CN102966127B - 确定自升式钻井平台三角形桁架式桩腿拖航载荷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定自升式钻井平台三角形桁架式桩腿拖航载荷的方法，包括如下步骤：S1、设计或测定三角形桁架式桩腿的相关参数。S2、分七种基本工况，分别计算惯性载荷。S3、分别获得各种工况下载荷比例因子。S4、获得总惯性载荷，横摇、纵摇工况总惯性载荷，分别为各自载荷的线性组合。本发明无需利用直接法进行惯性载荷的确定，省略了创建水动力模型、创建质量模型、运动响应分析和运动响应预报的过程。本发明采用简化的方法得到惯性载荷，整个过程简便快捷，结果可靠。得到的载荷加载到结构分析模型上也十分简便，大大提高了拖航工况下的桩腿强度分析工作效率。

Description

确定自升式钻井平台三角形桁架式桩腿拖航载荷的方法

技术领域

本发明涉及一种海洋工程技术领域，更具体地说，涉及设计阶段钻井平台桩腿拖航载荷的确定方法。

背景技术

自升式钻井平台在船厂建造完毕后，需被拖船拖至作业地点，该过程称之为拖航。在拖航过程中，三角形桁架式的桩腿高高矗立于主船体上，由于桩腿长度较长，因此平台较小的加速度也能在桩腿上引起较大的惯性载荷，可能导致桩腿结构的破坏损伤。计算分析拖航工况下作用在桩腿上的惯性载荷并进一步对桩腿进行强度评估是保证桩腿甚至整个自升式平台结构安全性的重要工作之一。

如图4所示，自升式平台包括三条桩腿，分别位于平台艏部、左舷和右舷，位于平台艏部的桩腿称之为前桩腿，位于平台左舷和右舷的两条桩腿称之为后桩腿，每条桩腿呈等边三角形桁架式结构。

上述三角形桁架自升式平台是目前数量最多的钻井平台。拖航包括油田拖航和远洋拖航两种工况。此时，自升式钻井平台的桩靴收入主船体内，长长的桩腿矗立在主船体以上，平台较小的运动也将在桩腿上产生较大的惯性载荷，给桩腿的强度带来了较大的安全隐患。拖航工况下自升式钻井平台的运动较为复杂，其所遭受的载荷主要有平台运动引起的惯性载荷、自重以及风载荷等。

现有技术下，平台拖航时桩腿所遭受载荷的获取方法以及载荷加载的方法是：

1、利用直接确定方法对包含主船体以及桩腿的自升式钻井平台进行拖航工况运动响应分析。直接确定方法需要首先创建平台的水动力模型和质量模型，利用复杂的边界元方法计算平台所遭受的水动力载荷，后将平台视为刚体，进一步对平台的运动响应进行分析；

2、根据运动响应分析结果和拖航的海况进行运动响应预报，得到桩腿运动的角加速度或者加速度；

3、根据加速度值计算得到作用在桩腿上的惯性载荷；

4、根据半经验半理论的Morison公式进行风载荷的计算；

5、将惯性载荷、风载荷以及自重等手动加载到结构模型上进行强度分析校核等。

直接确定方法涉及到运动响应分析和运动响应预报，求取惯性载荷的过程较为复杂，加上风载荷的计算和载荷的手动加载，使得整个计算分析过程十分的麻烦，工作效率低下。

发明内容

本发明根据自升式钻井平台的拖航特点，归纳出确定自升式钻井平台等边三角形桁架式桩腿在拖航工况下所遭受载荷的简便方法，在设计或测定相关平台模型参数后，通过公式计算即可得到结构分析所需要的载荷。可使用本方法对所有自升式钻井平台或类似平台进行拖航工况下三角形桁架式桩腿载荷的确定，且载荷的加载过程十分简便，大大提高了工作效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种确定自升式钻井平台三角形桁架式桩腿拖航载荷的方法，包括如下步骤：

S1、设计或测定等边三角形桁架式桩腿的如下参数：

纵摇周期/横摇周期T；单根桩腿重；前桩腿距船尾的距离为a；后桩腿距船尾的距离为b；漂心距船尾的距离为c；后两个桩腿的间距为d；桩腿弦杆与桩腿形心之间的水平距离为e；桩腿总长度L；吃水t；

S2、假设一条桩腿的自重分别由桩腿的三根弦杆承载，每根弦杆承受1/3桩腿自重，且桩腿所遭受的惯性载荷由弦杆来承受。这样的假设避免了将载荷一一加载到桩腿的弦杆以及水平撑杆或斜撑杆上的繁琐过程，且不影响桩腿强度的分析结果，加载分为七种基本工况，分别为：

将一条三角形桁架式桩腿自重G的1/3分别加载到桩腿的前、左和右弦杆上的三种工况LC1、LC2、LC3；三种工况又分别存在横摇或纵摇的情况，分别对应了三个弦杆上所遭受的垂向载荷，载荷为：LC1横、LC2横、LC3横以及LC1纵、LC2纵、LC3纵；

将1/3桩腿自重G的载荷均匀加载于桩腿的三个弦杆上，有LC4或LC5两种工况，分别对应横摇或纵摇的情况，都对应于水平载荷，载荷为：LC4横、LC5纵；

将1/6桩腿自重G的载荷分别线性加载于桩腿的三个弦杆上，有LC6或LC7两种工况，分别对应横摇或纵摇的情况，都对应于水平载荷，载荷为：LC6横、LC7纵；其中，顺桩腿高度方向自低向高对应加载重量由小到大的线性方式加载；

S3、分别确定LC1横、LC2横、LC3横、LC1纵、LC2纵、LC3纵、LC4横、LC5纵、LC6横、LC7纵的比例因子：

其中，

LC1横、LC2横、LC3横、LC1纵、LC2纵、LC3纵，选用下述公式(1)获得比例因子f1横、f2横、f3横、f1纵、f2纵、f3纵；

LC4横、LC5纵，选用下述公式(2)获得比例因子f4横、f5纵；

LC6横、LC7纵选用下述公式(3)获得比例因子f6横、f7纵；

$f_1={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2{\mathrm{\θ}}_0{r}_1/g+{1.2\cos \mathrm{\θ}}_0---\left(1\right)$

f₂＝1.2sinθ₀   (2)

$f_3={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2{\mathrm{\θ}}_0{r}_2/g--\left(3\right)$

其中，T为平台横摇周期或纵摇周期，θ₀为平台横摇/纵摇运动幅值；r₁、r₂的取值方式如下：

LC1横：r1横＝d/2

LC2横：

LC3横：

LC1纵：r1纵＝a+e

LC2纵：r2纵＝a-e/2

LC3纵：r3纵＝a-e/2

LC6横：r6横＝L-t

LC7纵：r7纵＝L-t

S4、获得总惯性载荷，每一放大因子与相应重量的乘积为相应的惯性载荷；其中：

LC1横、LC2横、LC3横、LC1纵、LC2纵、LC3纵的重量取为G/3；

LC4横、LC5纵的重量取为G、LC6横、LC7纵的重量取为G/2(一根弦杆1/6，三根弦杆就是1/2)；

从而获得：

横摇工况总惯性载荷，为基本工况LC1、LC2、LC3、LC5和LC7的线性组合＝f1横×G/3+f2横×G/3+f3横×G/3+f5纵×G+f7纵×G/2；

纵摇工况总惯性载荷，为基本工况LC1、LC2、LC3、LC4和LC6的线性组合＝f1纵×G/3+f2纵×G/3+f3纵×G/3+f4横×G+f6横×G/2。

优选方式下，对于油田拖航平台运动周期T为平台的固有运动周期T_n，运动幅值θ₀为6°；对于远洋拖航平台运动周期T为10s，运动幅值θ₀为15°。

本发明采取以下技术方案：

1、平台运动引起桩腿倾斜，桩腿最大倾斜状态时的静载荷作为惯性载荷；

2、平台横摇/纵摇引起的桩腿惯性载荷最大；

3、根据规范推荐和经验，升沉、纵荡、横荡和风的影响通过一给定的水平载荷因子γ＝1.2来简化计算；

4、平台运动为简谐运动，运动幅值和运动周期采用规范推荐值，根据简谐运动公式计算惯性载荷；

5、完成载荷的加载以及结构强度分析等。

使用上述技术方案，无需利用直接法进行惯性载荷的确定，省略了创建水动力模型、创建质量模型、运动响应分析和运动响应预报的过程。本发明采用简化的方法得到惯性载荷，整个过程简便快捷，结果可靠。得到的载荷加载到结构分析模型上也十分简便，大大提高了拖航工况下的桩腿强度分析工作效率。

附图说明

图1是基本工况之自重的加载图，表示LC3工况：1/3桩腿重G垂直加载于右弦杆。

图2是基本工况之均匀分布水平载荷的加载图，表示LC4或LC5工况：1/3桩腿重G分别水平加载于三个弦杆。

图3是基本工况之线性分布水平载荷的加载图，表示LC6或LC7工况：1/6桩腿重G分别线性水平加载于三个弦杆，即三根弦杆上所承受的载荷总和为G/2。

图4是尺寸示意图。

具体实施方式

自升式平台包括三条桩腿，分别位于平台艏部、左舷和右舷，位于平台艏部的桩腿称之为前桩腿，位于平台左舷和右舷的两条桩腿称之为后桩腿。每条桩腿呈三角形桁架式结构，前面的桩腿位于中纵线处，横摇时所遭受的惯性载荷较小，左右舷的桩腿所遭受的惯性载荷较大且相同，如果左舷的桩腿满足强度要求，则其余桩腿的强度也必满足要求，因此为简化计算，横摇时只分析左舷桩腿的强度。纵摇时左右舷的桩腿所遭受的惯性载荷相同，但前面的桩腿距离旋转心距离更远其所遭受的惯性载荷更大，如果前面桩腿的强度满足要求，则后两条桩腿的强度也必满足要求，因此纵摇时只分析前面桩腿的强度。桩腿所遭受惯性载荷计算的步骤为：

1.根据规范的推荐，可假设平台任意时间t下的运动状态θ为：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_0\sin \frac{2\mathrm{\πt}}{T}$

其中，T为平台横摇/纵摇运动周期，θ₀为平台横摇/纵摇运动角度的幅值。

2.平台横摇/纵摇运动的旋转轴位于水平面，并通过平台的漂心，如图4所示，设前桩腿距船尾的距离为a，后桩腿距船尾的距离为b，漂心距船尾的距离为c，后两个桩腿的间距为d，桩腿弦杆与桩腿形心之间的水平距离为e，则横摇时左舷桩腿前、左和右弦杆距漂心的距离r₁分别为：d/2、纵摇时前桩腿前、左和右弦杆距漂心的距离r₁分别为a+e、a-e/2、a-e/2。

3.距旋转轴距离为r₁的任一集中质量的垂向加速度a为：

$a=-{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2{\mathrm{\θ}}_0{r}_1\sin \frac{2\mathrm{\πt}}{T}$

垂向加速度a的最大值a_max为：

$a_{\max }={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2{\mathrm{\θ}}_0{r}_1$

a_max相对于重力加速度g的放大因子f₁为：

$f_1={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2{\mathrm{\θ}}_0{r}_1/g$

4.同理，平台升沉、纵荡、横荡和风的影响通过一给定的载荷因子γ＝1.2来简化考虑后，平台横摇/纵摇运动引起的距旋转轴水平距离为r₂的任一集中质量的水平加速度最大值相对于重力加速度g的放大因子f₂为：

$f_2={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2{\mathrm{\θ}}_0{r}_2/g+{1.2\sin \mathrm{\θ}}_0$

5.油田拖航或远洋拖航的基本工况可分为其中工况，包括：LC1、LC2、LC3、LC4、LC5、LC6和LC7。

其中，LC1、LC2和LC3工况的含义为将一条三角形桁架式桩腿自重的1/3分别加载到桩腿的前弦杆1、左弦杆2和右弦杆3上，如图1所示。这三个基本工况是基于桩腿自重以及由垂向加速度引起的垂向惯性载荷。图1中A处表示1/3桩腿自重垂直加载在桩腿右弦杆上的示意图。

LC4或LC5工况的含义为分别将1/3桩腿自重的载荷均匀加载于桩腿的三个弦杆上，图2中显示了1/3桩腿自重的载荷分别水平均匀加载在桩腿的三个弦杆上的情景。

LC6或LC7工况的含义为将1/3桩腿自重的载荷分别水平线性加载于桩腿的三个弦杆上，受载部位的下端为0，图3中显示了1/3桩腿自重的载荷分别水平线性加载在桩腿的三个弦杆上的情景。

横摇工况为基本工况LC1、LC2、LC3、LC5和LC7的线性组合，纵摇工况为基本工况LC1、LC2、LC3、LC4和LC6的线性组合，组合因子即为放大因子。

6.确定横摇/纵摇周期，根据设计图纸尺寸或测量获得的尺寸确定前桩腿距船尾的值、后桩腿距船尾的值、漂心距船尾的值和后两个桩腿的间距，最后确定单根桩腿的重量。根据步骤2的方法得到横摇/纵摇运动时桩腿弦杆距漂心的距离，并根据步骤3和步骤4的方法获得载荷放大因子，即可得到横摇/纵摇运动各工况下的放大因子。

举例说明：具体输入以下参数：

即可自动得到如下工况放大因子：

7.重量与放大因子相乘即为惯性载荷，利用步骤6得到的放大因子在结构分析软件中进行工况组合即可完成拖航工况惯性载荷的加载。即按照步骤6得到的数据，纵摇工况组合为：

1.082LC1+1.06LC2+1.06LC3+0.125LC5+0.293LC7；其中，LC1、LC2、LC3、LC4、LC5、LC6和LC7表示相应的基本工况。

横摇工况惯性载荷为：

1.038LC1+1.047LC2+1.029LC3+0.125LC4+0.218LC6；其中，LC1、LC2、LC3、LC4、LC5、LC6和LC7表示相应的基本工况。

按照以上进行工况组合，即可完成横摇或纵摇工况惯性载荷的施加。至此工况创建完毕，惯性载荷也已计算加载完毕。

使用上述方法，无需利用直接计算法进行惯性载荷的计算，省略了创建水动力模型、创建质量模型、运动响应分析和运动响应预报的过程，只需输入船型的相关参数和横摇/纵摇周期，即可得到计算分析时的惯性载荷，且很容易将得到的载荷加载到结构分析模型上。整个计算过程简便快捷，分析结果可靠，大大提高了拖航工况下的桩腿强度分析效率。

现有规范中指出：拖航分为油田拖航和远洋拖航两种工况。油田拖航平台运动周期T为平台的固有运动周期T_n，运动幅值θ₀为6°；远洋拖航平台运动周期T为10s，运动幅值θ₀为15°。其中，油田拖航平台的固有运动周期T_n采用规范推荐的简化方法进行计算。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种确定自升式钻井平台三角形桁架式桩腿拖航载荷的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、设计或测定三角形桁架式桩腿的如下参数：

纵摇周期/横摇周期T；单根桩腿重；前桩腿距船尾的距离为a；后桩腿距船尾的距离为b；漂心距船尾的距离为c；后两个桩腿的间距为d；桩腿弦杆与桩腿形心之间的水平距离为e；桩腿总长度L；吃水t；

S2、分为七种基本工况，分别为：

将一条三角形桁架式桩腿自重G的1/3分别加载到桩腿的前、左和右弦杆上的三种工况LC1、LC2、LC3；三种工况又分别存在横摇或纵摇的情况，分别对应了三个弦杆上所遭受的垂向载荷，载荷为：LC1横、LC2横、LC3横以及LC1纵、LC2纵、LC3纵；

将1/3桩腿自重G的载荷均匀加载于桩腿的三个弦杆上，有LC4或LC5两种工况，分别对应横摇或纵摇的情况，都对应于水平载荷，载荷为：LC4横、LC5纵；

将1/6桩腿自重G的载荷分别线性加载于桩腿的三个弦杆上，有LC6或LC7两种工况，分别对应横摇或纵摇的情况，都对应于水平载荷，载荷为：LC6横、LC7纵；其中，顺桩腿高度方向自低向高对应加载重量由小到大的线性方式加载；

S3、分别确定LC1横、LC2横、LC3横、LC1纵、LC2纵、LC3纵、LC4横、LC5纵、LC6横、LC7纵的比例因子：

其中，

LC1横、LC2横、LC3横、LC1纵、LC2纵、LC3纵，选用下述公式(1)获得比例因子f1横、f2横、f3横、f1纵、f2纵、f3纵；

LC4横、LC5纵，选用下述公式(2)获得比例因子f4横、f5纵；

LC6横、LC7纵选用下述公式(3)获得比例因子f6横、f7纵；

$f_1={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2{\mathrm{\θ}}_0{r}_1/g+1.2{\cos \mathrm{\θ}}_0---\left(1\right)$

f₂＝1.2sinθ₀                    (2)

$f_3={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2{\mathrm{\θ}}_0{r}_2/g---\left(3\right)$

其中，T为平台横摇周期或纵摇周期，θ₀为平台横摇/纵摇运动幅值；r₁、r₂的取值方式如下：

LC1横：r1横＝d/2

LC2横：

LC3横：

LC1纵：r1纵＝a+e

LC2纵：r2纵＝a-e/2

LC3纵：r3纵＝a-e/2

LC6横：r6横＝L-t

LC7纵：r7纵＝L-t

S4、获得总惯性载荷，每一放大因子与相应重量的乘积为相应的惯性载荷；其中：

LC1横、LC2横、LC3横、LC1纵、LC2纵、LC3纵的重量取为G/3；

LC4横、LC5纵的重量取为G、LC6横、LC7纵的重量取为G/2；

从而获得：

横摇工况总惯性载荷，为基本工况LC1、LC2、LC3、LC5和LC7的线性组合＝f1横×G/3+f2横×G/3+f3横×G/3+f5纵×G+f7纵×G/2；

纵摇工况总惯性载荷，为基本工况LC1、LC2、LC3、LC4和LC6的线性组合＝f1纵×G/3+f2纵×G/3+f3纵×G/3+f4横×G+f6横×G/2。

2.根据权利要求1所述确定自升式钻井平台三角形桁架式桩腿拖航载荷的方法，其特征在于，

对于油田拖航平台运动周期T为平台的固有运动周期T_n，运动幅值θ₀为6°；

对于远洋拖航平台运动周期T为10s，运动幅值θ₀为15°。