B1-001自升式平臺(tái)作業(yè)過程中RPD問題研究

自升式平臺(tái)作業(yè)過程中RPD問題研究秦洪德副教授哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院深海工程技術(shù)中心2009年8月目錄自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式及RPD的定義、成因、分類、測量及意義RPD研究狀況（基于有限元的二維、三維敏感性分析及時(shí)域數(shù)值模擬）RPD的研究熱點(diǎn)問題以及研究趨勢典型自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式：平臺(tái)主體：生產(chǎn)生活場所（功能艙室、鉆采設(shè)備）拖航時(shí)提供浮力樁腿：支撐平臺(tái)海上作業(yè)，將平臺(tái)主體承受載荷傳遞到海底升降機(jī)構(gòu)：完成平臺(tái)與樁腿之間的相對升降運(yùn)動(dòng)完成平臺(tái)主體與樁腿之間力的傳遞的構(gòu)件主要有：平臺(tái)升降中：齒輪齒條、導(dǎo)向板平臺(tái)完成升降后：齒輪齒條、導(dǎo)向板固樁楔快（chock）桁架式樁腿結(jié)構(gòu)：主弦管主弦管上的齒條板水平橫撐斜撐樁靴或沉墊升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式：每根主弦管上布置若干套升降裝置每套升降裝置由獨(dú)立馬達(dá)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)主體、升降機(jī)構(gòu)及樁腿的接觸形式：齒輪與齒條樁腿與導(dǎo)向板固樁楔塊RPD的定義：RPD(RackPhaseDifference)指的是，桁架式樁腿自升式平臺(tái)，同一樁腿上兩相鄰主弦管的具有相同標(biāo)高的齒條板相對于提升系統(tǒng)框架頂部的豎向位移的絕對差值

。RPD的分類：FreeRPD

在設(shè)計(jì)時(shí)，平臺(tái)主體上的導(dǎo)向板與樁腿之間有一定的裝配間隙（clearance：5mm~15mm），這允許平臺(tái)主體與樁腿之間產(chǎn)生一定相對轉(zhuǎn)動(dòng)，且這種轉(zhuǎn)動(dòng)不產(chǎn)生附加的支撐管載荷。產(chǎn)生支撐管載荷的RPD

當(dāng)RPD超過freeRPD后，樁腿與平臺(tái)主體之間將產(chǎn)生附加彎矩，構(gòu)成平臺(tái)上、下導(dǎo)向板之間樁腿部分的支撐管將由于附加彎矩而受壓或受拉。這種形式的RPD可能會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)失效。RPD的成因：海底狀況海底不平整土層強(qiáng)度不均勻上次插樁留下的痕跡RPD的成因：其它環(huán)境載荷海底基底條件不同形成作用力其它環(huán)境載荷（風(fēng)、浪、流）形成作用力作用力都有樁腿和平臺(tái)接觸部位來抵抗（齒輪與齒條、導(dǎo)向板）每根樁腿上三根主弦管作用力都不均勻RPD的根本成因：環(huán)境載荷，以及海底情況產(chǎn)生的附加彎矩在平臺(tái)主體與樁腿連接處的傳遞1垂向力偶來承擔(dān)（不同小齒輪受力不同）2橫向力偶來承擔(dān)（RPD超過freeRPD之后，上下導(dǎo)向板與平臺(tái)主體相接觸）RPD的測量RPV（RackPhaseValue）：三根主弦管上具有相同標(biāo)高的齒距平臺(tái)上某一平面（一般取jackcase的上表面）的距離。RPD的測量：RPD的意義：1.表征樁腿相對于主體的傾斜RPD的意義：2.表征樁腿支撐管載荷2001年冬天，工作在北海的GSFMonrch平臺(tái)樁腿失效

RPD的研究進(jìn)展：近十五年被重視基于有限元：二維到三維基于經(jīng)驗(yàn)估計(jì)到時(shí)域模擬相關(guān)的RPD規(guī)范要求：SNAME

SocietyofNavalArchitectsandMarineEngineersTechnicalandResearchBulletin5-5AISO

PetroleumandNaturalGasIndustries—Sitespecificassessmentofmobileoffshoreunits(ISO/WD19905-1.4)SNAME與ISO規(guī)范，在自升式平臺(tái)海底基礎(chǔ)完成性方面（foundationintegrity）的內(nèi)容基本一致相關(guān)的RPD規(guī)范要求：對RPD只有相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論，而沒有相關(guān)的規(guī)范要求RPD的二維模型受力分析：RPD的二維模型受力分析：當(dāng)平臺(tái)樁腿產(chǎn)生滑移，如跌入前次插樁的足印時(shí)，可以以一作用在樁靴上的彎矩來描述RPD的二維模型受力分析：平臺(tái)主體與樁腿之間的力的傳遞形式有齒輪與齒條（垂向力偶）、齒條與導(dǎo)向板（橫向力偶）以及固樁楔塊（僅在升降完成之后）樁腿下導(dǎo)向板以下的剪力和彎矩不因樁腿與平臺(tái)主體接觸位置的彎矩不因載荷的傳遞形式而改變當(dāng)平臺(tái)主體與樁腿接觸處載荷的傳遞形式為垂向力偶時(shí)，下導(dǎo)向板以下樁腿部分的剪力為0當(dāng)平臺(tái)主體與樁腿接觸處載荷的傳遞形式為水平力偶時(shí)，則在下導(dǎo)向板處，剪力的方向發(fā)生了改變。值得注意的是，對于極淺水的情況，最大剪應(yīng)力發(fā)生于上下導(dǎo)向板之間的部分在給定水深、主弦管間距以及齒條導(dǎo)向板間隙時(shí)候，導(dǎo)向板之下的樁腿橫向變形主要取決于彎矩，而在導(dǎo)向板之間的樁腿橫向變形則取決于剪應(yīng)力RPD的二維模型敏感性分析：針對樁腿支撐管布置形式（K型、反K型以及X型）的不同，進(jìn)行基于有限元的RPD敏感性分析在同樣的樁靴載荷作用下，K型支撐管構(gòu)型的樁腿支撐管載荷最大，反K型支撐管構(gòu)型的樁腿產(chǎn)生最大的RPD值

當(dāng)樁腿與平臺(tái)主體接觸處的載荷傳遞形式為垂向力偶來時(shí)，上導(dǎo)向板以上的樁腿部分保持鉛直而當(dāng)樁腿與平臺(tái)主體接觸處的載荷傳遞形式為橫向力偶時(shí)，上導(dǎo)向板以上的樁腿部分發(fā)生了傾斜RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：

樁腿與平臺(tái)主體相互作用的模擬升降機(jī)構(gòu)的簡化處理邊界條件的選取數(shù)值模擬的程序RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：簡化的有限元模型包括三部分：平臺(tái)主體：梁單元模擬，考慮重量分布與剛度分布。樁腿：梁單元模擬，考慮重量分布。細(xì)化升降過程中所需經(jīng)過部分的有限元模型。主體與樁腿的接觸：由編制程序，數(shù)值控制實(shí)現(xiàn)控制單元與縫隙單元。控制單元模擬齒輪齒條之間的相互作用，縫隙單元模擬樁腿與導(dǎo)向板之間的相互作用。數(shù)值控制要點(diǎn)：模型發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，單元的生死以及接觸算法選擇RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：控制單元縫隙單元特殊單元示意圖：RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：升降機(jī)構(gòu)的簡化：齒輪齒條垂向作用力vs.齒輪上升速度升降機(jī)構(gòu)簡化為：RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：升降機(jī)構(gòu)的簡化：RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：邊界條件的確定與工況的組合：Note：“fixity”沒有相關(guān)規(guī)范要求，采用SNAME相關(guān)意見：Thelegcanbeassumedas:1~pinned（偏于保守）2~fixed（偏于危險(xiǎn)）3~twolegspinnedwithstarboard(模擬樁靴的滑移）RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：時(shí)域數(shù)值模擬中的假設(shè)：自升式鉆井平臺(tái)主體沿樁腿升降過程十分平穩(wěn)，平均速度在0.0054m/s到0.0082m/s之間。因此，分析過程將忽略結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。分析最初開始時(shí)，假設(shè)平臺(tái)主體已經(jīng)位于水面以上

。平臺(tái)主體不受到浪與流的作用。平臺(tái)主體的剛度遠(yuǎn)大于樁腿的剛度RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：時(shí)域數(shù)值模擬的過程：分析最初開始時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)在自重以及各種環(huán)境載荷(如風(fēng)載荷)作用下進(jìn)行第一步的結(jié)構(gòu)有限元分析，得到齒輪齒條垂向作用力以及相應(yīng)的RPD和支撐管載荷。在其后的每一時(shí)間步長，齒輪節(jié)點(diǎn)與齒條節(jié)點(diǎn)之間的垂向作用力由上一次有限元分析中提出，并通過齒輪齒條垂向力與齒輪上升速度關(guān)系曲線計(jì)算出平臺(tái)相應(yīng)的上升速度，進(jìn)而得到了這一時(shí)間步長齒輪節(jié)點(diǎn)的位移。通過數(shù)值控制得到哪些模擬齒輪齒條相互作用的控制單元被激活，哪些模擬導(dǎo)向板與樁腿相互作用的縫隙單元被激活，進(jìn)而得到這一時(shí)刻的有限元模型，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元分析。這樣通過對每一時(shí)間步長結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果的整理，可以最終得到每一時(shí)刻的RPD值以及相應(yīng)的支撐管載荷，實(shí)現(xiàn)了對RPD的模擬與預(yù)測。RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：平臺(tái)升降過程中，隨著RPD的增加，樁腿與平臺(tái)接觸部位的載荷傳遞形式發(fā)生轉(zhuǎn)變，由不同垂向力偶（小齒輪受力不同形成）來傳遞逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓹M向力偶（上、下導(dǎo)向板作用形成）來傳遞分析過程中考慮了導(dǎo)向板間隙的存在（由間隙單元gapelement來模擬），導(dǎo)向板間隙的大小對于RPD的影響不大影響RPD的重大因素為海底固定狀況，固定程度越好，越不易發(fā)生支撐管載荷過大而屈曲失效；其次為作用在平臺(tái)主體上的橫向載荷，主要為風(fēng)載荷，風(fēng)載荷越大，RPD越大RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：平臺(tái)主體沿樁腿升降過程中，RPD的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為上述圖像中斜率不同的兩個(gè)部分：載荷的傳遞形式為垂向力偶（齒輪齒條相互作用）載荷的傳遞形式轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向力偶（齒條導(dǎo)向板相互作用）RPD的三維有限元時(shí)域數(shù)值模擬：風(fēng)載荷對RPD的影響海底固定程度對RPD的影響實(shí)際操作中普遍采用的RPD控制方法：RPD研究的熱點(diǎn)問題及研究趨勢：RPD臨界