樁套筒結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度有限元分析[J]. 船海工程，2018，47（4）：148-152，156.

[9]" 高偉. 隨機(jī)波浪作用下的平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析[J]. 石油和化工設(shè)備，2018，21（9）：34-38.

[10] 閆斌. 深水導(dǎo)管架平臺(tái)輕量化技術(shù)研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2022.

[11] 肖亞飛，楊曉剛. 利用ANSYS程序?qū)?dǎo)管架典型局部構(gòu)造進(jìn)行有限元分析的方法探討[J]. 中國(guó)海上油氣（工程），2002，14（4）：16-21.

作者簡(jiǎn)介：

施昌威（1984—），男，湖北仙桃人，高級(jí)工程師，2009年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，現(xiàn)在主要從事海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與研究工作。" Email：shicw.cpoe@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-03-20