自升式平台压载量准静态计算方法应用研究

宋林松 王建军 黎剑波

(中海油田服务股份有限公司)

自升式平台压载量准静态计算方法应用研究

宋林松 王建军 黎剑波

(中海油田服务股份有限公司)

目前自升式平台压载量是按照极限环境条件设定的,一般远大于平台作业工况条件需要的压载量,有时会影响到平台的作业适用性,因此研究了根据作业井位环境条件确定平台压载量的方法。以海洋石油941平台为例,探讨了利用准静态法计算平台在各种海况下实际需要压载量的流程,并将该方法用于海外某作业平台的压载量分析。分析结果表明,在一定的环境条件下,利用准静态法计算结果确定平台压载量可以减小平台桩靴入泥深度,从而降低拔桩难度,提高平台的作业适用性。

准静态法 自升式平台 环境载荷 压载量计算

在平台操作手册中,对自升式平台的压载量一般是按照最大作业水深和极限风暴状态设计的。但在很多情况下,平台实际作业水深小于其最大作业水深,实际作业环境载荷也低于其最大环境载荷,此时自升式平台实际需要的桩脚支撑能力明显低于设计值。2008年版美国船级社《海上移动平台入级与建造标准》(ABS规范)允许根据环境条件确定平台的压载量[1],这样,通过降低预压载量就可以减小平台桩脚的入泥深度,从而降低拔桩难度,提高平台作业的安全性。在环境条件比较温和、作业区域土体承载能力相对较弱的海域,已有自升式平台尝试过降低压载量,但这种尝试是基于经验的。笔者借助于有限元软件,根据我国海洋石油941平台作业参数,探讨了利用准静态分析法根据环境条件确定平台压载量的计算程序,并以COSL-CONFIDENCE平台为例进行了压载量分析,以期为定量计算压载载荷提供参考。体,其固有振动频率与平台自身结构、作业载荷、船体高度等参数有关,环境载荷对平台的振动产生一种激励,即在平台上附加一种惯性力——动态载荷。因此,在计算平台压载量时既要计算平台自身载荷,还要考虑风、波、流等产生的外部载荷及动态载荷,分析流程如图1所示。

1 自升式平台载荷动态效应的准静态分析方法

图1 准静态法分析流程图

自升式平台的桩脚除了要承担平台自身载荷外,还要承受风、波、流等环境载荷作用在船体、桩腿和设备上产生的横向力和力矩。将风暴状态站立和钻井状态站立的自升式平台看作为一种弹性振动

图1所示方法为准静态法,包括两个分析步骤: (1)建立分析结构的有限元分析模型,进行动态载荷分析;(2)将动态载荷和风、波、流产生的外部载荷代入有限元模型,分析桩脚反力和结构的安全性。在第二个分析步中实际上用静态力代替了波浪产生的动态响应,因此该分析过程叫做准静态模拟[1-2]。

在第一个分析步中需要引入动态放大系数(DAF)。DAF是动态响应和静态响应的比值,用于近似计算各种结构响应,例如平台的倾覆力矩、船体的横向载荷与横向位移等。一般DAF可用式(1)计算,当对计算结果的精度要求比较严格时,可在式(1)的基础上,按SNAME5-5A给出的时域或随机动态分析法计算[2]。

式(1)中:Tp为平台自振周期,s;T为波浪周期,s; ξ为阻尼系数,一般取ξ=0.05～0.07。

自升式平台站立状态的振动周期一般为3～15s,低于波浪周期,平台一般不会与波浪产生共振[3]。因此,平台设计人员在设计时通常采用DAF的上限值,以避免平台振动频率与波浪频率接近时出现计算结果的歧变。

2 等效有限元模型

以我国海洋石油941平台为例,建立等效有限元模型(图2)。该平台模型包括4种单元:梁单元,管单元,浸没管单元及质量单元。梁单元主要用于模拟桩腿弦杆和船体主要承载结构;管单元用于模拟桩腿各种撑管;浸没管单元用于模拟波、流施加在桩腿上的载荷;质量单元用于模拟平台设备重量并按倾斜实验数据调整平台重心的位置。

图2 海洋石油941平台等效有限元模型

建立平台等效有限元模型时应注意以下关键结构的模拟:

(1)桩腿弦杆的模拟 桩腿弦杆的模拟包括弦杆刚度的计算和曳力系数(CD)的模拟:弦杆模型采用了单元耦合技术,即在弦杆节点上既建有梁单元,又建有浸没管单元。

考虑到弦杆结构的复杂性和环境载荷作用方向的变化性,本文模型按照弦杆实际结构、利用梁单元建模,利用有限元软件自动计算弦杆沿各方向的刚度和转动惯量;同时按照平台基本设计,建模时不考虑齿条刚度对桩腿刚度的影响。

由于每条桩腿3根弦杆的方向不一致,每根弦杆的曳力系数不同;随着波浪和海流方向的变化,弦杆的曳力系数也发生变化,所以模拟时需要根据每个环境载荷作用方向计算出每根弦杆的曳力系数,调整浸没管单元的关键参数。

(2)桩腿与船体连接处的模拟 桩腿与船体的连接刚度对平台的动态分析非常重要,会直接影响平台的自振频率。根据每座平台固桩装置的不同,船体与桩腿之间的连接形式可以简化为:①刚性连接;②存在转动刚度的弹性连接;③允许一定转动的刚性连接。941平台采用齿形锁紧装置,因此其船体与桩腿之间为刚性连接。本文模型在船体与桩腿之间加上了刚性较大的梁单元,以获得锁紧装置的受力。

(3)平台模型重心的处理 941平台模型总质量为19 817t,包括桩腿质量、船体质量和可变载荷。通过调节各质量单元的位置可使平台模型的重心与风暴自存状态时的平台重心位置相同。

(4)边界条件(桩靴约束方式)的确定 平台在站立状态时桩腿插在海底土壤中,对平台桩腿-桩靴的约束可以简化为:①海床面3m以下铰接;②桩靴中部铰接;③桩靴中部铰接同时施加转动弹性约束。通常认为,第一种约束偏于危险,第二种约束偏于保守,第三种约束较为符合实际,故进行平台设计时一般采用第三种约束,进行平台强度校核时一般采用第二种约束。本次计算采用第二种约束,即在桩靴中部施加 x、y、z三个方向的位移约束。该约束方式与平台基本设计所用的约束方式相同。

3 计算程序

3.1 波流载荷计算

941平台作业海况条件为水深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、风速44.8m/ s、平台气隙19.8m、桩靴入泥深度3.1m。

由于水深较大,利用 Stokes五阶波理论和Morison公式计算海流和波浪对平台桩腿的作用力。考虑沿桩腿纵向不同深度的波流速度与波浪相位角度有关,在相位角0°～360°范围内计算了波流横向力和平台重心横向位移值,计算结果如图3和表1所示。

图3 波流载荷及平台重心横向位移计算结果

表1 平台桩腿反力及平台重心横向位移计算结果

3.2 模态分析和惯性载荷计算

按照ABS规定,采用单自由度法(SDOF)计算平台动态载荷。利用有限元模型计算,得出海洋石油941平台第一阶自振周期为9.69s;利用式(1)计算动态放大系数为1.642;惯性载荷 Fi利用式(2)计算。

式(2)中 Fw,man、Fw,min分别为波流力的极大值和极小值。计算得出的 Fi为2 615.3kN(表1),该惯性载荷的作用点为平台船体的重心。

3.3 风载荷计算

由于平台基本设计已给出了相对于平台各方位的风载荷,本文将此结果直接用于了有限元计算。

3.4 二次弯曲效应

在风、浪、流作用下,平台沿作用力方向产生了横向位移(表1),相当于将平台重力(P)作用点移动了Δ距离,即在平台上施加了 P·Δ的力矩,这种现象称作二次弯曲,也叫欧拉放大效应。二次弯曲可以用不同的方法模拟,例如降低平台桩腿等处的刚度。本次计算中直接在平台上施加了力矩 P·Δ。

3.5 计算结果

海洋石油941平台最终模拟计算结果列于表1。可见,在前述工况下平台重心横向位移达到1.524m,平台的最大桩腿反力为94 638.5kN,该反力低于操船手册规定的预压载最小桩腿反力105 546.0kN(10 770t)1),但相差不大。最后还要利用常规方法计算平台的抗横向滑移能力和抗倾覆能力,这里不作赘述。

4 方法应用

4.1 应用实例

在某次海外作业平台的适应性分析中,由于作业区域海床地质疏松,根据地质钻孔资料和操船手册规定的压载量进行计算,作业区所有自升式平台的桩靴入泥深度均应在20m以上,大大超过了操船手册规定的入泥深度,而桩靴入泥过深将带来拔桩困难的问题。为解决这一问题,决定根据 2008年版ABS规范[1],尝试根据环境条件确定实际压载量。

以COSL-CONFIDENCE平台为例,按100年一遇重现期选取风暴环境载荷,作业水深为21m,水面流速为1.1m/s,泥面流速为0.4m/s,最大波高为9.8m,最大风速为36.7m/s;该平台桩腿反力、压载量计算结果见表2。

表2 COSL-CONFIDENCE平台作业环境载荷及桩腿反力、压载量计算结果 (kN)

4.2 应用条件

本方法只适用于海况比较温和的条件。在非台风季作业时,很多探井作业时间相对短,且作业期间风力、波高和海流速度相对较小,因此可以尝试上述降低压载量的作法。

此外,本方法适用于桩靴位置处为土体抗剪切强度随深度渐次增加的粘土层的井位。因为在这种情况下满压载和部分压载对平台桩靴入泥深度的影响较大,对将来拔桩阻力的影响也很大,所以降低压载的效果比较明显。对于海底土壤比较硬的海床,海底流的冲刷作用是影响平台站立安全的主要因素,这种情况下应增大压载量或采用边压载边冲桩等方法[4]增加桩靴的入泥深度。

4.3 应用效果

取 COSL-CONFIDENCE平台左桩腿反力59 409kN折合为压载量6 062.0t,桩靴压强为26.17t/m2(操船手册要求其桩腿反力为90 263.8 kN,合压载量为9 210.6t,桩靴压强为39.77t/m2,可见均满足要求)。根据该压载量和已知地质钻孔资料用准静态法计算桩靴入泥深度,最终计算结果表明,其入泥深度能够减少3～5m。

再根据对抗横向滑移能力和抗倾覆能力进行的校核,可知该压载量足够大,满足工程需要,因此该平台可以安全作业。

5 结束语

以海洋石油941平台和COSL-CONFIDENCE平台为例,探讨了利用准静态法计算自升式平台压载量的计算程序,并进行了平台压载量分析。根据平台实际作业环境载荷,利用准静态法进行计算,能够更合理地确定一定条件下自升式平台的压载量,减小桩靴入泥深度,从而降低拔桩难度,提高自升式平台作业的安全性。

[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.南黄海铁板砂海床插桩问题分析与对策[J].中国海上油气:工程,2003,15(4):1-4.

(编辑:张金棣)

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,高级工程师,1993年毕业于原石油大学(华东),主要从事自升式平台研究。地址:河北省三河市燕郊开发区海油大街18号(邮编:065201)。电话:010-84522531。