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自升式钻井平台结构强度的有限元分析

发布于:2020-03-24 18:29
有限元分析

      自升式钻井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钻井作业的平台,此种平台在海洋石油开发中被广泛应用。自升式海洋平台与导管架固定平台相比,结构整体柔性较大,振动响应较为强烈,且随着海洋工程向深海发展,环境越来越恶劣,载荷不确定因素增多,因此,自升式钻井平台的结构安全越来越受到重视,而结构强度有限元分析自然就成为设计阶段的重要研究内容。  
      本文以自升式钻井平台的结构安全为目的,阐述了结构强度理论,包括屈服强度理论、屈曲强度理论和疲劳强度理论;并结合自升式钻井平台结构特点,提出了总体性能分析、船体强度分析及局部强度分析3个主要的结构强度分析;最后以一析架式桩腿的自升式钻井平台为例,通过有限元分析和求解,阐述此类移动平台结构强度分析的过程及方法,对工程实践有引导作用,并为工程设计人员提供借鉴。
      自升式钻井平台结构强度失效形式主要有3种,即屈服强度失效、屈曲强度失效及疲劳强度失效。对于桩腿、甲板间支撑等独立构件,其屈服强度应满足下式:疲劳校核的目的是确保平台结构在营运期间有足够的疲劳寿命,一般不应少于20年。发生疲劳破坏的结构一般要承受循环载荷,自升式钻井平台易发生疲劳的位置为析架式桩腿的杆件节点处,因此务需对之进行疲劳分析。疲劳强度校核一般采用谱分析方法,具体过程可参见文献。
      根据自升式钻井平台的工作特性和结构特点,其结构强度分析可分为总体性能、船体强度及局部强度分析。自升式钻井平台的总体性能分析主要是考核其站立工作状态下的整体安全情况,包括桩腿强度、锁紧系统(升降系统)承载性能、预压载性能、桩靴承载性能及抗倾稳性。总体性能会直接影响平台的操作安全及作业能力,因此需予重点关注。具体计算方法和过程请详见参考文献。   
      平台设计时,应确保船体具有足够的强度,除承载设备及人员外,还能抵御环境载荷及功能载荷产生的不利影响。船体强度的失效形式主要为船体板或梁发生屈服、屈曲。受力主要工况为站立工况和拖航工况。站立工况下,预压载和悬臂梁外伸状态,船体受力最大,预压载时,船体压载舱和甲板的应力较高,悬臂梁外伸作业时,悬臂梁底座处主甲板及舱壁受力较大,且围阱周围的结构应力较高;拖航工况下,桩腿和固桩结构局部强度分析主要是对自升式平台局部受力较大的结构单独进行计算分析。根据自升式钻井平台的结构特点,应予强度分析的局部结构为:围阱区、桩靴、生活楼、直升机甲板、吊机底座、悬臂梁、钻台、设备底座等。局部结构一般所受工作载荷较大,因此,这些结构在设计时强度应予保证。局部强度分析一般采用有限元分析方法,由计算得到的应力进行板的屈服、屈曲校核。

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