自升式钻井平台桩靴结构强度分析

李永超，孙雪荣

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

随着市场经济的不断繁荣和发展，中国对石油的需求也在持续增长，而海洋石油资源的可持续开发已成为我国的重要目标[1,2]。自升式钻井平台对近海海洋石油资源的开发起着积极的推动作用，广泛应用于200m以下的近海海域石油开采活动。在海洋平台中，只有自升式平台使用桩靴来承载海底对平台的支撑力，是整个平台的基础。目前新平台都有一个圆锥形的、与水平成 120°～150°的桩靴，很多桩靴都有一个突出的锥点以降低其在浅桩靴插入时的滑移风险[3]。以某自升式平台的桩靴为例，建立桩靴强度的工程化分析流程，为桩靴的结构设计提供参考。

1 桩靴结构分析模型

1.1 有限元模型

采用通用有限元程序 MSC. Patran/Nastran对桩靴结构进行有限元建模。为消除边界效应，桩靴结构的分析模型（见图1）包括整个桩靴和部分桩腿，桩腿部分取至距离桩靴底部16.82m处。整个分析模型由板、梁单元构成，桩靴的板材由板单元模拟，桩腿的弦杆和撑杆由梁单元模拟，板、梁单元的过渡通过MPC单元连接。

1.2 边界条件

桩靴插入海底的过程是桩靴底部与海底底基间的耦合过程，考虑到桩靴与底基相互作用过程中，底基性质的变化及变形对桩靴作用的影响属于非线性接触[4]，这种方法计算量大，且底基的资料不全面也会造成校核结果偏于危险，不便在工程上实施，需要进行简化处理。根据总强度计算的数据，将底基的反作用力施加到桩靴上，并在桩腿顶部的三个角点处约束其三个方向的位移。

图1 桩靴结构分析模型

1.3 材料与许用应力

桩靴结构材料为高强度钢和甚高强度钢，杨氏模量E=206800MPa；泊松比ν=0.3。依据ABS规范[5]，安全系数为1.11。许用应力见表1。

表1 许用应力

2 设计载荷

2.1 预压载工况

在平台主体按钻井作业要求举升到规定高度以前，必须对全部桩腿进行预压，使桩腿底下的底基所承受的载荷能预先达到并略微超过风暴状态下可能出现的最大轴向力。

根据总强度计算，平台在预压载工况下，每个桩靴承受的最大垂向力 112073kN，考虑到海底底基的不同情况，桩靴与海底的接触范围也不同，选定6种工况（计算结果见表2），并在接触范围内以均布力的形式加载到桩靴的底部。

如图 2所示，桩靴内圈半径r=2.4375m。剩余 3个环形舱壁分别为A、B、C，其半径分别为：ROA=4.5725m，ROB=6.8025m，ROC=8.9925m。桩靴底部与水平夹角为α=10.12°。在计算过程中，假定桩靴底部与海底的接触范围内受到均布压力P，方向垂直于接触面，而最大升桩力与桩腿重力总共为112073kN，方向垂直于水平面向下，根据平衡原理，两者在垂向上的矢量和为0。

图2 预压载工况桩靴载荷

1) 桩靴与海底接触有效半径为OA，则取ROA=4.5725m，假定桩靴底部受到的压力为P，均匀分布于接触面，根据平衡原理有：

得：P=1725 467.392 Pa≈1.73MPa

同理可以得到接触有效半径为ROB、ROC时桩靴底部的均布压力P。

2) 若考虑到海水冲刷导致的偏心载荷，取50%计算，则接触面积减为桩靴底部面积的1/2，根据平衡原理，垂向的矢量和为0，得关于P的方程：

得：P=895 210.905 4 Pa≈0.9MPa

表2 预压载条件下的计算工况

2.2 生存工况

生存工况是指平台遭遇极端环境载荷时停止钻井且仍能自存的状态，生存工况的可变载荷较钻井作业工况为小，但将承受很大的环境载荷。在此状态下，平台主体受重力与风力的作用，而桩腿则受到浮力、重力以及风、浪、流诸外力的联合作用。在生存工况下，考虑到风、浪、流等环境载荷的作用，桩靴底部与海底接触的区域不再是均布载荷。

在工况分析中，使用三角载荷模拟桩靴底部承受的载荷。并在水平方向加载水平力，弯矩均与环境载荷方向相反，大小相等。考察自升式钻井平台在不同水深条件下，环境载荷方向为0°、60°、90°、120°、180°时每个桩靴的受力情况，在每种深度下，桩靴承受水平力H，垂向力V以及35%的平台倾覆力矩M。水平力H，垂向力V以及平台倾覆M由总强度计算[6]得到。

如图3所示，为了计算桩靴在环境载荷下的总强度问题，桩靴底部承受垂向力和弯矩。弯矩以三角载荷的形式加载到桩靴的底面，简化后压力分布可以用如下形式的方程描述：

式中：D——桩靴底面的投影直径；

在整个积分域上对轴x=D/2取矩，可得到桩靴承受的弯矩M：

另外，在整个积分域上三角载荷在Z向上的矢量和为V：

每个桩靴承受的弯矩以及偏心距可采用下式计算：

式中：OTM——平台的倾覆力矩，由总强度计算得到；

将式(1)、式(2)、式(3)、式(4)联立，即可得压力分布P(x)。

采用上述方法对总强度计算的结果数据进行计算分析，得到所有工况下的载荷分布P(x)，并把较严重的工况挑选出来，得到生存条件下的计算工况（见表3）。

图3 桩靴生存工况载荷

表3 生存条件下桩靴的计算工况

表3中的每一组数据都可以通过上述方法计算得到对应的压力分布P(x)，并通过场函数加载到有限元模型中进行计算。

3 结果分析

通过对桩靴结构在不同工况下的分析计算，然后将结果进行对比和汇总（见表4）。表4中数据是汇总了所有的计算工况后，只给出桩靴各个结构最大应力对应的计算工况（结构和应力见图 4(a)～(g)。结果显示，桩靴计算的主控工况是预压载工况。

表4 桩靴结构应力结果汇总

图4 结构和应力

4 结 语

以某型自升式钻井平台的桩靴结构分析为例，建立了桩靴强度分析力学模型，通过仿真程序 MSC.Patran/Nastran建立了结构有限元分析模型，探讨了自升式钻井平台桩靴的载荷简化分析方法。对预压载和生存工况下的结构强度进行分析和评估。主要结论如下：

1) 得到了桩靴结构强度分析的工程化分析流程；

2) 桩靴的计算结果表明，其主控工况是预压载工况；

3) 桩腿与桩靴连接处的三角形过渡舱壁、桩靴内弦杆的主要支撑构件是桩靴结构的关键部位，这些区域的应力水平较高，设计过程中应该给予高度重视；

4) 随着桩靴底部受力面积的不断扩大，桩靴结构的应力分布会有所改善。

[1] 方银霞，包更生，金翔龙. 21世纪深海资源开发利用的展望[J]. 海洋通报，2009,19(5): 73-78.

[2] 李永芹. 海域油气资源—中国未来能源的接力军[J]. 中国石油和化工经济分析，2001(1): 55-60.

[3] 任宪刚，李春第，杨红敏. 海洋自升式钻井平台桩靴研究[J]. 石油矿场机械，2009,38(12): 18-29.

[4] 马曙光，冯昌宁，吴 晗. 自升式平台砂箱支撑坞内升桩技术研究[A]. 上海市船舶与海洋工程学会论文集[C]，2012.

[5] ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S]. 2012.

[6] JU2000E, Storm Survival in Place Analysis[Z]. Friede&Goldman.