白艷彬, 劉 俊, 薛鴻祥, 唐文勇

(上海交通大學,上海 200240)

深水半潛式鉆井平臺總體強度分析

白艷彬, 劉 俊, 薛鴻祥, 唐文勇

(上海交通大學,上海 200240)

以某新型第六代深水半潛式鉆井平臺為分析對象,依據(jù)三維繞射理論計算波浪誘導載荷與運動,采用譜分析法確定設計波參數(shù),進行了自存、作業(yè)等裝載情況下21個波浪工況的波浪載荷預報,并建立三維有限元模型完成了平臺結構總體強度分析。結合波浪載荷預報及結構分析結果,提出了計算工況選取原則及控制總體強度的關鍵因素,可為今后深水半潛式平臺的結構設計、總體強度分析、選取疲勞強度典型節(jié)點及形式優(yōu)化提供參考。

深水半潛式平臺;強度;波浪載荷;工況選取

Abstract:Global strength analysis of a sixth generation deep-water semi-submersible platform is demonstrated in this paper.Wave induced loads and platform motion are calculated by means of three-dimensional diffraction method.The parameters of design wave are obtained by spectrum analysis method.Wave load prediction of 21 wave load conditions in three different situations is described.At the same time,three-dimensional FEM model is established to analyze structure general strength of the platform.Combining with wave load prediction and structure analytic results,principles of condition selection and key factors which control general strength are put forward.Such conclusions will be as some references to design,structural strength analysis,selection of typical nodes for fatigue assessment and structure optimization in the future.

Key words:deep-water semi-submersible platform;general strength;wave load;condition selection

0 引言

新型半潛式鉆井平臺在抗風浪能力、甲板變載能力、工作水深、鉆井深度以及多功能作業(yè)(鉆井、完井、試油、生產、修井、起重和鋪管)等方面與另外兩種主流的深水平臺Spar、TLP相比,有著明顯的比較優(yōu)勢,這使得半潛式平臺成為南海油氣資源勘探開發(fā)的首選。

本文的目標平臺是國內在建的第一座代表世界先進水平的第六代深水半潛式平臺,結構形式上采用箱式上部結構、雙浮體、四立柱、雙橫撐的形式,無斜撐設計避免了出現(xiàn)復雜管節(jié)點疲勞破壞的可能性。但是箱式甲板縱向與橫向的大跨度特點及無斜撐設計使平臺的總體強度分析成為保證平臺結構安全的首要任務。

國內建造的深水平臺數(shù)量不多,但對其結構強度分析一直很受重視。文獻[1,2]根據(jù)船級社規(guī)范進行了平臺的結構強度校核;文獻[3]提出Spar平臺總體強度分析方法,但這些研究均未涉及計算工況的選取原則,船級社也未明確給出針對半潛式平臺的分析工況選取原則。海洋平臺總體強度分析的關鍵是計算波浪誘導載荷與運動,文獻[4]采用三維繞射理論頻域法計算了半潛式平臺的波浪載荷;文獻[5]應用時域格林函數(shù)法求解波浪與三維物體間的繞射與輻射問題。

本文采用可以考慮工作海域海況條件及結構水動力特性的譜分析方法確定設計波參數(shù),進行了自存工況、兩種作業(yè)工況共三種裝載情況下21個波浪工況的載荷預報,并完成了平臺結構總體強度三維有限元分析,在入射波與結構變形模式關系、結構應力分析的基礎上提出了計算工況選取原則及控制總體強度的關鍵因素,這些工作可為今后深水半潛式平臺的結構設計、強度分析及形式優(yōu)化提供參考。

1 總體強度分析方法

由于大型海洋結構物可以嚴重影響入射波的流場,各船級社[6～8]推薦使用三維繞射理論計算波浪載荷。本文采用三維繞射理論計算平臺濕表面的水動壓力及波浪誘導的運動,基于波浪載荷頻域法和譜分析的設計波法是一種綜合考慮船舶與海洋結構物的水動力性能、工作海域的海況條件、波浪回復周期等因素,為結構設計和分析提供適當載荷值的載荷處理方法。

結構分析采用準靜態(tài)分析方法,選擇水動力預報載荷達到極值的瞬時時刻平臺運動引起的慣性力、液艙對艙壁的水動壓力與濕表面水壓力施加到結構有限元模型進行有限元計算。

1.1 波浪載荷

深水平臺對入射波流場影響大,繞射與輻射引起的繞射力與慣性力是波浪誘導載荷的重要分量。繞射理論假設流體是均勻、不可壓縮、無旋的理想流體,并且不計自由表面張力(簡化自由表面邊界條件),在引入微幅波假設后,簡化為線性繞射理論。

基本方程為

速度勢分解為

式中:ΦI為入射勢;ΦR為輻射勢;ΦD為繞射速度勢。

計算波浪載荷的波面升高使用Airy波,波高表示為

無航速入射波速度勢表示為

波浪載荷計算中繞射勢與輻射勢滿足物面條件,使用在平臺濕表面布置點源形式的 Green函數(shù)來表示流場勢函數(shù)。平臺六個自由度運動臨界阻尼系數(shù)需要根據(jù)水動力模型試驗的結果進行修正,本文波浪載荷計算采用的臨界阻尼系數(shù)參考文獻[9]的水池模型實驗進行修正,垂蕩運動臨界阻尼系數(shù)取2%～7%。

1.2 水動力載荷預報

平臺的波浪誘導載荷在不同周期、浪向、相位的波浪條件下差異很大,需要根據(jù)結構形式、裝載工況和工作環(huán)境選擇合適的預報載荷以搜索出對結構最不利的波浪。水動力載荷預報的目的在于確定對結構強度影響最大的波浪。

根據(jù)半潛式平臺水動力性能研究,水動力載荷預報的載荷有浮箱間的橫向力、水平橫向扭矩、中縱剖面垂向剪切力、甲板處縱向與橫向運動引起慣性力、浮箱垂向彎矩等。本文根據(jù)甲板設備布置及平臺結構特點增加中橫剖面的垂向彎矩及平臺垂向運動引起的慣性力的預報,以考察平臺沿橫向的垂向彎曲強度及重型設備放置處的結構強度。

1.3 設計波參數(shù)確定

設計波參數(shù)包括波幅、浪向、波浪頻率、相位。確定設計波波幅的方法有確定性方法與譜分析方法。文獻[1]采用極限波高法確定設計波波幅,但極限波高法不能考慮平臺的水動力特性及工作區(qū)域的環(huán)境特點。

譜分析方法確定設計波參數(shù)主要有3個步驟:

(1)確定水動力預報載荷;

(2)計算預報載荷的幅頻響應函數(shù),確定設計波的浪向、波頻及相位;

(3)確定設計波波幅,設計波波幅是載荷長期預報值與幅頻響應函數(shù)幅值的比值。

2 結構分析

2.1 環(huán)境條件

2.2 計算模型

結構分析使用的計算模型包括結構模型、質量模型、水動力模型與液艙模型,如圖1～圖4所示。波浪載荷使用SESAM/Wadam計算,結構分析使用SESAM/Sestra。水動力模型及質量模型用來計算平臺濕表面的水動壓力及運動響應。液艙模型用來模擬液貨對平臺質量的貢獻及結構計算時將液艙的水動壓力映射到結構模型。

結構模型與水動力模型使用右手直角坐標系,原點取在平臺中縱剖面與中橫剖面相貫線與基面相交處。x軸為縱向軸,從尾部指向首部為正;y軸為橫向軸,從中心線指向左舷為正;z軸為垂向軸,從基面向上為正。

2.3 位移邊界條件

結構有限元計算時需要消除平臺六個自由度的剛體運動,選取3個節(jié)點約束剛體位移,節(jié)點取在浮體的一個與水平面平行的平面內。節(jié)點1、2位于右舷浮箱中縱艙壁,節(jié)點3位于左舷浮箱中橫艙壁。節(jié)點1:Ux=Uy=Uz=0;節(jié)點2:Uy=Uz=0;節(jié)點3:Uz=0。

2.4 設計波參數(shù)

根據(jù)工作海域的海洋環(huán)境條件,采用譜分析方法確定的自存工況及兩個作業(yè)工況的設計波參數(shù)見表1～表3,相位表征入射波與結構的相對位置,作為結構分析的初始相位。

表1 自存工況設計波參數(shù)

表2 作業(yè)工況1設計波參數(shù)

表3 作業(yè)工況2設計波參數(shù)

2.5 結果分析

2.5.1 入射波與結構變形模式

引起平臺甲板最大縱向慣性力、橫向慣性力和最大垂向加速度的入射波為首浪和橫浪。引起平臺主要變形模式:縱向垂向彎曲、浮箱橫向分離及扭轉、縱向垂向剪切的入射波波長及相位。其與平臺尺寸及位置的相對關系分別見圖5～圖8。2.5.2 結構應力分析

根據(jù)CCS[6]、ABS[7]規(guī)范推薦結構強度校核使用單元形心處中面等效應力。

計算工況0對應靜水工況,其他計算工況是靜水與波浪工況的組合工況,其設計波參數(shù)見表1～表3。計算工況編號1～7對應縱向最大垂向彎曲狀態(tài)、最大橫向受力狀態(tài)、最大水平橫向扭轉狀態(tài)、甲板最大橫向慣性力狀態(tài)、甲板最大縱向慣性力狀態(tài)、平臺最大垂向加速度狀態(tài)、縱向最大垂向剪切狀態(tài)。

圖8 縱向最大垂向剪切狀態(tài)

由分析結果可知21個工況下結構應力分布都較為均勻。其中自存工況的計算工況3時平臺應力水平最高。計算工況3也即頻率0.8 rad/s,浪向120°斜浪工況,同時該工況會發(fā)生最大水平橫向扭轉變形。圖9是該工況下變形圖與等效應力云圖,可以看出結構總體應力分布均勻,除高應力區(qū)外,上部結構的總體應力水平在180 MPa以下,總體應力水平較高的構件為上部結構的上層甲板及雙層底的甲板外底板;立柱、橫撐、浮箱的總體應力水平在140 MPa以下。

21個計算工況平臺的各主要構件最大Von Mises應力見表4,雖然大部分區(qū)域應力分布均勻,應力水平合理,但各部分也存在明顯的較高應力區(qū):

(1)上部結構:四層甲板月池角隅,位于立柱外殼板靠近月池的兩側板上方的上部結構連續(xù)縱橫艙壁連接處。

(2)立柱與橫撐:立柱外殼板與浮箱外殼板連接處,立柱中縱艙壁底部,立柱外殼板中靠近月池的兩側板,橫撐與立柱外殼板相接處。

(3)浮箱:浮箱中縱艙壁與立柱外板相接靠近浮箱首部與尾部的連接處。

表4 各計算工況平臺主要構件最大Von Mises應力 單位:MPa

0 1 2 3 4 5 6 7自存工況 274.9 286.9 254.3 381.5 309.9 250.0 291.4 342.2作業(yè)工況1 299.4 307.7 277.2 341.4 268.2 268.2 299.4 352.3作業(yè)工況2 230.3 246.9 216.0 250.4 224.1 224.1 246.5 275.4

2.5.3 平臺不同計算工況最大Von Mises應力變化特點

通過分析計算工況的入射波狀態(tài)與結構變形模式的關系(見圖5～圖8,入射波狀態(tài)見表1～表3),各計算工況平臺高應力區(qū)分布及各部分最大Von Mises應力變化特點(見圖10～圖12),可以得到總體強度分析工況選取原則以及影響總強度的關鍵因素:

(1)對平臺的總體強度要求最高的是斜浪工況中使得平臺產生最大水平橫向扭轉狀態(tài)的波浪工況,其次是橫浪工況產生縱向最大垂向剪切狀態(tài)的波浪工況。

圖10 自存工況平臺各部分主要構件最大Von Mises應力

(2)對平臺強度要求最低的計算工況是靜水工況與其他的橫浪及首浪工況,這些工況上部結構的主要變形為橫向與縱向彎曲變形。

從平臺的變形模式及控制總體強度關鍵因素的分析可以得到結構設計的一些建議:

(1)靜水工況與其他浪向工況下,平臺的主要變形模式為箱式甲板的橫向與縱向彎曲變形,因此在設計階段需要確保平臺上部結構有充足的彎曲強度。橫向彎曲強度由上部結構與橫撐保證,與縱向彎曲強度相比,橫撐的縱向彎曲強度明顯弱于浮箱的縱向彎曲強度,所以尤其需要注意上部結構的橫向彎曲強度。

(2)水平橫向扭轉強度與垂向剪切強度主要由上部結構的四層甲板及連續(xù)橫艙壁提供,考慮到平臺的橫向跨度大及平臺中部由大開口月池的結構特點,設計時應特別注意連續(xù)艙壁數(shù)目及位置的布置。

3 結論

平臺總體強度分析涉及有限元建模、環(huán)境參數(shù)選取、波浪載荷計算及長期預報。根據(jù)水動力載荷幅頻響應特點及21個波浪組合工況的結構變形及應力分析結果,得到如下結論:

(1)對于結構形式與本文相似的半潛式平臺進行強度分析可以參考以下原則:①搜索產生最大水平橫向扭轉狀態(tài)的斜浪,在該斜浪工況下校核平臺的結構強度;②選擇最大縱向剪切狀態(tài)的橫浪工況進行結構的強度校核;③選取橫向最大垂向彎曲狀態(tài)校核結構強度,尤其是橫撐結構的彎曲強度。

(2)控制目標平臺總體強度的關鍵因素:平臺的橫向扭轉強度、沿縱向的垂向剪切強度(尤其是上部結構的垂向剪切強度)是控制總體強度的關鍵因素。雙浮體、多立柱、無斜撐的半潛式平臺結構設計時應特別注意其橫向扭轉強度和沿縱向的垂向剪切強度,結構分析時也應重點校核。

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Global Strength Analysis of A Deepwater Semi-Submersible Platform

BAI Yan-bin, LIU Jun, XUE Hong-xiang, TANG Wen-yong
(Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

U661.43

A

1001-4500(2010)02-0022-06

2009-10-09

國家(八六三)項目“3 000 m水深半潛式鉆井平臺關鍵技術研究”(2006AA09A103)

白艷彬(1983-),男,碩士研究生,主要從事船舶與海洋工程結構物強度及疲勞強度研究。