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储油沉垫对自升式平台桩腿的力学影响研究
张棣1, 王言哲2, 徐兴平2, 孙诗杰1     
1. 海洋石油工程股份有限公司;
2. 中国石油大学(华东)
摘要: 为了研究海洋环境中储油沉垫对自升式平台桩腿的力学影响,采用Froude-Krylov假定法计算沉垫所受波流力,并在ANSYS中建立有限元模型,分析对普通自升式平台和沉垫自升式平台桩腿最大应力的变化规律。研究结果表明:当沉垫距离海平面较近时,沉垫所受波浪载荷是桩腿应力的主要来源,其应力值高于相同位置的普通自升式平台,风载荷是后者桩腿应力的主要来源;当沉垫距离海平面较远时,沉垫所受海流的F-K力可忽略不计,普通自升式平台桩腿最大应力高出沉垫自升式平台。最后指出储油沉垫增加了桩腿的结构强度。
关键词: 储油沉垫     自升式平台     桩腿     力学性能     波浪载荷     风载荷    
Study on the Mechanical Effect of Oil-storage Mat on Jack-up Platform
Zhang Di1, Wang Yanzhe2, Xu Xingping2, Sun Shijie1     
1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd;
2. China University of Petroleum (Huadong)
Abstract: To study the mechanical effects of the oil-storage mat on the leg of the jack-up platform in the marine environment, the Froude-Krylov hypothesis was used to calculate the wave force on the mat.The finite element model was established in ANSYS to study the effect of oil storage mat on the maximum stress of leg of common jack-up platform and the mat supported jack-up platform.The results show that when the mat is close to the sea level, the wave load is the main source of leg stress, which is higher than that of the common jack-up platform, whose main load source of spud leg stress is the wind load.When the mat is far from the sea level, the F-K force of the current on the mat is negligible.The maximum stress of spud leg of the common jack-up platform is higher than that of the mat supported jack-up platform.The oil storage mat increases the structural strength of the spud leg.
Key words: oil-storage mat     jack-up platform     spud leg     mechanical property     wave load     wind load    

0 引言

带有储油沉垫的自升式平台以较大的储油能力见长,有较好的生产连续性,能够降低石油开发成本,特别适用于海上边际油田的开发[1-3]。储油沉垫会影响自升式平台桩腿的力学性能[4-5]。桩腿所受风载荷已有成熟计算方法,桩腿所受波流载荷常用改进的Morison方程计算[6-7],而沉垫在海洋环境中所受到的波流载荷需要考虑入射波的绕射效应和自由表面效应[8]。笔者采用Froude-Krylov假定法对沉垫载荷进行计算,在ANSYS中建立有限元模型,分析沉垫自升式平台与普通自升式平台桩腿的力学性能,研究储油沉垫对自升式平台桩腿的力学影响。

1 沉垫自升式平台简介

沉垫自升式平台与坐底式平台相似,都是通过沉垫坐于海底,沉垫为平台提供坐底稳性和压载调节能力。沉垫中的储油舱使平台具有较大的储油能力,生产连续性好。沉垫自升式平台在边际油田的开发中有广泛的应用前景。沉垫自升式平台结构如图 1所示。

图 1 沉垫自升式平台示意图 Fig.1 Schematic diagram of mat supported jack up platform

2 储油沉垫载荷分析

储油沉垫属于大尺度方形潜体,需要考虑绕射效应和自由表面效应,将F-K力(采用Froude-Krylov法[9]计算所得载荷) 乘上相应的绕射系数C进行修正。

F-K力的一般形式为:

(1)

式中:F为沉垫所受波浪力,N;C为绕射系数;FK为F-K力,N。

FK的计算方法为:

(2)

式中:ρ为海水密度,kg/m3V0为沉垫排水体积,m3为没有沉垫时沉垫所占体积内所有未被扰动的海水的加速度。

作用于沉垫的水平和垂直波浪力FHFV分别为:

(3)
(4)

式中:pxpz分别为沉垫表面上任意点处未受扰动入射波压力在x轴和z轴上的分量,Pa;S为沉垫表面积,m2CH为水平绕射系数;CV为竖直绕射系数。

线性波未扰动入射压力p为:

(5)

式中:H为水深,m;Hb为波高,m;k为波数,xx轴坐标值,ω为相位角,t为时间。

把式(5) 带入式(3) 和式(4) 中,即可得到作用于沉垫上的波浪力。

沉垫尺寸如图 2所示。沉垫在xyz方向的长度分别为x0y0z0,沉垫形心距海底的距离为z,波浪沿x轴正方向传播,p1p2p3p4分别为未扰动入射波在沉垫各表面上的压力。

图 2 沉垫所受载荷示意图 Fig.2 Schematic diagram of the loads on the mat

作用于沉垫上的水平波浪力为:

(6)

其中,x1x2x轴坐标,x2-x1=x0,所以式(6) 中:

(7)

因此水平波浪力为:

(8)

同理,作用于沉垫上的垂直波浪力为:

(9)

由式(8) 可以看出,当海况和沉垫位置均不变时,为固定值,作用于沉垫上的水平波浪力为随时间变化的正弦曲线;同理,由式(9) 可以看出,当海况和沉垫位置均不变时,为固定值,作用于沉垫上的垂直波浪力为随时间变化的余弦曲线。

CHCV的影响因素包括沉垫的相对尺寸、相对水深和相对波陡,笔者采用竺艳荣[9]提出的绕流系数,CHCV分别取1.05和0.86。

3 实例计算 3.1 平台尺寸及环境参数

选取尺寸相同的具有沉垫的自升式平台和普通自升式平台,具体尺寸及环境参数如表 1所示。将桩腿等分为30节,主甲板以上桩腿节数为i,主甲板以下桩腿节数为j。当沉垫紧靠主甲板时,有i=26、j=0。

表 1 平台尺寸及环境参数 Table 1 The dimension of the platform andenvironmental parameters
名称 数值
主甲板
(长×宽×高)/m
60.0×45.0×7.5
沉垫
(长×宽×高)/m
60.0×40.0×7.5
桩腿长度/m 133
桩腿节距/m 3.77
水深/m 80
风速/(m·s-1) 30
最大波高/m 6.2
水面海流速度/
(m·s-1)
1.65

3.2 沉垫受力情况 3.2.1 桩腿风载荷

风载荷作用于主甲板以上桩腿所产生的风力按式(10) 计算。桩腿所受风力为[10]

(10)

式中:Sw为受风面积,m2,根据CCS规范,桁架式桩腿的受风面积近似地取每侧满实投影面积的30%,形状系数取1.3;Ch为受风构件高度系数,取1.10;Cs为受风构件形状系数,取1.00;p为风压,MPa。

3.2.2 桩腿波流载荷

用改进的Morison方程计算桩腿波流载荷[10]

(11)

式中:fD为拖曳力,N;fI为惯性力,N;D为立管外径,m;CD为拖曳力系数;uw为波浪引起的水质点速度,m/s;uc为海流引起的水质点速度,m/s;Cm为惯性力系数;aw为波浪引起的水质点加速度,m/s2

3.2.3 沉垫波流载荷

沉垫处于不同位置时所受水平及垂直方向绕流力如表 2所示。

表 2 沉垫位置不同时对应的FHFV Table 2 The corresponding FH and FV with the mat fixedin different locations
i j |FH|/N |FV|/N
26 0 2.462 9×107 1.886 1×107
24 2 8.555 2×105 6.551 4×105
22 4 2.875 3×104 2.201 9×104
20 6 966.327 3 739.999 0
18 8 32.476 0 24.869 7
16 10 1.091 4 0.835 8

表 2可知,对所选沉垫自升式平台,在给定海洋环境下,当i<18、j>8,即沉垫处于距离海平面30 m以下时,依据Froude-Krylov假定法计算得到的绕流力可以忽略不计。

3.3 建立有限元模型

依据表 1,在ANSYS中建立沉垫自升式平台、普通自升式平台的有限元模型,如图 3所示。其中,桩腿采用PIPE59单元,沉垫及甲板外壳采用SHELL63单元,沉垫及甲板中骨架采用BEAM4单元,材料弹性模量均为210 GPa,密度7 850 kg/m3。模型中,x轴为沉垫长度方向,y轴为沉垫宽度方向,z轴为竖直方向。

图 3 平台整体有限元模型 Fig.3 The finite element model of the whole platform

波浪载荷采用Stokes五阶波理论施加,相位角的取值对于作用于结构的波流载荷值影响较大。因此在进行分析之前,需要对相位角从0°~360°进行全方位的搜索,以找到波流耦合力最大时的相位角取值,以此结果施加风、浪、流载荷。

波浪入射方向与x轴正方向相同时记为0°,经过对波浪入射角分别为0°~90°的搜索,波流耦合力最大时相位角与入射角的对应关系如表 3所示。

表 3 波流耦合力最大时相位角与入射角的对应关系  (°) Table 3 The relation of the phase angle and incidence angle under the maximum wave current bonding force   (°)
入射角 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
相位角 340 340 107 103 44 45 50 113 347 31

在波浪入射角为0°时,取波流耦合力最大时的相位角340°进行分析。

将主甲板固定于海平面上,逐渐增加沉垫与主甲板的距离,观察桩腿在风、浪、流载荷作用下的受力情况,沉垫在不同位置时的编号用j来表示,因j代表了沉垫与主甲板之间桩腿节数。

3.4 计算结果及分析

桩腿下降,沉垫与主甲板间距离增加时,j从1开始增大,沉垫自升式平台j=1和j=10时桩腿等效应力分别如图 4图 5所示。

图 4 沉垫自升式平台j=1时桩腿应力图 Fig.4 The leg strain of mat supported jack up platformwhen j=1

图 5 沉垫自升式平台j=10时桩腿应力图 Fig.5 The leg strain of mat supported jack up platformwhen j=10

沉垫自升式平台和普通自升式平台桩腿应力最大值及其位置如表 4所示。

表 4 部分位置下桩腿的应力最大值 Table 4 The maximum strain of leg when it was fixedin different location
j 沉垫自升式平台 普通自升式平台
应力/MPa 最大应力位置 应力/MPa 最大应力位置
1 155 主甲板以下 103 主甲板以上
5 82 主甲板以下 86 主甲板以上
6 78 主甲板以下 91 主甲板以下
10 64 主甲板以下 136 主甲板以下
15 87 主甲板以下 159 主甲板以下
18 101 主甲板以下 161 主甲板以下

分析表 4可知:对于普通自升式平台,当j < 6,即主甲板以上的桩腿较长时,桩腿应力最大处位于主甲板以上,此时,风载荷对桩腿的影响较大;当j≥6,即主甲板以下桩腿长度超过17 m时,桩腿应力最大处开始出现在主甲板以下,此时,波流载荷对桩腿的影响较大。

分析图 4图 5表 4可知:对于沉垫自升式平台,沉垫在靠近主甲板时会受到较大的波流载荷,因此桩腿应力最大处始终处于主甲板以下。沉垫自升式平台与普通自升式平台桩腿的位置-应力关系如图 6所示。

图 6 不同平台桩腿位置-应力关系图 Fig.6 Relationship between location and strain of the leg

图 6可以用于平台升降工况下桩腿力学变化规律的研究。以沉垫下放过程为例进行分析,分析结果如下。

(1) 对于沉垫自升式平台,可以将沉垫的下放过程分为3个阶段:①应力迅速下降阶段。沉垫下降初始阶段,即刚开始下降2个桩腿节距时,桩腿最大应力迅速减小。②应力平稳下降阶段。沉垫下降3~10个节距,此时桩腿最大应力下降幅度较上一阶段明显减小,并且桩腿应力与下降距离基本呈线性关系。③应力平稳上升阶段。沉垫下降10个节距以后,随着桩腿的继续下降,桩腿最大应力逐渐增大,并且桩腿应力与下降距离基本呈线性关系。

(2) 对于普通自升式平台,亦可以将其桩腿的下放过程分为3个阶段:①应力下降阶段。桩腿下降1~5个节距时,桩腿最大应力逐渐减小。②应力上升阶段。桩腿下降6~14个节距时,桩腿最大应力逐渐升高,并且桩腿最大应力的升高幅度与随桩腿下降距离的增大而减小。③应力平稳阶段。桩腿下降14个节距以后,随着桩腿的继续下降,桩腿最大应力逐渐稳定。

(3) 平台的桩腿下降前2个节距时,沉垫自升式平台桩腿最大应力高出普通自升式平台。沉垫自升式平台的桩腿最大应力来自沉垫所受的波流载荷,普通自升式平台的桩腿最大应力来自风载荷。

(4) 平台的桩腿下降超过6个节距时,普通自升式平台桩腿最大应力高出沉垫自升式平台。平台的桩腿下降超过10个节距时,普通自升式平台桩腿最大应力高出沉垫自升式平台1倍以上。原因是随着桩腿的不断下降,沉垫所受海流的F-K力较小,而与普通自升式平台相比,沉垫的存在增加了桩腿的结构强度。

4 结论

(1) 完全浸没于海水中的沉垫属于大尺度方形潜体,需要考虑入射波的绕射效应和自由表面效应,可采用基于模型试验的F-K假定法计算沉垫所受波浪力。

(2) 当沉垫距离海平面较近时,沉垫所受波浪载荷是桩腿应力的主要因素;对相同位置的普通自升式平台来说,风载荷是桩腿应力的主要因素。当沉垫距离海平面较远时,普通自升式平台桩腿最大应力高出沉垫自升式平台,原因是沉垫所受海流的F-K力较小。与普通自升式平台相比,沉垫的存在增加了桩腿的结构强度。

(3) 对桩腿下放工况进行有限元研究时,将平台完全约束于海面,而现实中,平台在风浪流载荷作用下会出现周期性的摇晃运动,因此可以认为:在沉垫下放过程中,桩腿最大应力在桩腿位置-应力关系曲线附近做周期性变化。

参考文献
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[10] 徐兴平. 海洋石油工程概论[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2009: 130-131.

文章信息

张棣, 王言哲, 徐兴平, 孙诗杰
Zhang Di, Wang Yanzhe, Xu Xingping, Sun Shijie
储油沉垫对自升式平台桩腿的力学影响研究
Study on the Mechanical Effect of Oil-storage Mat on Jack-up Platform
石油机械, 2016, 45(02): 45-49
China Petroleum Machinery, 2016, 45(02): 45-49.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.02.011

文章历史

收稿日期: 2016-10-08

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