B1-001自升式平台作业过程中RPD问题研究

自升式平台作业过程中RPD问题研究秦洪德副教授哈尔滨工程大学船舶工程学院深海工程技术中心2009年8月目录自升式钻井平台的结构形式及RPD的定义、成因、分类、测量及意义RPD研究状况（基于有限元的二维、三维敏感性分析及时域数值模拟）RPD的研究热点问题以及研究趋势典型自升式钻井平台的结构形式：平台主体：生产生活场所（功能舱室、钻采设备）拖航时提供浮力桩腿：支撑平台海上作业，将平台主体承受载荷传递到海底升降机构：完成平台与桩腿之间的相对升降运动完成平台主体与桩腿之间力的传递的构件主要有：平台升降中：齿轮齿条、导向板平台完成升降后：齿轮齿条、导向板固桩楔快（chock）桁架式桩腿结构：主弦管主弦管上的齿条板水平横撑斜撑桩靴或沉垫升降机构的结构形式：每根主弦管上布置若干套升降装置每套升降装置由独立马达驱动平台主体、升降机构及桩腿的接触形式：齿轮与齿条桩腿与导向板固桩楔块RPD的定义：RPD(RackPhaseDifference)指的是，桁架式桩腿自升式平台，同一桩腿上两相邻主弦管的具有相同标高的齿条板相对于提升系统框架顶部的竖向位移的绝对差值

。RPD的分类：FreeRPD

在设计时，平台主体上的导向板与桩腿之间有一定的装配间隙（clearance：5mm~15mm），这允许平台主体与桩腿之间产生一定相对转动，且这种转动不产生附加的支撑管载荷。产生支撑管载荷的RPD

当RPD超过freeRPD后，桩腿与平台主体之间将产生附加弯矩，构成平台上、下导向板之间桩腿部分的支撑管将由于附加弯矩而受压或受拉。这种形式的RPD可能会导致平台失效。RPD的成因：海底状况海底不平整土层强度不均匀上次插桩留下的痕迹RPD的成因：其它环境载荷海底基底条件不同形成作用力其它环境载荷（风、浪、流）形成作用力作用力都有桩腿和平台接触部位来抵抗（齿轮与齿条、导向板）每根桩腿上三根主弦管作用力都不均匀RPD的根本成因：环境载荷，以及海底情况产生的附加弯矩在平台主体与桩腿连接处的传递1垂向力偶来承担（不同小齿轮受力不同）2横向力偶来承担（RPD超过freeRPD之后，上下导向板与平台主体相接触）RPD的测量RPV（RackPhaseValue）：三根主弦管上具有相同标高的齿距平台上某一平面（一般取jackcase的上表面）的距离。RPD的测量：RPD的意义：1.表征桩腿相对于主体的倾斜RPD的意义：2.表征桩腿支撑管载荷2001年冬天，工作在北海的GSFMonrch平台桩腿失效

RPD的研究进展：近十五年被重视基于有限元：二维到三维基于经验估计到时域模拟相关的RPD规范要求：SNAME

SocietyofNavalArchitectsandMarineEngineersTechnicalandResearchBulletin5-5AISO

PetroleumandNaturalGasIndustries—Sitespecificassessmentofmobileoffshoreunits(ISO/WD19905-1.4)SNAME与ISO规范，在自升式平台海底基础完成性方面（foundationintegrity）的内容基本一致相关的RPD规范要求：对RPD只有相关文献的研究结论，而没有相关的规范要求RPD的二维模型受力分析：RPD的二维模型受力分析：当平台桩腿产生滑移，如跌入前次插桩的足印时，可以以一作用在桩靴上的弯矩来描述RPD的二维模型受力分析：平台主体与桩腿之间的力的传递形式有齿轮与齿条（垂向力偶）、齿条与导向板（横向力偶）以及固桩楔块（仅在升降完成之后）桩腿下导向板以下的剪力和弯矩不因桩腿与平台主体接触位置的弯矩不因载荷的传递形式而改变当平台主体与桩腿接触处载荷的传递形式为垂向力偶时，下导向板以下桩腿部分的剪力为0当平台主体与桩腿接触处载荷的传递形式为水平力偶时，则在下导向板处，剪力的方向发生了改变。值得注意的是，对于极浅水的情况，最大剪应力发生于上下导向板之间的部分在给定水深、主弦管间距以及齿条导向板间隙时候，导向板之下的桩腿横向变形主要取决于弯矩，而在导向板之间的桩腿横向变形则取决于剪应力RPD的二维模型敏感性分析：针对桩腿支撑管布置形式（K型、反K型以及X型）的不同，进行基于有限元的RPD敏感性分析在同样的桩靴载荷作用下，K型支撑管构型的桩腿支撑管载荷最大，反K型支撑管构型的桩腿产生最大的RPD值

当桩腿与平台主体接触处的载荷传递形式为垂向力偶来时，上导向板以上的桩腿部分保持铅直而当桩腿与平台主体接触处的载荷传递形式为横向力偶时，上导向板以上的桩腿部分发生了倾斜RPD的三维有限元时域数值模拟：

桩腿与平台主体相互作用的模拟升降机构的简化处理边界条件的选取数值模拟的程序RPD的三维有限元时域数值模拟：简化的有限元模型包括三部分：平台主体：梁单元模拟，考虑重量分布与刚度分布。桩腿：梁单元模拟，考虑重量分布。细化升降过程中所需经过部分的有限元模型。主体与桩腿的接触：由编制程序，数值控制实现控制单元与缝隙单元。控制单元模拟齿轮齿条之间的相互作用，缝隙单元模拟桩腿与导向板之间的相互作用。数值控制要点：模型发生相对运动，单元的生死以及接触算法选择RPD的三维有限元时域数值模拟：控制单元缝隙单元特殊单元示意图：RPD的三维有限元时域数值模拟：升降机构的简化：齿轮齿条垂向作用力vs.齿轮上升速度升降机构简化为：RPD的三维有限元时域数值模拟：升降机构的简化：RPD的三维有限元时域数值模拟：边界条件的确定与工况的组合：Note：“fixity”没有相关规范要求，采用SNAME相关意见：Thelegcanbeassumedas:1~pinned（偏于保守）2~fixed（偏于危险）3~twolegspinnedwithstarboard(模拟桩靴的滑移）RPD的三维有限元时域数值模拟：时域数值模拟中的假设：自升式钻井平台主体沿桩腿升降过程十分平稳，平均速度在0.0054m/s到0.0082m/s之间。因此，分析过程将忽略结构的动力响应。分析最初开始时，假设平台主体已经位于水面以上

。平台主体不受到浪与流的作用。平台主体的刚度远大于桩腿的刚度RPD的三维有限元时域数值模拟：时域数值模拟的过程：分析最初开始时，整个结构在自重以及各种环境载荷(如风载荷)作用下进行第一步的结构有限元分析，得到齿轮齿条垂向作用力以及相应的RPD和支撑管载荷。在其后的每一时间步长，齿轮节点与齿条节点之间的垂向作用力由上一次有限元分析中提出，并通过齿轮齿条垂向力与齿轮上升速度关系曲线计算出平台相应的上升速度，进而得到了这一时间步长齿轮节点的位移。通过数值控制得到哪些模拟齿轮齿条相互作用的控制单元被激活，哪些模拟导向板与桩腿相互作用的缝隙单元被激活，进而得到这一时刻的有限元模型，然后进行结构的有限元分析。这样通过对每一时间步长结构有限元分析结果的整理，可以最终得到每一时刻的RPD值以及相应的支撑管载荷，实现了对RPD的模拟与预测。RPD的三维有限元时域数值模拟：平台升降过程中，随着RPD的增加，桩腿与平台接触部位的载荷传递形式发生转变，由不同垂向力偶（小齿轮受力不同形成）来传递逐步转变为由横向力偶（上、下导向板作用形成）来传递分析过程中考虑了导向板间隙的存在（由间隙单元gapelement来模拟），导向板间隙的大小对于RPD的影响不大影响RPD的重大因素为海底固定状况，固定程度越好，越不易发生支撑管载荷过大而屈曲失效；其次为作用在平台主体上的横向载荷，主要为风载荷，风载荷越大，RPD越大RPD的三维有限元时域数值模拟：平台主体沿桩腿升降过程中，RPD的发展趋势表现为上述图像中斜率不同的两个部分：载荷的传递形式为垂向力偶（齿轮齿条相互作用）载荷的传递形式转变为横向力偶（齿条导向板相互作用）RPD的三维有限元时域数值模拟：风载荷对RPD的影响海底固定程度对RPD的影响实际操作中普遍采用的RPD控制方法：RPD研究的热点问题及研究趋势：RPD临界