自升式平台桩靴周围土体冲刷机制及数值模拟

为了评估自升式平台插桩后桩靴周围土体受波流-海流作用局部冲刷的安全性,基于计算流体动力学通过数值模拟建立波流作用下的桩靴周围土体局部冲刷的三维有限元数值模型,通过求解Navier-Stokes方程,准确模拟桩靴周围流场变化情况;基于现场作业场址参数和实际海况条件下建立适用于自升式平台桩靴周围土体局部冲刷的工程分析方法,将数值结果与试验结果进行对比;讨论自升式平台在不同入泥深度和作业周期下桩靴周围土体局部冲刷问题。结果表明:波流共同作用下自升式平台桩靴入泥深度对桩靴周围土体局部冲刷深度具有较大影响,当桩靴入泥深度越小时,桩靴周围越容易发生局部冲刷;基于桩靴不同入泥深度工况针对性地制定冲刷防护措施,降低桩靴周围土体局部冲刷深度,有效降低工程作业风险。

基于贝叶斯算法的自升式平台桩靴基础砂-黏地层峰值阻力预测

自升式平台在含有砂-黏地层井位就位过程中,受下卧软土层影响,易发生桩靴大位移贯入下卧地层造成穿刺破坏,准确预测桩靴基础砂-黏地层峰值阻力及相应深度,对保障平台安全至关重要。基于已有离心机模型试验数据,通过引入服从Beta-PERT分布的不确定性因子,构建了自升式平台桩靴基础砂-黏地层潜在峰值阻力及对应深度的先验概率和似然概率计算模型;结合桩靴贯入过程中的监测数据,利用贝叶斯算法计算并持续更新后验概率,以提高桩靴基础砂-黏地层峰值阻力的预测精度。在此基础上,通过反分析25组离心机模型试验,对基于贝叶斯算法的桩靴基础砂-黏地层峰值阻力预测方法的有效性进行了验证。结果表明,相较于现行ISO规范和SNAME规范推荐的荷载扩展法和冲剪法以及新近发展的3种峰值阻力计算方法,基于贝叶斯算法的概率预测方法可有效提高桩靴基础砂-黏地层峰值阻力的预测精度。研究成果为自升式平台桩靴基础在含有砂-黏地层井位就位安全评估提供了方法支持。

自升式平台遗留桩坑及周边土体的时空变化特征——以废弃黄河水下三角洲埕岛地区某井场为例

本研究选择废弃黄河水下三角洲埕岛地区的一个典型井场,基于多年水深测量、浅地层剖面探测、工程地质调查资料,详细分析正常固结饱和软黏土为主地层上遗留桩坑及周边土体的时空变化特征。刚形成的桩坑由一个初始泥线以下深度0.33 D (桩靴直径D)、直径2 D的具有双坡结构剖面的凹坑和一个土体强度分布高度异质性的剖面组成。土层破坏以冲剪破坏为主,原始海床以下至稍微延伸到桩靴贯入深度以下的范围被剧烈扰动,在水平方向上强烈扰动出现在距插桩中心线0.5 D范围内,1 D之外的土体影响较小。受扰动的土层可划分为六个性质不同的区域。随后桩坑逐渐趋于夷平,内外土体工程性质也不断发生变化,地层剖面从“软–硬”结构变成了“硬–软–硬”结构,重塑土体强度随时间逐渐恢复,直至超过原状土和重塑区以外土体强度。最后还讨论了桩坑的形成机理及桩坑对二次插桩的影响。

基于模型拖曳试验与CFD阻力计算的自升式平台主机功率估算

为了确定具有自航能力的自升式平台主机功率,分别采用缩尺比模型拖曳试验与CFD数值计算两种方法计算设计航速下平台模型的静水阻力,分析阻力中各主要成分的比重,结合实尺度平台CFD计算结果对实际平台的阻力和主机功率进行估算,试验与数值分析结果均表明,平台首部存在水流堆积现象,平台的粘压阻力较大,占总阻力中的比重也大;采用二因次法从缩尺比模型阻力推算到实尺度平台阻力会有较大误差,采用实尺度CFD计算方法给出较为合理的平台主机功率估算结果。

桁架桩腿自升式平台齿条相位差分析研究

在就位过程中,桁架桩腿自升式平台会产生齿条相位差,在桩腿与平台主船体接触位置产生极大的附加弯矩,导致平台主体下导向位置的桩腿撑管发生屈曲失效。本文以某平台为研究对象,采用ANSYS软件建立平台三维时域有限元模型,并通过生死单元技术实现自升式平台升船过程实时模拟与RPD值预测;根据RPD值的变化情况将升船过程划分为4个主要阶段。在此基础上,对3种风速工况下平台RPD变化特性进行分析,从而判断升船阶段风速对RPD的影响。依据掌握的RPD与桩腿应力的变化规律及许用RPD值,提出一套RPD控制方法,为确保平台就位升船作业安全提供依据。

自升式平台动力系统配置研究

本文研究了目前自升式平台常用的动力系统,并且针对市场主流的柴油发动机、原油发动机、双燃料发动机及天然气发动机进行选型分析,对同等能力条件下,燃料费用、尺寸、重量、排放、维修及投资方面等进行比较并且推荐选型方案。

自升式平台波浪载荷计算分析

波浪载荷和惯性载荷是自升式平台设计的核心基础,由于波浪参数与波浪载荷及惯性载荷之间的关系较为复杂,波浪载荷和惯性载荷的确定一直是自升式平台设计和计算中的重点和难点。本计算分析基于Morison方程,以某四桩腿自升式平台为例,利用水动力软件,分析波浪周期和波高对于波浪载荷的影响,探讨了最大波浪载荷和波浪总载荷(波浪载荷+惯性载荷)的确定方法,给出平台波浪载荷和波浪总载荷的包络值,为后续自升式平台的研发提供参考。

某自升式平台改造中的优化设计

针对自升自航式平台在改造中的若干举措进行分析总结,并实现其作业性能的关键参数提升。在保证平台安全性能的基础上,针对有效使用甲板面积及可变载荷两个关键参数进行优化设计,采用设备位移法及材料减重法进行改造得到最优结果。通过多方面的设计改造,提升了平台关键指标参数,并取得非常好的效果。提出的若干改造举措,有效提高了自升自航式多功能平台的作业能力,为后期其他自升式海洋平台结构建造及改造有一定的参考价值。

自升式平台桩腿插拔计算软件研发

自升式平台桩腿插拔分析包括插桩深度分析与拔桩能力分析。在多年研究与工程经验基础上,总结形成系统计算分析方法,并开发专用计算软件。软件使用主流的C/S应用系统开发框架和.NET Framework 4.5,集成图形库EsDRAW3D.dll和报告书输出库EsWord.Dll实现功能设计,具体分为界面显示模块、数据输出模块、数据库模块、计算分析模块等,操作快捷、简便。专用软件的开发满足了现场工程人员对桩腿插拔批量化计算分析的需求,大大提高计算效率,保证自升式平台作业安全。

海上油田应急救援自升式平台就位优选关键技术

为准确、有效贯通应急救援井与井喷事故井的通道,需要优选应急救援井位置和合理匹配钻井装置。开展水深122 m以内自升式钻井平台救援井就位优选关键技术研究,包括潮流流向优选、风向优选、浅层地质灾害性特征风险规避、钻井平台优选、救援井钻井设计等。钻井平台优选解决了水深与钻井装置作业能力合理匹配问题,使用全新计算公式后,预测精度由原来的70%上升至90%,有效保障海上大型设施安全,可为国内海上油田井控技术体系建设前期基础性研究提供参考。

海上自升式平台压载水处理方案设计研究

《2004年国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》于2017年9月8日生效,对于此日期及以后建造的国际航行船舶要满足此公约要求。海上自升式平台作业工况及压载原理与航行船舶有很大不同,如何优化设计自升式平台压载水处理方案对平台设计和建造有非常重要的影响。本文对压载水处理技术和压载水公约作简要介绍,然后对自升式平台压载系统原理和处理方案进行详细研究,最终给出一种海上自升式平台压载水处理优化设计方案。

智能控制在自升式平台升降系统的应用研究

升降系统作为自升式平台的核心设备,其性能好坏直接影响整个自升式平台的安全和使用效果。为提高平台的作业效率,减少升降操作时的人工干预,增强设备的安全可靠性,文章对升降系统的一键站桩、远程监测和健康状态检测等智能控制技术进行研究,实现了平台的快速站桩、远程控制和诊断,解决了升降系统操作复杂、不易检修的难题。

40m水深多功能自升式平台结构强度有限元计算

多功能自升式平台可方便地进行海上风电安装与维护,为保证自升式平台的结构安全,需要对自升式平台进行强度计算与校核。文中利用有限元软件建立三桩腿有限元模型,考虑风机特殊作业载荷,分析自存状态和工作状态下不同方向风、浪、流、冰载荷各个工况下的结构应力与变形。并按船级社规范分别对平台主体和桩腿进行强度校核,该分析可以为多功能自升式平台的改造和使用提供重要的理论依据。

自升式平台桁架式桩腿选型及优化

为增强自升式平台桩腿选型的合理性和经济性,对柱体式、桁架式桩腿的适用范围和优缺点进行分析,并提出桁架式桩腿参数化设计变量与目标函数。在此基础上对某自升式平台桩腿结构进行优化设计。研究表明:优化后的桩腿结构具有更好的力学性能和经济性。研究成果可为自升式平台桁架式桩腿选型提供一定参考。

冲桩对减缓自升式平台重复插桩滑桩作用研究

破坏遗留桩坑周边原状土可减缓自升式平台重复插桩滑桩作用,采用物理模拟方法开展了某一代表性自升式平台桩靴底部冲桩系统破土效果研究。研究结果表明,冲桩可有效破坏桩坑周边原状黏土,单个喷冲头的最大有效破土半径超过了1.5 m,最大喷冲深度在20 cm内,同时揭示了冲桩时间、冲桩压力、土体抗剪强度对冲桩破土效果的影响规律,并提出了一种新型插桩工艺,可提高重复就位作业效率。

自升式平台地基稳定性分析方法研究

地基稳定性对于自升式平台的安全生产至关重要。首先,介绍了国际上常用的关于自升式平台在位分析规范(《ISO 19905-1》和《SNAME 5-5A》)中地基稳定性校核方法;随后,引入工程算例,并对平台地基稳定性进行了校核。结果表明,目标作业地点的地基竖向-水平承载力和抗滑能力均满足两种规范要求。由于两种规范中对于竖向极限承载力的确定存在差异,导致地基竖向-水平承载力包络线存在差别,且依据《ISO 19905-1》规范校核结果更加保守。

自升式平台齿轮齿条强度有限元分析

基于有限元软件ANSYS建立某自升式平台升降系统齿轮齿条的三维模型,并计算平台在预压状态下齿轮齿条的应力,分析齿轮齿条在不同啮合位置时的Von mises应力和齿面接触应力的分布情况,并将其与公式计算值进行对比。结果表明:齿轮齿条啮合过程中接触面上应力呈带状分布,最大应力出现在带状区域的两端,带状区域的中部应力相对较小;齿面和齿根是齿轮齿条啮合接触过程中容易失效的部位,升降系统齿面接触应力与齿根弯曲应力偏高,在升降系统的设计中应采取措施降低相应应力或提高材料强度;基于有限元方法的计算结果与公式计算值误差较小,可以作为该齿轮齿条强度分析的依据。

遗留桩坑对自升式平台滑移风险的影响及对策

运用有限元分析方法研究了前期作业遗留桩坑对自升式钻井平台滑移风险的影响,提出了降低滑移风险的对策,并进行了实例分析。考虑流体在孔隙结构中的渗流、滑动摩擦接触以及材料与几何非线性,建立了桩-土相互作用的流固耦合有限元模型,通过数值模拟结果与已发表文献中实验结果的对比,验证了模型的可靠性。利用建立的模型分析了前期作业遗留桩坑影响下的桩基土体破坏过程、运移形式及遗留桩坑对桩-土相互作用的影响,结果表明:插桩初期遗留桩坑底部与桩靴底部出现塑性破坏区域,然后破坏区域随着压载的增加不断增大,直至形成连续滑移面;桩靴周围土体的运移形式随着桩靴与遗留桩坑距离的增大出现明显变化;随着桩靴-遗留桩坑中心距的增大,峰值水平滑移力先增大再逐渐减小。在最终位置插桩前以适当的距离和深度进行试踩可有效降低平台滑移风险。

自升式平台桩靴结构优化设计

结合有限单元法和尺寸优化理论,对某自升式海洋平台的桩靴结构进行了设计与优化。根据桩靴设计要求确定各部件尺寸和相应材料参数,以此建立桩靴的有限元模型。针对CCS对桩靴提出的工况依次进行分析计算,获得各工况下应力与位移的分布特征和土壤作用力在结构中的传递路径。然后进行板厚尺寸的优化。计算结果表明,桩靴在偏心工况且偏心角度为60°时应力达到最大,且土壤流失可能性最高;尺寸优化后,桩靴的质量明显减少,应力分布更加均匀,材料利用率得到有效提高。

风暴状态下自升式平台非线性动力分析模型

以风暴状态下的自升式平台为研究对象 ,建立了用于分析平台结构的非线性动力模型。该模型采用改进的NewWave模型描述随机波浪 ,借助非线性弹簧模拟平台结构的桩—土之间的相互作用 ,综合考虑了影响平台结构动力响应的动力敏感性、非线性以及波浪载荷的随机性因素 ;同时以波面极值出现前后的若干载荷循环作用下的结构响应结果作为对平台结构响应的估计 ,大大节省了计算时间。建立了简化的三维有限元结构模型。通过具体实例分析 ,给出了使用该模型进行风暴状态下自升式平台动力响应的计算步骤 ,并对分别采用非线性弹簧模型和传统的铰接模型时的平台结构动力响应进行了对比。计算结果表明 ,风暴状态下自升式平台甲板位移响应极值服从对数正态分布。使用该模型进行自升式平台动力响应分析时 ,能够兼顾模型复杂程度和计算效率 ,这为今后进行自升式平台结构动力可靠性分析奠定了基础。