自升式平台穿刺过程结构响应研究.pdf

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第31卷第3期海洋工程V01．31No．32013年5月THE0CEANENGINEERINGMay2013文章编号：1005-9865(2013)03-0024-07自升式平台穿刺过程结构响应研究张爱霞，段梦兰。(1．大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024；2．中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京100028；3．中国石油大学(北京)海洋油气研究中心，北京102249)摘要：为减少自升式平台穿刺造成的损失，需要对自升式平台穿刺过程中的结构响应进行研究。根据某典型平台图纸，使用有限元法建立细化模型。在穿刺过程中采用CONNECTOR单元及非线性弹簧模拟自升式平台围阱区的齿轮齿条接触及桩土作用。考虑到模型中包含的高度非连续过程，穿刺过程采用显式动力学方法求解。通过分析模型穿刺后的结构形态，危险点分布，穿刺速度对结构的影响及预压载值的变化，探讨自升式平台穿刺过程中的结构响应特征。结果表明：平台导向板附近桩腿结构最容易在穿刺中损坏；穿刺速度对与桩靴相连的桩腿结构影响很大；为减少穿刺对结构的影响，可以考虑主动刺穿或减少气隙进行单桩预压载等措施。关键词：自升式平台；穿刺；有限元法；显式方法；结构响应中图分类号：P751文献标识码：AStructuralresponseofJackupduringpunch—throughZHANGAi—xia．DUANMeng—lan(1．SchoolofNavalArchitecture，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China；2．EngineeringDesignInstituteofCNPCOffshoreEngineeringCo．，Ltd．，Beijing100028，China；3．OffshoreOil／GasResearchCenter，ChinaUniversityofPetroleum(Bei—jng)，Beijing102249，China)Abstract：Inordertoreducethelossinthepunch—throughaccidentofJackup，thestructuralresponseofJackupduringpunch—throughneedstobestudied．AdetailedmodelisestablishedbasedonatypicalJackupwithFiniteElementMethod(FEM)．CONNECTORele—meritandnon—linearspringareusedtosimulatetheleg／hullconnectionandspudcan—soilinteraction．Consideringthenon·linearitycon—rainedinthismodel，timedomainanalysisisconductedwithexplicitanalysismethodforpunch—through．Throughanalyzingtheshapechangeofhullandlegafterpunch—through，thedistributionofdangerouspoints，effectsofpunch-throughspeedonthestructureandchangesofpreload，somestructuralresponsecharacteristicsofpunch—througharedetermined．Thestudydemonstrates：pilelegstructurearoundguidingplateismosteasilydamagedandpunch—throughspeedhasgreatinfluenceonthepilelegstructurestrengthconnectedtospudcan．Toreducethelosscausedbypunch—through，themeasuresaresuggestedaccordingtotheanalysis，suchasactivepunchthroughorpreloadingundersmalleringap．Keywords：Jackup；punch—through；finiteelementmethod；explicitanalysis；structuralresponse自升式钻井平台是海上油田开发的重要设备，可用于钻井、修井、试油、试采等作业，由于其具有定位能力强、作业稳定性好等优点，在近海石油开发中得到广泛应用。但是由于海底地层的复杂性以及平台操作过程中桩土作用的复杂性，给白升式钻井平台的作业安全带来了巨大的挑战，其中平台穿刺是危害性最大的事故。轻者会导致平台结构损坏，影响正常作业计划，耗费大量的修理费用；重者会导致平台倾覆，人员伤亡，收稿日期：2012-07-24基金项目：国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2008AA092701-3)作者简介：张爱霞(1974一)，女，山东济宁人，博士生，从事海洋工程结构设计研究。E-mail：zhangax．cpoe@cnpc．com．cll通讯作者：段梦兰。E—mail：mlduan@cup．edu．ca 第3期张爱霞，等：自升式平台穿刺过程结构响应研究29危险区域分别是桩腿与桩靴接触点c1，桩腿与上导向板的接触点RP1以及桩腿与下导向板的接触点RP2。图9比较了在三种穿刺速度下，这三个危险区域的应力变化，图中横坐标为穿刺深度。图9三种工况FC1、RP1及RP2点的穿刺深度一应力曲线Fig．9ThecurveofpenetrationdepthDwithrespecttostressofC1，RP1andRP2penetrating2m随着穿刺速度的增加，平台整体结构损伤速度是加快的；较快的穿刺速度使桩靴的惯性力更大，因而对桩靴与桩腿的连接处c1的影响最大。但是当穿刺速度为1S2m时，这种惯性力的影响减弱了很多。另外穿刺速度对RP2点处的结构强度影响比RP1点处大，这是因为RP2点离海床更近。3．4预压载变化根据模型，穿刺前平台船体重心在(一18．1，一0．0628，4．31)，各桩腿预压载相等，均等于平台总重的1／3。目标平台的设计单桩预压载为35MN。但是随着穿刺，平台整体结构发生倾斜，取船体在各工况下穿刺后三个顶点在竖直方向上的位移变化说明，如表1。可见平台船体重心改变，平台重力在各桩腿表1穿刺后船体形态变化Tab．1Configurationchangeofhullafterpunch-through上的分布不再均等。平台预压载将不再是由各桩腿平均分配H。桩腿在土体中出现一个较小的滑移时，船体重心随之改变，穿刺桩腿上的预压载将很快得到额外的增量。穿刺速度越快，这种情况越严重。但是如果平台倾斜入水，平台将获得额外的浮力，穿刺桩腿上的穿刺荷载随之减小。这样桩腿的穿刺荷载与预先的设计预压载不一致，这是导致预估穿刺深度与实际穿刺深度不一致的原因之一。4减轻穿刺损失的措施由上文的分析可知，穿刺会对平台结构造成巨大的损害。为尽量减少穿刺事故带来的损失，平台建造者和操作者可以考虑以下两种措施：1)主动刺穿¨。在容易发生穿刺的区域，通过提高平台预压载的方式主动刺穿硬土层，重新寻找稳定的承载土层。但是这样操作会使平台插桩深度更大，有可能超出平台的作业能力，因此在决策前应仔细评估目标井位的地质条件。同时由于主动刺穿后，土层承载力会突然降低，造成类似穿刺事故的效果，因此需要对桩腿形态进行监控。目前国外先进的自升式钻井平台都配备了RPD(rackphasedifference)监测系统。2)减小气隙进行单桩预压载。分析表明穿刺时船体会向穿刺腿倾斜，如果此时气隙较小，平台可以很快倾斜入水。平台获得的浮力将有助于减缓穿刺速度，降低穿刺停止时的人泥深度，从而减少平台结构的损伤。5结语在模型试验较为困难的条件下，通过有限元法研究平台穿刺时的动力响应不失为一种有益的尝试。通过使用细化模型对穿刺事故中平台结构响应进行有限元分析，发现平台导向板附近桩腿结构最容易在穿刺 30海洋工程第31卷中损坏；由于桩靴惯性力的影响，穿刺速度对与桩靴相连的桩腿结构影响很大。同时由于穿刺过程中平台向穿刺腿方向旋转，预压载开始向穿刺腿集中。为减少穿刺对结构的影响，可以考虑主动刺穿或减少气隙进行单桩预压载，但是需要严格控制刺穿深度。参考文献：[1]HossainMS．Newmechanism—baseddesignapproachesforspudcanfoundationsinclay[D]．Noongarland：TheUniversityofWesternAustralia，2008．[2]TehKL，LeungCF，ChowYK．Predictionofpunch-throughforspudcanpenetrationinsandoverlayingclay[C]／／OffshoreTechnologyConferenceHouston．2009：．[3]戴兵，段梦兰，宋林松，等．自升式钻井平台穿刺分析[J]．科技导报，2010，28(17)：63-66．[4]DongWeiliang．RecentadvancesonoperationofJackuprigsinChina[C]／／ProceedingsoftheTwenty—first(2011)Internation—alOffshoreandPolarEngineeringConference．2011．[5]张浦阳．海上自升式钻井平台插／拔桩机理及新型桩靴静／动承载力研究[D]．天津：天津大学，2008．[6]HossainMS，RandolphMF．Spudcanfoundationsonmulti-layeredsoilswithinterbeddedsandandstifclaylayers[C]／／Pro—ceedingsoftheTwenty—first(2011)InternationalOffshoreandPolarEngineeringConference．2011．[7]TechnicalandResearchBulletin5·5A，GuidelinesforSiteSpecificAssessmentofMobileJack—upUnits{S1．NewJersey：Socie—tyofNavalArchitectsandMarineEngineers，2007．[8]MSC．OverallBasicDesignforJack．upfM1．Schiedam：GustoMSC，2007．[9]ABAQUS，Inc．AbaqusAnalysisUsergManual[M]．USA：ABAQUS，Inc，2007．[10]赵军，张爱霞，段梦兰，等．自升式钻井平台方形桩靴地基极限承载力理论解[C]／／第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集．北京：海洋出版社，2011．[11]YukioUeda，SherifMHRashed，TakaakiIshihama，ela1．UltimatestrengthofJack—upRjgsinSurvivalandPunch—throughConditions[J]．JournalofTheSocietyofNavalArchitectsofJapan，1986，16(2)：393-403．[12]王勖成．有限单元法[M]．北京：清华大学出版社，2003．[13]庄茁，由小川，廖剑辉，等．基于ABAQUS的有限元分析和应用[M]．北京：清华大学出版社，2009．[14]BrennanR，DianaH，StonorRWP，eta1．Installingjackupsinpunch—through—sensitiveclays[C]／／HoustonOffshoreTechnol—ogyConference．2006．[15]DaiBing，HeNing，DuanMenglan，eta1．Proactivepredictionmethodsofpunch—throughanalysisonJack—uprigs[C]／／Pro—ceedingsoftheTwentieth(2010)InternationalOffshoreandPolarEngineeringConference．2010．[16]李红涛．RPD在自升式海洋平台上的应用[J]．中国海洋平台，2010，25(5)：25—32．