劉 續(xù)，陳 達(dá)，錢亞林

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院， 上海 200120）

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基于Usfos的非線性分析程序研究海洋平臺(tái)的極限承載力

劉 續(xù)，陳 達(dá)，錢亞林

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院， 上海 200120）

摘 要：海洋平臺(tái)極限承載力研究一直是平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的最重要部分，越來越受到人們的關(guān)注。以“勘探二號(hào)”自升式鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象，利用非線性分析USFOS軟件分析計(jì)算了該平臺(tái)的極限強(qiáng)度，評(píng)估了現(xiàn)役平臺(tái)的安全性能。研究結(jié)果表明，“勘探二號(hào)”平臺(tái)在45°環(huán)境極限條件時(shí)平臺(tái)結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)。該研究為現(xiàn)役自升式鉆井平臺(tái)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了一種比較先進(jìn)而精確的方法，對(duì)今后類似海洋平臺(tái)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：極限承載力；非線性分析；安全性能

眾所周知，海洋平臺(tái)在海洋石油工業(yè)發(fā)展中是必不可少的，但是，海洋平臺(tái)都存在使用壽命問題。截止目前，海洋平臺(tái)已有三分之一達(dá)到了設(shè)計(jì)使用壽命，其中，一部分平臺(tái)已經(jīng)報(bào)廢，另外一部分平臺(tái)通過不斷升級(jí)改造和修理，通過了船級(jí)社的評(píng)估和論證，延長(zhǎng)了使用壽命，還在繼續(xù)使用。由于海洋環(huán)境的影響和意外情況的發(fā)生，平臺(tái)在長(zhǎng)期使用中勢(shì)必會(huì)受到一些損傷破壞，從而導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，影響平臺(tái)的安全性能。因此，對(duì)海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)極限承載力的研究顯得十分重要，尤其對(duì)于老齡平臺(tái)。極限承載力的研究分析是平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的最重要的手段和方法。

USFOS軟件是DNV研發(fā)的有限元結(jié)構(gòu)分析程序，它在國(guó)外海洋工程上的應(yīng)用非常多，但它在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還不夠廣泛。該程序在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)遭受碰撞或損壞后的完整性評(píng)價(jià)、垮塌分析、事故載荷分析等方面的應(yīng)用研究具有至關(guān)重要的作用。USFOS能夠精確真實(shí)地模擬垮塌過程，從最初的屈服，到完全倒塌變形，到最后的傾倒過程。本研究就是基于Usfos的非線性分析程序來研究海洋平臺(tái)的極限承載力，平臺(tái)結(jié)構(gòu)材料處于彈塑性狀態(tài)下呈現(xiàn)出非線性特性[1]。

1 分析理論

通過持續(xù)增加平臺(tái)結(jié)構(gòu)的環(huán)境載荷，計(jì)算分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，直到結(jié)構(gòu)因受力較大產(chǎn)生較大變形甚至損傷破壞而不能繼續(xù)承受更大的載荷時(shí)，可以得到結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。研究分析時(shí)要考慮大位移和塑性的影響，單個(gè)結(jié)構(gòu)桿件剛度變化的影響也是需要考慮的因素，如屈曲或塑性。這樣的失效破壞能引起應(yīng)力的重新分布[2]，從而使結(jié)構(gòu)的非線性特性表現(xiàn)突出直至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限受損失效。

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，冗余度[3]較大，屬于高次超靜定體系，其富余的冗余度為平臺(tái)結(jié)構(gòu)抵抗外界載荷作用提供了較大的強(qiáng)度保障；此外，平臺(tái)在制造和施工安裝及平臺(tái)服役期間都會(huì)受到碰撞或者損傷，以及海洋環(huán)境對(duì)平臺(tái)的影響，如腐蝕、變形和疲勞破壞等，從而導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體性能受到影響，極限承載力下降。因此，海洋平臺(tái)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估必須研究結(jié)構(gòu)體系的極限承載能力[4]。

2 工程實(shí)例

2.1 有限元模型

以“勘探二號(hào)”自升式鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象，采用USFOS程序進(jìn)行建模：

（1）根據(jù)桁架式自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用板、梁?jiǎn)卧獊砟M平臺(tái)結(jié)構(gòu)。通過合理的計(jì)算簡(jiǎn)化，將平臺(tái)結(jié)構(gòu)模擬為板梁空間結(jié)構(gòu)。鑒于本文主要研究樁腿結(jié)構(gòu)，因此把主船體簡(jiǎn)化成合理的剛性板梁結(jié)構(gòu)。采用板單元來模擬平臺(tái)的主甲板、機(jī)械甲板及底板、縱橫艙壁等主要結(jié)構(gòu)；其加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)未加考慮。

（2）按照平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸對(duì)樁腿的水平撐桿、水平腹桿以及斜撐桿進(jìn)行建模模擬。弦桿由兩個(gè)半圓管與齒條板焊接而成，而USFOS程序無法模擬這種特殊結(jié)構(gòu)，因此采用等效圓截面法來模擬該特殊結(jié)構(gòu)。樁靴部分采用等效梁來簡(jiǎn)化計(jì)算，未考慮樁靴對(duì)平臺(tái)的影響，假設(shè)認(rèn)為樁靴的強(qiáng)度足夠大。

（3）樁腿和主船體通過樁腿上的齒條與升降裝置上的齒輪連接，模擬結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 齒輪齒條連接模擬模型

（4）板單元采用USFOS程序中4節(jié)點(diǎn)四邊形和3節(jié)點(diǎn)三角形的單元進(jìn)行模擬。

根據(jù)以上模擬處理方法建立“勘探二號(hào)”平臺(tái)整體和樁腿有限元模型，分別如圖2和圖3所示。

圖2 平臺(tái)整體有限元模型

圖3 樁腿有限元模型

2.2 環(huán)境載荷

針對(duì)南海某海域環(huán)境條件，進(jìn)行非線性分析時(shí)選擇該海域環(huán)境最惡劣環(huán)境條件，具體參數(shù)如表1所示。

表1 極端環(huán)境參數(shù)

2.3 載荷組合

在平臺(tái)計(jì)算分析中，選取八個(gè)方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°）施加環(huán)境載荷。因此每個(gè)方向的載荷由兩部分組成：一部分是結(jié)構(gòu)垂向載荷（主要為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備載荷、浮力等）；另一部分是水平環(huán)境荷載。垂向荷載以一步加載到結(jié)構(gòu)上，水平荷載以逐步增加加載到結(jié)構(gòu)上，直到結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷失效。因此，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行分析時(shí)將垂向載荷與水平載荷組合，組合載荷如表2所示。

表2 載荷組合

3 結(jié)果分析

腐蝕對(duì)海洋平臺(tái)帶來了嚴(yán)重的安全隱患[5]，嚴(yán)重影響了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全可靠性?？紤]到腐蝕的影響，假設(shè)均勻腐蝕量為5 mm，使用USFOS計(jì)算分析時(shí)，在USFOS設(shè)定中將最大分析步數(shù)設(shè)定為500，最大加載步長(zhǎng)為1，程序自動(dòng)累加載荷，自動(dòng)步長(zhǎng)，直至計(jì)算不收斂時(shí)程序運(yùn)算停止。當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到了極限狀態(tài)時(shí)，可以得出完好與腐蝕工況下平臺(tái)載荷對(duì)位移的響應(yīng)情況。

程序計(jì)算時(shí)，垂向載荷一步運(yùn)行，水平載荷是逐步施加到結(jié)構(gòu)上的，因此載荷對(duì)位移的響應(yīng)情況在剛開始變化是一樣的，隨著水平載荷的作用，載荷隨著位移變化的增加而不斷增加。根據(jù)載荷對(duì)位移的變化規(guī)律可以得出，平臺(tái)在八個(gè)方向的極限承載力與位移的關(guān)系變化趨勢(shì)是相同的，其在45°方向承載力最小，平臺(tái)在此方向載荷作用時(shí)最危險(xiǎn)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到了極限狀態(tài)時(shí)，用程序提取此時(shí)的結(jié)構(gòu)底部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的基底剪力值，得到結(jié)構(gòu)極限承載力與海洋環(huán)境作用角度數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線圖，見表3和圖4。

表3 平臺(tái)極限承載力數(shù)據(jù)

圖4 極限承載力與載荷作用角度曲線圖

從表3和圖4可以看出，“勘探二號(hào)”平臺(tái)受到腐蝕后，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限承載力明顯下降，完好平臺(tái)在45°極限承載力最小為28 300 kN，而受到均勻腐蝕的極限承載力為24 700 kN，說明腐蝕對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性能的影響還是很大的，但是該平臺(tái)仍具有較大的剩余強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本研究通過利用USFOS非線性分析軟件建立了“勘探二號(hào)”自升式鉆井平臺(tái)的實(shí)體模型，分析了該平臺(tái)的極限承載力，并且考慮了腐蝕對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，得出了“勘探二號(hào)”平臺(tái)仍具有較大的剩余強(qiáng)度的結(jié)論。它具有以下特點(diǎn)：

（1）比較精確地模擬了自升式鉆井平臺(tái)和樁腿的有限元模型，合理簡(jiǎn)化處理了樁靴、樁腿齒條和升降裝置齒輪等結(jié)構(gòu)模型，比較真實(shí)地模擬了平臺(tái)的實(shí)際情況；

（2）發(fā)現(xiàn)腐蝕對(duì)平臺(tái)極限承載力的影響是很大的；

（3）發(fā)現(xiàn)平臺(tái)在八個(gè)方向中處于45°時(shí)極限承載力最弱，但仍然具有較大的強(qiáng)度潛力，該平臺(tái)通過合理的、經(jīng)濟(jì)有效的修理改造和維護(hù)保養(yǎng)，仍然可以繼續(xù)使用數(shù)年；

（4）Usfos非線性分析在海洋平臺(tái)上的應(yīng)用研究為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了一種比較先進(jìn)、精確而有效的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ueda Y，RASHED S M H. Modern Method of Ultimate Strength Analysis of Offshore Structures[C]. International Journal of Offshore and Polar Engineering，1991，1（1）：27-41.

[2]許濱，申仲翰．海洋導(dǎo)管架平臺(tái)的極限強(qiáng)度分析[J]. 海洋工程，1994，12（3）：8-16.

[3]歐進(jìn)萍，肖儀清，劉學(xué)東．導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限承載力分析的整體推進(jìn)法及其軟件[J].海洋工程，1999，17（3）：1-10.

[4]王楠，吳建政，徐永臣，等．硬土層地基破壞模式及承載能力有限元分析[J].海洋石油，2012，32（4）：88-95.

[5]肖儀清，歐進(jìn)萍． 缺陷和損傷對(duì)導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限承載力的影響[J]. 中國(guó)海上油氣，1999，11（6）：16-22.

Study about the Ultimate Bearing Capacity of Offshore Platform with Usfos Nonlinear Analyzing Program

LIU Xu, CHEN Da, QIAN Yalin
（Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

Abstract：Study about the ultimate bearing capacity of offshore platform is an important part of safety assessment on the platform structure. People are paying more and more attention to it. With “KAN TAN 2” jack-up drilling platform as an example, the ultimate bearing capacity of offshore platform was analyzed and the safety performance of the platform in-service was evaluated with the Usfos nonlinear analysis software. The study results indicated that the patform of “KAN TAN 2 ” is in the most dangerous conditions in the 45° extreme environment. This study can provide a more advanced and accurate method for security risk assessment of the jackup drilling platform in-service， and also has some guiding significance for security risk assessment of the similar offshore platform in the future.

Keywords：ultimate bearing capacity; non-linear analysis; safety performance

中圖分類號(hào)：P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.01.083

文章編號(hào)：1008-2336（2016）01-0083-04

收稿日期：2015-10-22；改回日期：2016-01-13

第一作者簡(jiǎn)介：劉續(xù)，男，1990年生，助理工程師，大學(xué)本科，現(xiàn)從事海洋石油工程技術(shù)研究工作。E-mail：liux.shhy@sinopec.com。