基于带缆工况下的导管架主腿结构强度分析

靳宝旺

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

新建海洋平台或导管架海上安装时，如果周边作业区域较为开阔，一般会将工作锚投于水中着地，以此将主作业船牢固的系留在既定位置，如果主作业船距离已建平台过近，抛锚受限，工作锚将无法抛入水中，为保持船身稳定，一般会将高强度尼龙缆绳系固在已安装导管架的主腿上，来替代工作锚，以此来保障海上施工的顺利进行。

本文将以此施工技术为研究对象，采用SACS软件和ANSYS软件对于主腿结构强度分别进行校核，其中利用SACS软件对用于系固缆绳的已建导管架进行整体强度校核，利用ANSYS软件对于系固主腿进行局部强度校核，通过双重校核，来验证系固主腿强度是否满足要求。

1 导管架带缆布置图

以某渤海导管架海上安装为例，新建平台在进行海上安装时，由于空间受限，主作业船需带缆到已建临近导管架的主腿上，其中1号锚缆需要带缆到B1主腿上，2号锚缆需要带缆到B3主腿上，1号锚缆的角度变化范围为：52°～15.9°，2号锚缆的角度变化为67.8°～17.7°，水平带缆布置图如下图1所示。

图1 水平带缆布置图

缆绳系固在导管架主腿和第一水平层的相交位置，该位置处的导管架主腿管径φ2100mm，壁厚60mm，腿内钢桩管径φ1830mm，壁厚45mm，主腿带缆位置详图如下图2所示。

图2 主腿带缆位置详图

2 导管架整体强度校核

导管架整体强度校核包括杆件UC校核，节点LOAD UC校核，钢桩UC校核，钢桩的承载力校核。

整体强度校核采用SACS 5.7软件，SACS模型包括全部已建导管架结构和上部平台结构，系固工况为平台自重，导管架自重，风浪流等环境条件与最大锚缆力的组合，详细工况组合情况详见表3-表4。

2.1 环境条件

环境条件主要包括风浪流，计算中需考虑8个方向的环境力，即4个平行方向（ 0°，90°，180°和270°），4个斜向方向，（45°，135°，225°和315°）。相关环境参数详见表1。

表1 系固工况下的环境参数

2.2 破断荷载与工况组合

根据安装方提供的数据，缆绳的最大破断力为250吨，结合#1号缆，#2号缆的角度变化范围，计算中考虑2种极限工况组合，模型中施加的破断荷载详见表2.

表2 缆绳破断荷载

计算中结合平台自重，导管架自重以及环境条件，与破断荷载进行组合，组合后的工况详见表3-表4。

表3 缆绳破断工况（抗压工况）

表4 缆绳破断工况（抗拉工况）

表中WTMX为结构最大自重，WTLT为结构最小自重，通过与环境力和破断荷载的不同组合，来分别验证导管架在抗压和抗拉两个工况下，整体结构强度是否均满足要求，N001-N008为环境力，PD01/PD02为破断荷载。

2.3 计算结果分析

SACS计算结果显示，所有杆件UC均小于1.0，节点LOAD UC均小于1.0，钢桩UC均小于1.0，满足整体结构强度要求，钢桩的承载力安全系数大于2.0，满足规范要求。

3 导管架局部强度校核

SACS软件模拟的是杆系结构，能提供较为准确的整体结构强度分析结果，为提高验证的准确性，本文采用ANSYS 17.1软件，对系固主腿进行二次局部强度校核，ANSYS作为通用的有限元软件，在进行结构局部强度分析时，将会提供更好的局部应力分布结果。

3.1 系固主腿局部有限元模型

对B1腿和B3腿局部结构分别进行建模，采用ANSYS软件建立两种结构形式的有限元模型，模型包括系固主腿和临近所有拉筋结构，模型中系固主腿管径Φ2100mm，内部含打入桩，构成双层管结构，计算中使用拟合壁厚75mm，临近拉筋的规格为Φ1016mm X 32mm和Φ1016mm X45mm。

有限元模型采用SHELL181壳单元，网格划分为100mm，几何模型和有限元模型如下图所示：

图3 B1系固主腿几何模型

图4 B1系固主腿有限元模型

图5 B3系固主腿几何模型

图6 B3系固主腿有限元模型

3.2 边界条件和荷载施加

系固主腿上下端面和所有拉筋根部端面六个自由度全约束，即限制住三个方向的平动位移和三个方向的转动位移，有限元模型边界条件详见图7-图8。

图7 B1系固主腿边界条件

图8 B3系固主腿边界条件

为简化计算，外部受力仅考虑缆绳荷载，不考虑风浪流等环境力，其中缆绳荷载施加在与锚缆方向垂直的主腿半圆区域上的所有节点，为模拟系固主腿的真实受力情况，荷载大小采用余弦力的方式进行加载，锚缆力从受力中心向两边依次递减，计算中采用的破断荷载为250吨，锚缆方向详见表2，具体荷载施加情况详见图9-图12。

图9 B1系固主腿施加载荷-PD01工况

图10 B1系固主腿施加载荷-PD02工况

图11 B3系固主腿施加载荷-PD01工况

图12 B3系固主腿施加载荷-PD02工况

3.3 计算结果分析

四种工况下的有限元结果如下图所示，最大的Von Mises Stress结果为86.382Mpa，位于缆绳在主腿上的受力区域，按照许用应力0.67xFy=0.67x355=237.85Mpa验证，结果满足要求，从图中可以看到，整体应力分布均匀，受力形式较好。

图13 B1系固主腿计算结果-PD01工况

图14 B1系固主腿计算结果-PD02工况

图15 B3系固主腿计算结果-PD01工况

图16 B3系固主腿计算结果-PD02工况

4 结语

本文通过SACS软件和ANSYS软件对于导管架系固主腿结构强度进行了双重校核，得出了系固主腿在250吨锚缆力下的应力分布与局部变形大小，计算分析表明，结果均满足要求，该计算方法的探讨，为今后海上带缆施工，提供了一种新的解决方案与分析思路，为保障海上安全顺利施工，提供了技术支持。