“海洋石油162”隔水导管扶正平台强度计算分析

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

国内首座移动式试采平台“海洋石油162”是一座集试采、修井、采油、油气处理、舱室储油、原油外输、井口支持等功能于一体的四桩腿自升式平台，通过设置在平台主体艉部的隔水导管扶正平台来对井口提供支持。扶正平台与船体艉封板铰接连接，拖航时，扶正平台收回固定；到达井位后，扶正平台下放与隔水导管连接，可对1或2口井井口提供保护，并方便人员进行操作。

1 隔水导管扶正平台结构

平台的结构形式为“H”型框架结构，长7.405 m，宽5.7 m，重5.683 t。扶正平台连接基座距平台底板0.45 m，通过Φ70的合金钢销轴连接。回收固定基座设在艉封板，距平台主甲板0.25 m。隔水导管扶正平台使用Φ101.6×8.1的APIX52支撑杆与平台主体连接，并用插销固定。

扶正平台主骨架采用H300×150 DH36工字钢，辅骨架采用H200×150 DH36工字钢及L100×80×7 AH36角钢；扶正平台设有吊装及锁紧眼板，材质为DH36；连接固定用的插销全部采用屈服强度不小于700 MPa合金钢。

2 隔水导管扶正平台性能分析

2.1 分析工况

隔水导管扶正平台工况及海洋环境条件见表1。

表1 海洋环境条件

1)工况1。自存工况条件下，平台主体发生最大位移时，对隔水导管扶正平台受到的波流力进行分析。

2)工况2。作业工况条件下，平台主体发生最大位移时，对隔水导管扶正平台受到的波流力进行分析。

3)工况3。平台就位过程中，隔水导管在环境载荷作用下，对隔水导管扶正平台就位安装的影响进行分析。

2.2 有限元分析

使用ANSYS软件进行结构有限元建模，采用BEAM188单元模拟隔水导管扶正平台骨架结构；采用PIPE16单元模拟隔水导管卡子及隔水导管泥线以下部分；使用PIPE59单元模拟隔水导管受波流载荷作用的部分。

由于平台主体在风、浪、流环境载荷作用下会发生位移，与隔水导管扶正平台产生相对运动，造成扶正平台受力发生变化，因此需构建平台整体模型近似模拟隔水导管扶正平台的受力情况。使用PIPE59单元模拟桩腿，BEAM188单元简易模拟平台主体框架。

工况1、工况2在隔水导管泥线下4.572 m端部施加全约束，隔水导管与管卡子处的节点施加UX、UY、UZ方向的耦合，在隔水导管扶正平台、支撑杆与平台主体链接部位施加全节点耦合，见图1。工况3在隔水导管泥线下4.72 m端部施加全约束[1-6]，见图2。

图1 工况1、2有限元模型

图2 工况3有限元模型

隔水导管扶正平台所用材料为DH36和APIX52，屈服应力分别为355 MPa和359 MPa。根据中国船级社《海上移动平台入级规范2016》[7](以下简称《移规》)，其许用应力为[σ]=σs×0.8，DH36许用应力为284 MPa，APIX52许用应力为287.2 MPa。隔水导管材料为APIX80，屈服应力555 MPa，安全系数取1.67，许用应力为332.3 MPa。

2.2.1 整体强度校核

各工况的有限元计算结果见表2。

表2 隔水导管工况1～3有限元计算结果表

由表2可见，各工况下结构件的最大应力均小于材料的许用应力，隔水导管扶正平台的整体强度满足规范要求。

2.2.2 局部强度校核

隔水导管扶正平台各个连接点位置见图3。

使用ANSYS软件对工况1、工况2的各个连接点进行提取，其结果见表3。

1)牵拉底座眼板强度校核。采用ANSYS进行有限元建模，用SHELL63单元模拟牵拉底座眼板。约束施加于牵拉底座眼板底座板边沿，采用固支约束。由表3可见，工况1时，在连接点2处，牵拉底座眼板受到的载荷最大，有限元模型见图4。

牵拉底座眼板所用材料材质为AH36、DH36，根据《移规》(2016)，其许用应力为[σ]=σs/1.11=319.8 MPa。牵拉底座眼板结构应力见图5。

在上述载荷作用下，该处最大组合应力为246.472 MPa，小于许用应力，故该处结构强度满足规范要求。

图3 隔水导管扶正平台各连接点位置

表3 工况1、工况2各连接点受力

图4 牵拉底座眼板有限元模型

图5 牵拉底座眼板应力云图

2)平台连接座强度校核。使用ANSYS进行有限元建模，SHELL63单元模拟平台连接座。约束施加于平台连接座底座板边沿，采用固支约束。由表3可得，工况1时，在连接点7处，平台连接座受到的载荷最大，有限元模型见图6。

图6 平台连接座底座有限元模型

平台连接座底座所用材料材质为AH36、DH36，根据《移规》(2016)，该处许用应力[σ]=σs/1.11=319.8 MPa。牵拉底座眼板结构应力见图7。

图7 平台连接座底座应力云图

在上述载荷作用下，该处最大组合应力为274.341 MPa，小于许用应力，故该处结构强度满足规范要求。

3)小平台固定撑杆连接眼板强度校核。使用ANSYS进行有限元建模，SHELL63单元模拟小平台固定撑杆连接眼板。约束施加于小平台固定撑杆连接眼板底板与眼板对应位置边沿，采用固支约束。由表3可得，工况1时，在连接点7处，小平台固定撑杆连接眼板受到的载荷最大，有限元模型见图8。

图8 小平台固定撑杆连接眼板有限元模型

小平台固定撑杆连接眼板所用材料材质为AH36、DH36，根据《移规》(2016)，其许用应力为[σ]=σs/1.11=319.8 MPa。小平台固定撑杆连接眼板结构应力见图9。

图9 平台连接座底座应力云图

在上述载荷作用下，该处最大组合应力为143.7 MPa，小于许用应力，故该处结构强度满足规范要求。

4)销轴强度校核。销轴受到剪切作用，其材料为屈服强度不小于700 MPa合金钢，抗剪强度为350 MPa。根据《移规》(2016)，选取安全系数n=1.88，[τ]=τ/n=186 MPa。

由表3可得，工况1时，在连接点7处，销轴受到的轴向载荷最大，τ=21.39 MPa。

τ<[τ]；故销轴抗剪强度满足规范要求。

5)平台与隔水导管扶正平台连接部位局部强度校核。使用ANSYS进行有限元建模，BEAM188单元模拟平台骨材及桁材，SHELL63单元模拟板单元，平台板材边缘，采用铰支约束。由表3可得，工况1时平台主体受到的载荷最大，有限元模型见图10。

图10 平台主体与隔水导管扶正平台连接部分有限元模型

平台主体板材所用材料材质为AH36，根据《移规》(2016)，其许用应力为[σ]=319.8 MPa。平台主体骨材所用材料材质为为CSA，其许用应力为[σ]=σs/1.25=188 MPa。平台主体局部结构应力见图11。

图11 平台连接座底座应力云

在上述载荷作用下，平台主体最大组合应力为56.7 MPa，小于许用应力，故该处结构强度满足规范要求。

3 结论

采用有限元的方法对“海洋石油162”隔水导管扶正平台整体强度及连接位置的局部强度进行校核，结果表明该扶正平台的强度满足规范要求，可以有效地对隔水导管起到扶正支持作用。