自升式钻井平台桩靴结构强度分析

关国伟, 杨轶普，张银洲，蔺春辉，孙久智

(中国石油渤海装备研究院海工装备分院，辽宁 盘锦 124010)

自升式钻井平台桩靴结构强度分析

关国伟, 杨轶普，张银洲，蔺春辉，孙久智

(中国石油渤海装备研究院海工装备分院，辽宁 盘锦 124010)

桩靴结构是自升式钻井平台最重要的关键部分，桩靴的合理设计及结构强度关系到整个平台的性能及安全。以BHCP400自升式钻井平台桩靴结构强度分析为例，通过对桩靴预压载、风暴自存及偏心共7种工况的分析，建立有限元模型。有限元计算分析结果表明：出现应力较大处为与桩腿连接的三条120°支撑舱壁、桩靴底板、与桩腿弦管连接的支撑板以及桩腿与桩靴连接处肘板，这些位置必须采用厚度大、强度高的钢材，并保证焊接质量和精度。同时，在偏心工况时桩靴内部应力非常大，在设计过程中应予以重点关注。

自升式钻井平台；桩靴；结构强度；有限元分析

0 引 言

随着经济的高速发展，对能源的需求必然会越来越大，而陆地石油资源正日益减少，向海洋进军、开发海洋油气资源已成趋势。在海洋自升式钻井平台中，作业深度超过50 m时，就应该设计桩靴结构，因为桩靴结构可提高海床土壤对海洋平台的承载力，从而降低桩腿的插入深度，更有利于平台的插、拔桩操作。特别是在平台抬升状态下，保证整个平台能够安全平稳地立于海床上，避免造成桩腿破坏及桩身倾斜，并能较好地进入土层的持力层，从而进行钻井作业或在风暴状态下自存。因此，桩靴的合理设计及结构强度，关系到整个平台的性能及安全[1-2]。

自升式钻井平台的作业环境恶劣，各种载荷工况复杂，因此，桩靴结构计算分析一直以来是该类型平台设计工作的重点和难点。胡安康等[3]对400英尺(1英尺≈30.48 cm)水深自升式平台两种桩靴结构形式利用美国船级社(ABS)规范进行了优化比较，得出一种比较好的桩靴结构形式，但对具体强度则分析计算不够详细。马延德等[4]通过对CJ70自升式钻井平台桩腿和桩靴结构强度开展分析，介绍了一些计算原理和方法，但重点在于桩腿计算，对桩靴部分只给出了理论公式，未加以详细计算分析。本文通过对BHCP400钻井平台桩靴结构为例，通过分析设计的7种工况，对桩靴进行了强度计算和结构优化，希望为海洋平台中桩靴的设计提供一些参考，对我国海上石油开采装备的研究起到推动作用。

1 平台简介

BHCP400钻井平台主要由主船体、桩腿与桩靴、升降与锁紧上下基础、悬臂梁、生活楼、直升飞机平台等结构组成。船体为近似三角形箱型平底结构，带有三个三角形桁架桩腿，桩腿下端为桩靴，站立状态时，船体负荷经围阱区结构通过升降系统传递到三个下端带桩靴的三角形桁架式桩腿上。平台艏艉设有三个三角形桁架式桩腿，桩腿下端带有桩靴，如图1所示。

该平台参数如表1所示。

图1 BHCP400自升式平台侧视图Fig.1 Side view of BHCP400 self-elevating drilling unit

Table1MaindesignparametersofBHCP400self-elevatingunit

参 数取 值型长/m70.27型宽/m72.0型深/m9.5桩腿总长/m167桩腿中心距(纵向)/m46.01桩腿中心距(横向)/m47.5桩靴直径/m17.8桩靴有效面积/m2248.72×3设计入泥深度/m5.6

2 材料及板厚选择

本平台根据全球海域海底的温度资源，钢结构设计温度取为0 ℃，此温度为钢材等级选择的基准温度，桩靴结构基本属于平台的主要构件或者特殊构件，其结构用钢的化学成分、力学性能、制造和试验都应符合规范对船体结构用钢及焊接结构用高强度淬火回火钢的要求[5]。由于桩靴结构的重要性，桩靴所有钢材均采用船用高强钢，同时选择板厚时应考虑腐蚀余量及桩靴磨削余量。本平台桩靴钢材所有小于16 mm钢板材质为CCSAH36或者等同材质，所有大于等于16 mm小于25.5 mm钢板材质为CCSDH36或者等同材质，大于25.5 mm钢板材质为CCSEH36，这些钢材的极限屈服强度σs=355 Pa。而桩靴与桩腿相连接处属于高应力区，需要采用大厚度、高强度钢材，例如采用E550高强度钢材，其极限屈服强度σs=550 Pa；采用E620 高强度钢材，其极限屈服强度σs=620 Pa。

3 结构工况分析

根据规范要求[6]，桩靴计算工况主要有预压载工况、风暴自存工况及偏心工况三个大类型，每类工况下载荷在桩靴上的分布不同，又可以分为各种不同的子工况。桩靴受到的最大支反力通过桩腿强度计算得到，本平台的最大支反力为103 500 kN，同时需要考虑环境载荷及将来自身可变载荷的影响，其中环境载荷是直接或间接由海洋环境因素引起的载荷，主要包括风、浪、流、冰载荷；可变载荷指在钻井作业、平台拖航等过程中容易被拆除、移动、消耗的物体或物品。可变载荷具体包括：人员，散装泥浆药品及袋装药品，散装水泥，套管及钻杆、钻铤、工具、防喷器组，液体泥浆，钻井水及燃油、润滑油、饮用水、污油、污水，库存零部件及生活供应物品，泥浆录井、电测测井装置、定向井装置、试油设备、岩屑零排放、溢油回收设施等临时安装的设备，钻井过程中附加到钻台底座上的大钩载荷、转盘载荷、立根盒载荷、导管张紧载荷等。根据统计计算，最终取最大支反力Fv=107 800 kN，从而压力载荷可以由此力除以其受力面积得到。

3.1 预压载工况

桩靴有4道环形舱壁(BHD)，所以预压载工况分为4种子工况，要求将桩靴所承受的最大支反力Fv以压力形式均匀分布于各环形舱壁所包围的底部面积上。

对于预压载工况1来说，我们可以假定桩靴坐落在一个较硬的海底，这是最危险的一种工况，此时平台所有载荷均匀分布于桩靴第一道环形舱壁所包围的底部面积上，对于第2～4种预压载工况来说载荷均匀分布于桩靴第二到最外环形舱壁所包围的底部面积上，其中第4种工况是桩靴受力最好的工况，此时海底为泥砂质或淤泥质海床，是此平台最理想的作业环境。具体预压载工况如图2～5所示。

图2 预压载工况1(LC1)Fig.2 Preload case 1 (LC1)

图3 预压载工况2(LC2)Fig.3 Preload case 2 (LC2)

图4 预压载工况3(LC3)Fig.4 Preload case 3 (LC3)

图5 预压载工况4(LC4)Fig.5 Preload case 4 (LC4)

3.2 风暴自存工况

在风暴自存工况下，桩靴底面积除了受到最大支反力外，还受到水平剪力的作用，该水平剪力等于风暴自存工况下桩靴达到的最大支反力时，同时承受剪力，还要考虑环境载荷及P-Δ效应对桩腿的叠加影响，由桩腿强度计算得到。

此外，还有加载35% Lower Guide处[7]的最大弯矩，该弯矩加载方式沿环形舱壁施加垂直向上的点载荷，各舱壁之间的载荷大小不等，从而形成力矩，计算方法如下。

桩靴上任意一点的点载荷可以用如下公式计算：

(1)

式中：qx表示桩靴上任意一点的点载荷，MPa；q1和q2分别表示桩靴上任意环形舱壁上施加垂直向上的点载荷，MPa；r为桩靴半径，m。

这些点载荷对整个桩靴的弯矩M由图6采用积分法得出，计算公式如下：

(2)

图6 桩靴弯矩积分示意图Fig.6 Schematic of spudcan bending moment

调整这些点载荷，使其合力矩值等于35% Lower Guide处的最大弯矩。此时这些点载荷的总的垂向力为FV，则需垂直整个桩靴底板表面施加压力载荷，使该压力在垂直向上的分力等于最大支反力减去FV，以此方式能够同时加载力矩M和垂向支反力载荷。此时工况如图7所示。

图7 风暴自存工况(LC5)Fig.7 Storm survival case (LC5)

3.3 偏心工况

由于海底地形崎岖不平以及海水的冲刷作用，可能造成桩靴底部受力不均匀的偏心现象，按照规范要求，将桩靴承受的最大支反力均匀分布在50%桩靴底面积上以考虑偏心现象对桩靴强度的影响。桩靴形状的不对称性造成了如图8、图9所示的两种偏心工况。

图8 偏心工况1(LC6)Fig.8 Eccentric load case 1 (LC6)

图9 偏心工况2(LC7)Fig.9 Eccentric load case 2 (LC7)

4 有限元分析及结果

采用挪威船级社(DNV)的海洋工程有限元(FE)软件SESAM建立桩靴结构有限元模型，对其进行强度分析。

4.1 有限元建模

采用板梁单元建立桩靴有限元模型，同时为了真实地反映出桩腿与桩靴间的应力传递情况，还应建立部分桩腿结构，整个模型采用板、梁单元构成，例如桩靴的板材由板单元进行模拟，而桩腿的弦杆及撑管应由梁单元模拟，在建模中应尽可能多地使用板单元来模拟主要构件和应力集中结构，以便能够得到准确的分析结果。

4.2 边界条件

桩靴插入海底的过程是桩靴底部与海底间的耦合过程[8]，其中土体的流动性对桩靴接触面的影响很大，在分析时桩靴下端面土体分离速度及桩靴上土体冲击速度在桩靴上下端面形成速度差，从而导致桩靴底部形成瞬间吸力，造成桩靴端部结构承重较大，在建立边界条件时应予以考虑[9]。建立桩靴的边界条件时，应先根据静态设计原理，依据总强度计算数据，将海底土壤的反作用力施加到桩靴上，并在桩靴顶部的三个交点处约束其三个方向的位移，同时应考虑土体流动特性对桩端承载力的影响，增大桩端结构的安全系数。本文桩靴边界条件如图10所示。

图10 桩靴模型及边界条件Fig.10 FE model of spudcan and boundary conditions

4.3 计算结果

根据中国船级社(CCS)规范及相关规定，参与分析的平台主体框架的结构构件应按以下规定确定

其许用应力值[σ]：

[σ]=σS/S，

(4)

式中：σS为材料的屈服强度，N/mm2；S为安全系数，在组合工况时取1.11。

桩靴所用钢材为AH36、DH36、EH36钢级时，其屈服强度σS=355 MPa，在组合工况下，其安全系数S取1.11，此时许用应力[σ]=355/1.11=320 MPa；而与桩腿弦管连接的57 mm的支撑板，材质为E550, 其屈服强度σS=550 MPa，此时许用应力[σ]=550/1.11=495 MPa；桩靴与桩腿连接处的76 mm的肘板，材质为E620, 其屈服强度σS=620 MPa，在组合工况下，许用应力[σ]=620/1.11=558 MPa。

根据前面工况分析，通过有限元软件计算，其在7种工况下桩靴各个结构最大应力如表2所示。从表中可以得出，结构强度均满足规范要求。

表2 有限元分析后在各工况下桩靴各个结构最大应力

通过表2可以看出桩靴不同构件最大应力对应的工况。通过有限元分析的结果可以看出，最大应力基本出现在工况6和工况7，即偏心工况，因为此时桩靴不但承受主体结构产生的竖向载荷，还承受因地基受力不均而产生的弯矩，此时应属于整个平台的危险工况，在正常作业时应极力避免此种工况的产生。

同时还可以发现，整个桩靴出现应力较大处为与桩腿连接的三条120°支撑舱壁、桩靴底板、与桩腿弦管连接的支撑板以及桩腿与桩靴连接处肘板。这些构件都是桩靴的主要构件或特殊构件，这些部位大部分属于高应力区，在设计时需要采用大厚度、高强度钢材，同时必须保证其焊接质量和精度。

经有限元分析，最大应力所对应的工况下的应力云图如图11～19所示，其中表2中前四道环形舱壁以第三道环形舱壁为例给出(此道环形舱壁应力最大)。

图11 LC6第三道环形舱壁应力云图Fig.11 Stress distribution of the third circumferential BHD in LC6

图12 LC7三条成120°径向舱壁应力云图Fig.12 Stress distribution of LC7 triangular BHDs

图13 LC6与桩腿连接的三条120°支撑舱壁应力云图Fig.12 Stress distribution of LC6 radial BHDs at leg chord

图14 LC6其他径向舱壁应力云图Fig.14 Stress distribution of LC6 other radial BHDs

图15 LC7上盖板应力云图Fig.15 Stress distribution of LC7 top plate

图16 LC7桩靴底板应力云图Fig.16 Stress distribution of LC7 bottom plate

图17 LC7桩靴内部的加强筋应力云图Fig.17 Stress distribution of LC7 stiffener section using plate simulation

图18 LC7与桩腿弦管连接的57 mm支撑板应力云图Fig.18 Stress distribution of LC7 supporting plate of chord

图19 LC7桩腿与桩靴连接处肘板应力云图Fig.19 Stress distribution of LC7 brackets connecting legs and spudcan

5 结 语

桩靴结构是整个海洋平台结构的关键部位。本文通过对BHCP400自升式钻井平台桩靴结构强度的分析，按照规范要求和实际的环境分析了桩靴的预压载、风暴自存及偏心共7种工况，其中危险工况为LC6和LC7，即偏心工况，此时桩靴内部应力非常大，在设计过程中应予以重点关注。

通过有限元软件进行计算分析发现，出现应力较大处为与桩腿连接的三条120°支撑舱壁、桩靴底板、与桩腿弦管连接的支撑板以及桩腿与桩靴连接处肘板，这些部位在设计时应予以重视。

桩靴结构强度通过有限元计算表明满足强度要求,本平台桩靴已经得到相关船级社认可并在实际设计中得到了应用。本文为桩靴的结构设计及强度分析提供了一个很好的参考依据。

[1] 张浦阳. 海上自升式钻井平台插/拔桩机理及新型桩靴静/动承载力研究[D].天津：天津大学，2008.

[2] 张宝平，金元刚，王金明，等. 自升式海洋平台冲桩对拔桩阻力的影响研究[J].石油矿场机械，2015,44(6): 59.

[3] 胡安康，郭宇.400f水深自升式平台桩靴强度分析与优化设计[J]. 船舶工程，2012(6)：82.

[4] 马延德，石强，赵杰，等. CJ70自升式钻井平台桩腿和桩靴结构强度分析[C].2011年中国造船工程学会优秀论文集,2011：26.

[5] 中国船级社.材料与焊接规范[S]. 2014.

[6] 中国船级社.海上移动平台入级规范[S].2012.

[7] American Bureau of Shipping. Mobile offshore drilling units[S]. 2008.

[8] 李永超，孙雪荣. 自升式钻井平台桩靴结构强度分析[J].船舶与海洋工程，2014(3): 10.

[9] 张兆德，张心. 土体流动对自升式平台桩靴极限承载力的影响[J].船舶与海洋工程，2015(3): 16.

SpudcanStrengthAnalysisofSelf-ElevatingDrillingUnit

GUAN Guo-wei， YANG Yi-pu， ZHANG Yin-zhou， LIN Chun-hui， SUN Jiu-zhi

(OceanEngineeringEquipmentResearchInstitute,CNPCBohaiEquimentResearchInstitute,Panjin,Liaoning124010,China)

Spudcan structure is the most important part of jack-up unit, and its reasonable design and structural strength are the key points to the unit’s performance and safety. Taking a spudcan structure strength analysis of BHCP400 self-elevating drilling unit as example, through the analysis of seven kinds of conditions including preload, storm survival load and eccentric load, we establish a spudcan structural model. The finte element analysis results show that the maximum von Mises stress for all load cases is at the radial bulkhead at leg chord, the bottom plate, the supporting plate of chord, and the brackets connecting chords and spudcan. For these places, large thickness and high strength steels should be used, and the requirements of welding quality and precision should be met. In addition, we should pay attention to the eccentric load case for which the spudcan stress reaches its maximum.

jack-up drilling platform; spudcan; structural strength; finite element analysis

2016-07-16

关国伟(1984—)，男，工程师，主要从事船舶与海洋工程结构设计和开发。

U674.38+1

A

2095-7297(2016)04-0236-07