自升式海洋平台站立状态下总体性能研究.doc

自升式海洋平台站立状态下总体性能研究 李红涛 摘要：本文以一个桁架桩腿自升式平台为例，通过有限元计算分析，阐述了平台站立状态下几个重要总体性能的校核方法，主要包括①桩腿强度；②锁紧系统（升降系统）承载性能；③预压载性能；④桩靴承载性能；⑤抗倾稳性。本文提供方法和思路对自升式平台使用者及平台设计人员具有一定的指导意义。 关键词：自升式平台；有限元；总体性能；站立状态 Study on General Performance of Jack-up under Elevated Condition Abstract: Methods of checking for jack-up elevated performance including leg structure strength, fixation system or jacking system bearing capacity, pre-load requirement, spud can bearing capacity and overturning stability is suggested in this paper. As a example, a jack-up with truss legs is analyzed by FEA method. This paper may be helpful to the rig owners, operators and designers. Key words: Jack-up; finite element; general performance; elevated condition 1. 引 言 自升式海洋平台是指具有活动桩腿，且其主船体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行作业的平台，此种平台在海洋石油开发中被广泛应用。对于自升式海洋平台，站立状态下总体性能分析是平台作业的重要基础，是平台设计的主要内容[1]，其概括起来可包含以下几个方面：①桩腿强度；②锁紧系统（升降系统）承载性能；③预压载性能；④桩靴承载性能；⑤抗倾稳性。因此，总体性能将直接影响到平台的操作安全及作业能力，是平台使用者最关注的重点。 本文对一个典型的桁架式桩腿自升式平台，通过有限元求解及相应理论分析，试图说明此平台总体性能的计算过程及方法，对工程实践具有一定的指导作用，为工程设计人员提供借鉴。 2. 计算模型 算例中的平台为悬臂梁式自升式平台，采用三角形箱形主船体，配有三个桁架式桩腿，艏一尾二，升降系统为电动齿轮升降系统，每个桩腿弦杆一套；并全船配有9套锁紧系统，在拖航、作业及自存状态下，锁紧系统将桩腿弦杆齿条板锁死；平台每个桩腿带有一个六边形的桩靴，拖航时可收回船底。平台的作业环境条件及参数如下表1所示。 表1 环境条件及作业参数 Tab.1 Environment Condition and Operating Parameters 环境条件 作业工况 自存工况 水深（m） 106.7 106.7 最大波高（m） 10 15.24 波浪周期（s） 11 15 最大风速（m/s） 36 51.4 流速（m/s）： 0.51 0.51 气隙（m） 15.24 15.24 最大可变载荷（t） 3500 2500 船体总重量（t） 12380 11000 根据该平台结构特点，建立如图1所示的有限元模型，所有结构由梁单元模拟。 图1 有限元模型 Fig.1 FE Model 2.1 船体的模拟 总体分析中不考虑船体结构强度，所以采用梁对船体进行模拟，将船体纵、横剖面视为箱形结构，模型中的梁单元组合截面特性按如下方式进行定义：①面积与实际船体截面一致；②y、z方向的惯性矩与实际船体截面一致；③扭转惯性矩与实际船体截面一致。通过以上方面的定义，从而保证了模型船体与实际船体刚度的一致。表2为模拟船体的梁剖面的相关特性。 表2 模拟船体的梁特性 Tab.2 Characteristics for Hull Beam 特性 纵向梁 横向梁 轴向面积 0.15 0.18 扭转惯性矩 6.43 9.26 抗弯y向惯性矩 0.87 1.05 抗弯z向惯性矩 76.21 92.89 2.2 桩腿的模拟 桩腿是自升式平台最为关键的结构，且因结构形式复杂，在有限元建模中最难处理。本算例桩腿为桁架式桩腿，桩腿弦杆为齿条板与圆管的组合结构，截面如图2所示。模型中弦杆为自定义梁单元，既保证其刚度与实际弦杆刚度一致，又要保证其水动力系数具有足够的精度。桩腿弦杆的剖面特性见表3。 图2 桩腿截面 Fig.2 Leg Section 表3 桩腿弦杆特性 Tab.3 Characteristics for Leg