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冲桩管设计和强度研究方法探析 　　摘 要：本文基于自升式钻井平台冲桩管线及其支架进行研究，给出冲桩管线壁厚计算方法及冲桩管线方案设计。参考CCS规范确定材料许用应力，计算冲桩管线的环境载荷并对支撑结构进行有限元分析，实践证明该结构设计合理，安全可靠。 关键词：自升式钻井平台；冲桩管；支架；有限元 中图分类号：TU41 文献标识码：A 1引言 随着全球经济的发展，人类对油气资源需求与日俱增，陆地上石油资源日益枯竭，人们目前开始把目光逐渐转移到海洋领域之中，并加快了海洋工程的迅猛发展。自升式钻井平台是目前海洋工程钻采装备的主流产品，其数量超过钻采装备数量一半以上。桩腿、桩靴为自升式钻井平台主要承力单元，桩腿强度评估是平台整体性能的一个重要指标，桩腿、桩靴除起支撑功能外，冲桩管作为其附属结构，在平台升降过程中，亦起到至关重要的作用，冲桩管可以冲刷桩靴表面淤泥及海洋吸附生物，保障提升效率及桩靴、桩腿结构安全。如果平台冲桩系统发生故障，仅靠锁紧升降单元强行拔桩，导致平台事故概率较大。因此，为保障冲桩管安全作业，冲桩管及其支撑结构强度分析意义重大。本文结合目标平台对冲桩管及其支撑结构设计理论进行探讨，并结合SESAM有限元分析软件对结构强度进行分析，给出一套高效精确的冲桩管设计方法。 2 冲桩管设计 2.1冲桩管壁厚计算方法 （1） 计算承内压管壁厚不小于按照公式 a：根据管子外径计算所得最小壁厚； b：根据管子内径计算所得最小壁厚. 直管截面的最小壁厚按公式c： （2） 以下术语用于直管的压力计算 （3） 管材为GB/T5312-99，碳钢410-I级，按照以下物理性能选取： （4） 参照表1数据，利用上述公式计算冲桩管路的壁厚：Φ140×12 碳钢410-I级 2.2冲桩管方案设计 桩靴上应设置一套双冲桩系统，冲桩系统由桩靴下表面喷冲管线和桩靴上表面喷冲管线组成。（如图a）桩靴下表面喷冲管线设2组各6个喷嘴，桩靴上表面冲泥管线设2组各6个喷嘴，2组喷嘴位置错开布置（如图b）。同时增设一组6个喷嘴在桩靴侧面（如图c），此喷嘴设计也是设计的一个创新点，并送审CCS船级社得到认可。 每个桩腿上都装有两根125mm的立管（工作压力104bar），的均带有足够数量的出口以便在任何高度都能进行冲桩。其中左右桩腿冲桩管之间设置一个导管作为扬水管滑动的导轨（如图d）。 2.3冲桩管支架设计 2.3.1冲桩管支架主要是依据以下设计原则： （1）冲桩管支架本身要起到固定冲桩的作用，由于本平台桩腿采用K字结构形式，桩腿支架横梁距离L原大于正常管路直管段支架要求，因此，在本项目设计过程中重新设计出一种新型的支架形式。保证冲桩管路本身的强度支撑，要保证冲桩管在桩腿上面任意位置的牢固性、可靠性。 （2）冲桩管支架设计必须保证潜水泵及扬水管在桩腿上下滑动的顺畅型，要求对本设计设计尺寸及结构形式必须要准确，否则将影响平台整个冲桩管使用及潜水泵的正常使用。防止扬水管固定支架和冲桩管支架相互碰撞导致在平台升降过程及海水泵提升过程发生安全事故。 （3）冲桩管支架设计选择材料EH36、厚度12.5mm，根据相关设计要求和规范，进行冲桩支架结构形式的设计，然后运用Aveva Marine12、AutoCAD、SESAM软件进行几何建模、有限元建模、设计工况强度分析，并不断进行结构设计改进以取得最优化的设计参数，最后本文支架如图2形式。 3 冲桩管有限元强度分析 3.1冲桩管有限元建模 采用SESAM软件对冲桩管路及支架建立单元模型。 3.2载荷分析 3.2.1重力及浮力载荷 包括平台冲桩管、冲桩管支架、扬水管及潜水泵的重力和浮力。 3.2.2风载荷 参考海上移动平台入级规范2012版，相关章节设计载荷风力载荷的计算公式： 公式中，P=0.613v2（Pa）为风压；S为受风构件正投影面积；Ck为暴漏在风中的形状系数。分析中将计算所得风载荷均匀分配到各个构件参考点上。 3.2.3波浪及海流载荷 参考海上移动平台入级规范2012版，相关章节设计载荷中波浪载荷可用莫里逊（Morision）公式计算。莫里逊公式的一般形式为： 式中： 小尺度构件垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力；FD——曳力，KN/m ； ρw——海水密度，t/m3；A——单位长度构件在垂直于矢量方向上的投影面积，m2/m；CD——曳力系数；CA——附连质量系数；CM——惯性力系数 CM=CA+1； V——单位长度构件的体积，m3/m；u——垂直于构件轴线水质点速度分量m/s；当海流与波浪联合作用时， 为波浪水质点的速