自升式平台压载量准静态计算方法应用研究

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图2 海洋石油 941 平台等效有限元模型
计算程序
941 平台作业海况条件为水深 100 m 、 波高 22
3 1 波流载荷计算
第 22 卷
第3期
宋林松等 : 自升式平台压载量准静态计算方法应 用研究
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m、 流速 0 51 m/ s、 波浪周期 15 5 s、 风速 44 8 m/ s、 平台气隙 19 8 m 、 桩靴入泥深度 3 . 1 m 。 由于 水 深 较 大 , 利 用 St okes 五 阶 波 理 论 和 Mo rison 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。
式( 1) 中: T p 为平台自振周期, s; T 为波浪周期 , s; 为阻尼系数 , 一般取 = 0 05~ 0 07。 自升式平台 站立状态 的振动 周期一 般为 3 ~ 15 s, 低于波浪周期 , 平台 一般不 会与波 浪产生 共 振 。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]
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 ( C D ) 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。
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 CONF IDEN CE 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。
图3 表1
作用力 自重及可 变载荷
波流载荷及平台重心横向位移计算结果 平台桩腿反力及平台重心横向位移计算结果
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。
横向载荷 重心横向 ( kN ) 位移值 ( m) 0 0 0 569 0 353 0 572 0 030 1 524
桩腿反力 ( k N) 左桩腿 62 082 0 右桩腿 61 873 4 前桩腿
油 941 平台第一阶自振周期为 9 69 s; 利用式 ( 1) 计 算动态放大系数为 1 642; 惯性载荷 F i 利用式 ( 2) 计算。 F i = ( DAF - 1 ) ( F w, m ax - F w, m in ) / 2 ( 2)
式 ( 2) 中 F w , man 、 F w , m in 分别为波流力的极大值和极小 值。计算得出的 F i 为 2 615 3 kN ( 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 距离, 即在平台上施加了 P & 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 & 。 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 1 524 m, 平台的最大桩腿反力为 94 638 5 kN, 该 反力低于 操船 手 册规 定 的预 压 载最 小 桩 腿反 力 105 546 0 kN( 10 770 t ) 1) , 但相差不大。最后还要
第一作者简介 : 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。
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中国海上油气
2010 年
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 SNAM E 5 5A 给出的时域或随机 动态分析法计算 DAF =
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67 190 6
方法应用
在某次海外作业平台的适应性分析中, 由于作
4 1 应用实例
8 063 7 - 4 326 0 - 3 785 9 6 575 6 - 3 238 4 - 3 337 2 11 000 9 - 5 185 0 - 5 816 0 6 916 3 - 3 451 2 - 3 466 0 94 638 5 45 672 8 50 785 5
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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。
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。 关键词 准静态法 自升式平台 环境载荷 压载量计算 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。
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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
1) H ai Y ang S hi Y ou 941 M arine O perat ing M anu al. 2006.
196 表 2 COSL CONFIDENCE 平台作业环境 载荷 及桩腿反力 、 压载量计算结果
桩腿反力 作用力 自重及可变载荷 波流载荷 ( 极小值 ) 波流载荷 ( 极大值 ) 风载荷 二次弯曲效应 压载量 横向载荷 左桩腿 0 189 2 233 4 863 0 54 088 - 277 1 442 3 295 584 59 409 右桩腿 55 004 136 - 737 - 1 534 - 291
[ 1]
注 : ∀ 桩腿反力出现负值说明该工况下桩腿反力减小; # 本 次计算 按照 A BS 规范 进行 , 部 分系数 与 S N A M E 5A 不 同。
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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
第 22 卷 第 3 期 2010 年 6 月
中国海上油气
CHIN A OF FSH OR E O IL A ND G A S
V ol. 22 N o. 3 Jun. 2010
自升式平台压载量准静态计算方法应用研究
宋林松பைடு நூலகம்
摘
王建军
黎剑波
( 中海油田服务股份有限公司 )
要 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
波流载荷 6 185 6 极大值 惯性载荷 2 615 3 风载荷 二次弯曲 效应 合计 4 244 4 0 13 045 3
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 20 m 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 , 尝试根据环境条件确定实际压载量。 以 COSL CONF IDENCE 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 21 m, 水面流速为 1 1 m / s, 泥面流速为 0 4 m / s, 最大波 高为 9 8 m, 最大风速为 36 7 m/ s; 该平台桩腿反 力、 压载量计算结果见表 2。
。
2 2
1- ( T p/ T )
+ ( 2 T p/ T )
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- 1/ 2
( 1)
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: ∀ 刚性连接; # 存在转动刚度的弹性连接; ∃ 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 19 817 t , 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: ∀ 海 床面 3 m 以 下铰接; # 桩 靴中部铰接 ; ∃ 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。