多因素影响下自升式平台抗台风结构强度评估

郝林,张少洋

(中海油安全技术服务有限公司,天津 300457)

东海海域某作业区块处于夏季台风活动覆盖区域,环境条件比较恶劣。在东海区域作业的自升式钻井平台可能受到台风威胁。虽然在操船手册中给出了风暴自存状态下的工况条件,但不同海域环境参数差异较大,自升式平台的固定载荷、可变载荷等会有变化。当台风来临前调整钻井平台的悬臂梁的外伸长度、固定载荷、可变载荷,能有效降低结构损伤风险。另外,由正常作业状态调整到抗台风状态时,调整的工作越多,时间越长,经济效益越低,如何调整到合理的抗台状态是现场勘探开发作业重点关注的内容[1]。为此,采用有限元软件结合新作业井位的环境条件对平台结构状态进行评估,对不同参数的敏感性进行分析,给出不同环境条件下平台的限制工况,为抗台应急预案提供决策依据。

1 自升式平台概述

平台船型为三角形船体,带有3个三角形桁架桩腿,桩腿位置如下:前桩腿位于平台中心线上,2个后桩腿距前桩腿45.72 m,位于中心线两侧23.774 m处。平台参数见表1,悬臂梁参数见表2。悬臂梁设计载荷包括立根载荷、转盘载荷、大钩载荷、套管/BOP张力载荷。

表1 平台相关参数

表2 悬臂梁设计载荷

2 有限元模型

2.1 悬臂梁有限元模型

悬臂梁尺度是悬臂梁的重要参数,关系到平台1次就位钻井数量和平台主尺度的确定。悬臂梁存在回收存放和外伸作业两种状态,回收存放时悬臂梁全部位于平台内,平台主尺度需要满足悬臂梁存放要求;外伸作业时,其伸出平台外的长度直接关系到平台1次就位钻井数量。

悬臂梁采用有限元方法进行计算时,将悬臂梁简化为板、梁模型[2-3]。利用 Shell63 壳单元来模拟悬臂梁和横向轨道各面板结构,Beam188 梁单元来模拟悬臂梁和横向轨道扶强材等构件。总体坐标系X正向指向船艏,Y正向指向左舷,Z正向垂直海平面向上。坐标原点选在选在悬臂梁B肋位和悬臂梁基线交点位置。几何模型主要考虑板材以及加强结构的空间位置,T型材面板采用壳单元进行模拟。对于板厚,设置对应的实常数。结合悬臂梁支撑座、卡槽、导向座及锁紧装置的结构图,在船艉处以及船体锁紧位置约束悬臂梁的自由度,锁紧装置结构形式见图1。对几何模型划分网格,共计26 732个节点,36 386个单元,有限元模型见图2。

图1 悬臂梁锁紧装置约束

图2 悬臂梁有限元模型

2.2 桩腿有限元模型

根据桩腿围井结构图,桩腿结构图按照实际尺寸建立平台及桩腿几何模型,平台整体位置关系为气隙16.5 m,水深90 m(校核高水位),桩靴底部在泥面以下19.1 m。根据《海上移动平台入级与建造规范》的要求,铰支点取在桩靴高度的一半处。对几何模型划分网格,共计26 732个节点,36 386个单元,桩腿与船体连接位置在模型中通过节点耦合的方式连接桩腿与船体。

有限元模型见图3、4,载荷加载采用MPC184单元,将计算载荷的坐标位置与载荷作用区域进行耦合,载荷加载方式见图5。

图3 船体有限元模型

图4 桩腿有限元模型

图5 模型约束与加载

3 载荷工况

3.1 悬臂梁载荷

风荷载根据《ABS Rules for Building and Classing Offshore Mobile Drilling Units》计算,计算公式为

(1)

F=pA

(2)

式中:F为风载荷,N;p为风压,Pa;f=0.611;V为设计风速,m/s;Ch为受风构件高度系数,其值根据规范选取;Cs为受风构件形状系数,对于圆柱形构件取0.5,对于平台船体结构取1.0;S为受风构件正投影面积,m2。

悬臂梁计算风速作业工况为36 m/s,自存工况为51.5 m/s,悬臂梁局部计算选取了0°、45°、90°、135°、180°共5个方向进行校核。以作业工况为例,计算的悬臂梁风载荷见表3。

表3 作业工况悬臂梁风载荷

参考装载手册给出悬臂梁固定载荷与可变载荷,以作业工况为例,载荷分布见表4。

表4 作业工况悬臂梁载荷分布

3.2 桩腿载荷

1)风载荷。风载荷的计算方法与悬臂梁的方法一致,根据受风面积计算船体以及气隙区的桩腿风载荷。

2)波流载荷。小尺度圆形构件按Morison公式计算,在有限元软件中通过设定波浪参数、海流参数、拖曳力系数以及惯性力系数,即可计算出波流载荷。

3)惯性载荷。最大惯性力计算公式如下。

(3)

式中:Fi为惯性力;DAF为动力放大系数;Fmax,Fmin为最大/最小波流载荷。

通过单自由度系统计算动力放大系数(DAF)。计算公式如下[4]。

(4)

依据Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME)《Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units》中的section 7.3.5 &Ref.3 part3 chapter2 section3 5.9计算自升式钻井平台自振周期Tn,结合波浪周期计算动力方大系数。根据式(3)最终计算出惯性载荷,结果见表5。

表5 惯性载荷列表

4)P-Delta效应。将固定载荷、可变载荷、风载荷以及波流载荷施加于有限元模型,求出各工况下的水平位移,进一步求出P-Delta作用下的附加弯矩,见表6。

表6 P-Delta附加弯矩

4 计算结果

4.1 悬臂梁强度分析

将风载荷、固定载荷、可变载荷加载到有限元模型[5-8],计算不同工况下的悬臂梁等效应力以及位移,最大应力出现在悬臂梁外伸与船艉相接触截面,如图5所示。悬臂梁侧板在下部为EQ56材质,中部为EQ36材质,对应的许用强度不同,相应位置的等效应力计算结果,见表7,许用应力为90%的屈服强度。

表7 悬臂梁有限元计算结果

计算表明,各工况下悬臂梁的强度满足规范要求。比较发现,风暴状态悬臂梁外伸22.9 m,

在风向135°时受力最大,达到411 MPa,UC值为0.83。悬臂梁本体结构强度有一定裕量,单从悬臂梁本体结构强度而言,在风暴自存条件下可以保持外伸状态。

4.2 桩腿强度分析

计算表明,弦杆为最危险构件,因此仅给出弦杆的校核结果。弦杆屈服强度690 MPa,经计算桩腿底部许用压缩应力为501 MPa,依据计算的许用应力计算最危险构件的UC值,汇总于表8。

表8 桩腿应力计算结果

根据计算结果,在120°载荷方向时桩腿根部弦杆强度不满足要求,其他各载荷方向满足强度校核要求。

4.3 桩腿强度敏感性分析

调整影响桩腿强度的各项参数,进行敏感性分析。从计算分析的角度可调整参数为①波浪参数,考虑不同作业海域的波浪参数,分析不同波浪参数对平台的影响;②桩靴入泥深度,平台运营方将平台拖运至作业区块确定入泥深度的依据;③可变载荷与悬臂梁位置,抗台准备阶段确定可变载荷与悬臂梁外伸长度。

4.3.1 波高

在120°载荷方向桩腿强度不满足要求,根据风载荷、波流载荷、惯性载荷计算结果发现平台的惯性载荷过大。惯性载荷与波流载荷大小以及动力放大系数有关。由于平台自振周期与东海作业海域波浪周期较为接近,导致动力放大系数较大。同时,在50年重现期下的最大波高以及流速下,波流载荷较大。

当调整波浪参数,不仅可以使平台整体波流载荷减小,还可以减小惯性载荷。如果调整风速,或者将22.9 m悬臂梁收回,减小的风载荷有限。当调整波高,重新计算桩腿应力。目前波高为20.6 m,经试算在波高17.2 m时,波流载荷为6 224 kN,惯性力载荷为6 225 kN,桩腿最大UC值为1,满足规范要求。

4.3.2 桩靴入泥深度

调整桩靴底部距泥面距离,增大风速,以计算当构件UC值为1时对应的最大风速。

根据《钻井平台拖航与就位作业规范》,平台艏向的选择,应以占优势的主导风、流为依据,自升式平台应采用横风和/或横流的方向作为平台艏向。实际作业中通常按照载荷方向90°布置,因此仅计算90°载荷方向工况。

不同入泥深度时对应最大允许风速见表9。

表9 不同桩靴入泥深度对应最大风速表

4.3.3 可变载荷及悬臂梁位置

调整平台可变载荷,一方面降低了桩腿承受的垂向载荷;另一方面,由于平台的自振周期变化,其动力放大系数随之改变,进一步影响了平台惯性载荷。因此通过降低自存工况下平台可变载荷计算桩腿结构强度,可变载荷的调整基于自升式平台的实际作业情况,见表10。

表10 调整后平台可变载荷

计算考虑桩靴入泥深度14.5 m的情况,在上述分析中,限制工况为120°载荷工况,因此重点计算此方向下桩腿的结构强度。

根据动力放大系数计算方法计算调整可变载荷后的动力放大系数,结合120°载荷工况的波流载荷,计算对应的惯性力载荷。在“调整2”工况下同时减小悬臂梁外伸距离,可以进一步降低桩腿UC值,计算结果见表11。

表11 调整后有限元计算结果

降低可变载荷(见表10),以及减小悬臂梁外伸距离对平台结构都是有利的。计算表明,在桩靴入泥14.5 m时,悬臂梁外伸12 m,可变载荷控制在955.1 t时,各载荷工况满足结构强度要求。

5 结论

采用有限元方法,对自升式平台抗台状态下的结构强度进行分析,从波高、桩腿入泥深度、可变载荷以及悬臂梁外伸出距离等因素进行敏感性分析,结果表明:

1)各工况下悬臂梁的强度均满足规范要求。其中最危险工况为风暴自存状态悬臂梁外伸22.9 m,风向135°,此时应力达到411 MPa(UC值为0.83)。

2)波流载荷、惯性载荷、风载荷在自存工况远大于作业工况,首先采用操船手册中的数据进行初步计算分析,分析中采用的环境条件为50年重现期的波流条件(最大波高20.6 m,波浪周期12.4 s,表面流速2.2 m),风速取51.5 m/s,计算表明,120°载荷方向杆件最大UC值为1.11,不满足规范要求,其他方向UC值均小于1,满足规范要求。

3)调整波高、桩腿入泥深度、可变载荷以及悬臂梁外伸出距离,其中波高受限于作业环境,无法调整,但根据桩腿强度反推了允许波高。平台现场对可变载荷以及悬臂梁外伸出距离可以调整,由于平台的重量发生变化其自振周期以及动力放大系数随之改变,进一步影响了平台惯性载荷。计算表明,在桩靴入泥14.5 m时,悬臂梁外伸12 m,可变载荷控制在955.1 t时,满足结构强度要求。

4)不同地区环境条件差异较大,需要根据实际工况计算允许的可变载荷以及悬臂梁外伸量。