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(中海油研究總院，北京 100028)

南海海域張力腿平臺(tái)總體和局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

馮加果，謝彬，王春升，謝文會(huì)，王世圣

(中海油研究總院，北京 100028)

參考國(guó)際海洋工程行業(yè)中TLP平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的經(jīng)驗(yàn)和工程做法，以某TLP為例完成總體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，驗(yàn)證該平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，但平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚有一定優(yōu)化空間。

張力腿平臺(tái)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；荷載施加；有限元

張力腿平臺(tái)(tension leg platform，TLP)是我國(guó)南海深水油氣開發(fā)所倚重的重要平臺(tái)型式之一[1-2]，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是確保平臺(tái)在役期間安全運(yùn)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)，通過強(qiáng)度分析可以確定危險(xiǎn)工況及平臺(tái)結(jié)構(gòu)在相應(yīng)海況環(huán)境下的響應(yīng)，還可以有針對(duì)性地捕捉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和部位，為下一步的詳細(xì)設(shè)計(jì)、建造、特檢等提供指導(dǎo)[3-5]。我國(guó)海域目前尚沒有使用TLP平臺(tái)，需要借鑒國(guó)際海洋工程行業(yè)積累的經(jīng)驗(yàn)，因此，考慮基于某潛在的TLP工程項(xiàng)目，介紹國(guó)際海洋工程界對(duì)TLP平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的經(jīng)驗(yàn)做法，同時(shí)對(duì)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和探討，總結(jié)TLP平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)分析的難點(diǎn)、重點(diǎn)。

1 TLP總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法

根據(jù)TLP的總體尺度規(guī)劃和結(jié)構(gòu)尺度規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)果，建立TLP整體結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元模型，并根據(jù)重量控制報(bào)告檢查重量、重心等信息，確保TLP的整體結(jié)構(gòu)模型的幾何信息、重量信息等與設(shè)計(jì)值一致，其中TLP總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中的水動(dòng)力載荷采用設(shè)計(jì)波方法提供，下船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析流程圖見圖1。

圖1 下船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析流程圖

1.1 工況及環(huán)境條件要求

根據(jù)《API-RP-2T》(2010版)[6]的推薦做法，TLP平臺(tái)強(qiáng)度分析考慮如下環(huán)境條件及工況。

操作工況：1年一遇臺(tái)風(fēng)環(huán)境條件。

極端工況：100年一遇臺(tái)風(fēng)環(huán)境條件。

生存工況：1 000年一遇臺(tái)風(fēng)環(huán)境條件。

根據(jù)《ABS MODU》規(guī)范[7]的規(guī)定，平臺(tái)在操作工況、極端工況和生存工況下，需要針對(duì)以下典型工況獲取總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的設(shè)計(jì)波。

1)下船體間最大橫向撕裂力。

2)關(guān)于平臺(tái)水平橫向軸的最大橫向轉(zhuǎn)矩。

3)2下船體之間的最大縱向剪切力。

4)下船體最大垂向彎矩。

5)最大縱向甲板慣性力。

6)最大橫向甲板慣性力。

設(shè)計(jì)波流程及方法參見《ABS MODU規(guī)范》[7]。

1.2 校核標(biāo)準(zhǔn)

TLP總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的校核標(biāo)準(zhǔn)參考ABS MODU規(guī)范[7]，各工況安全系數(shù)如表1所示。

1.3 荷載施加

根據(jù)《API-RP-2T》(2010版)[6]和業(yè)界做法，TLP總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中需要考慮靜荷載和動(dòng)荷載，其中靜荷載包括靜水壓、立管預(yù)張力、張力腿預(yù)張力、重力、偏移和沉降引起的靜水壓、風(fēng)荷載，動(dòng)荷載包括水動(dòng)力荷載、慣性力、波浪爬升動(dòng)水壓荷載等。有以下幾點(diǎn)需要注意。

表1 各工況安全系數(shù)表

1)為了考慮立管和張力腿的動(dòng)力效應(yīng)引起的TLP平臺(tái)結(jié)構(gòu)荷載響應(yīng)的影響，在施加立管預(yù)張力和張力腿預(yù)張力中，考慮將張力腿和立管干重的1/3作為質(zhì)量考慮到結(jié)構(gòu)模型中。

2)在wamit計(jì)算提供的波浪力中未考慮波浪爬升引起的波浪力，因此在結(jié)構(gòu)模型中單獨(dú)考慮波浪爬升動(dòng)水壓荷載，國(guó)外業(yè)界取值為：從浮箱以上到水線面的立柱波浪力的10%～14%。

3)雖然根據(jù)DNV-RP-C103 COLUMN STABILISED UNITS[8]的建議，在柱穩(wěn)性平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中可以忽略風(fēng)力和流力，但《API-RP-2T》(2010版)[6]建議在TLP總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中采用1 h平均風(fēng)速來考慮風(fēng)荷載。

1.4 邊界條件

與其他類型的平臺(tái)不同，TLP總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中的邊界條件需要考慮張力腿和立管(TTR)剛度的影響，采用彈簧單元在X,Y,Z方向上模擬邊界條件，彈簧剛度采用下列公式。

Kz=EA/L

(1)

Kx=Ky=T/L

(2)

式中：Kz為軸向剛度；Kx為x方向水平剛度；Ky為y方向水平剛度；A為張力腿最小截面面積；L為張力腿長(zhǎng)度；T為張力腿預(yù)張力；E為彈性模量。

2 TLP平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法

完成TLP平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析后，篩選出需要重點(diǎn)關(guān)注的局部結(jié)構(gòu)，開展這些局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析采用ANSYS軟件，其模型可以從總體結(jié)構(gòu)模型中獲取，也可以重新建立，但要求建立的結(jié)構(gòu)模型更精細(xì)，尤其是比較關(guān)注的連接部位需要詳細(xì)建模，大梁建議采用板單元模擬。一般情況下，在ANSYS中板單元采用shell181，梁?jiǎn)卧捎胋eam188，其中張力腿固定結(jié)構(gòu)Tendon Porch、立柱與上部模塊連接結(jié)構(gòu)Mating Post等需要采用鑄造結(jié)構(gòu)Casting的部位采用solid 285實(shí)體單元。在劃分網(wǎng)格單元時(shí)，大部分網(wǎng)格可采用總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的網(wǎng)格密度，對(duì)于總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中應(yīng)力較大的連接部位以及根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷需要關(guān)注的部位，其附近的網(wǎng)格密度為4t～8t，t為板厚。局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型中的邊界遠(yuǎn)離關(guān)注的區(qū)域，在切面上的節(jié)點(diǎn)X，Y，Z3個(gè)方向固定約束即可。局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的校核標(biāo)準(zhǔn)與總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析相同。

3 算例

根據(jù)前述方法，采用ANSYS軟件進(jìn)行某TLP平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。建立的總體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖2，總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表2。結(jié)論如下。

圖2 某TLP平臺(tái)下船體總體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

1)船體的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；

2)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度UC值大部分在0.4左右，部分在0.1左右，UC值較大部位見表2。從結(jié)果可以看出，該平臺(tái)部分構(gòu)件優(yōu)化空間較大，比如立柱通道、立柱水平艙壁等。

3)該平臺(tái)的控制工況是操作工況(1年一遇)，部分位置生存工況(1 000年一遇)的UC值較大，但與操作工況相差不大，最大UC值為0.71(對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力170.7 MPa)，出現(xiàn)在1年一遇工況下的Mating Post結(jié)構(gòu)。

4)對(duì)比各區(qū)域UC值可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的區(qū)域主要有立柱與上部模塊連接結(jié)構(gòu)Mating Post、立柱與浮箱連接結(jié)構(gòu)Node和張力腿固定結(jié)構(gòu)Tendon Porch等，在局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中予以關(guān)注。

根據(jù)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果，重點(diǎn)針對(duì)Mating Post、Node和Tendon Porch 3個(gè)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，這3個(gè)局部結(jié)構(gòu)模型圖分別如圖3～5所示，局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果分別見表3～5，從分析結(jié)果可以得到以下認(rèn)識(shí)。

表2 某TLP平臺(tái)下船體總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖3 Mating Post局部結(jié)構(gòu)模型

圖4 Node局部結(jié)構(gòu)模型

圖5 Tendon Porch局部結(jié)構(gòu)模型

1)Mating Post局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，控制工況為1年一遇操作工況，應(yīng)力較大結(jié)構(gòu)為Post及Post與立柱連接的過渡肘板，最大UC值為0.78。

2)Node局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，但有3處結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中的熱點(diǎn)應(yīng)力，分別位于肘板末端，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)這3處強(qiáng)度超過規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)不在浮箱與立柱連接的主要傳力構(gòu)件上，不會(huì)對(duì)立柱與浮箱連接局部關(guān)鍵連接位置的應(yīng)力產(chǎn)生影響，只是由于這3塊肘板引起應(yīng)力集中，可通過修改肘板形狀等方式予以改善。

3)Tendon Porch局部結(jié)構(gòu)分析中，立柱內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)以及Tendon Porch與立柱連接的結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求，但鑄件以及鑄件與立柱連接的大肘板上存在一些熱點(diǎn)應(yīng)力(如圖6所示)，主要是由于連接的大肘板與鑄件連接部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，考慮通過將連接部位也采用鑄件Casting即可改善?？偠灾琓endon Porch局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱位置為Casting以及Casting與立柱連接的大肘板，這是設(shè)計(jì)難點(diǎn)和重點(diǎn)，對(duì)平臺(tái)安全非常關(guān)鍵，需要在詳細(xì)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注。另外，與其他局部結(jié)構(gòu)分析工況不同，由于Tendon Porch局部結(jié)構(gòu)的載荷受Tendon分析工況的影響，因此，除了所介紹的分析工況，Tendon Porch局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析還需要考慮1根張力腿移除的相關(guān)組合工況。

圖6 Tendon Porch局部結(jié)構(gòu)中鑄件和支撐的大肘板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表3 Mating Post局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型

表4 Node局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

表5 Tendon Porch局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

4)比較3個(gè)局部位置的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可以看出，Tendon Porch局部結(jié)構(gòu)問題最嚴(yán)重，需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，說明該位置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是TLP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4 結(jié)論

1)分析結(jié)果表明該TLP平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，控制工況主要為一年一遇操作工況，1 000年一遇生存工況對(duì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較小，Mating Post、Node和Tendon Porch是局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析的重點(diǎn)。

2)鑒于該TLP平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中大部分UC值較小(0.4左右)，說明該平臺(tái)結(jié)構(gòu)有優(yōu)化的空間，將UC值較小的構(gòu)件適當(dāng)減小尺寸，同時(shí)優(yōu)化部分肘板的弧度或尺寸，將應(yīng)力集中的能量適當(dāng)釋放。

3)從Tendon Porch局部結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，Tendon Porch結(jié)構(gòu)的鑄件以及鑄件與立柱連接的大肘板存在較大的熱點(diǎn)應(yīng)力，該位置的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，說明該位置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是TLP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，建議今后加強(qiáng)對(duì)這一位置的研究分析。

[1] “典型深水平臺(tái)概念設(shè)計(jì)研究”課題組.張力腿平臺(tái)安裝分析[J].中國(guó)造船,2005,46(增刊):457-463.

[2] 謝彬,張愛霞,段夢(mèng)蘭.中國(guó)南海深水油氣田開發(fā)工程模式及平臺(tái)選型[J].石油學(xué)報(bào),2007,28(1):115-118.

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[4] 姜哲,崔維成,李陽(yáng),等.張立腿平臺(tái)浮箱框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016(10):56-61.

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[8] Det Norske Vertas. DNV-RP-C103. Column Stabilized Units[S].DNV,2012.

Structural Global and Local Strength Analysis of Tension Leg Platform in South China Sea

FENGJia-guo,XIEBin,WANGChun-sheng,XIEWen-hui,WANGShi-sheng

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

The experience and engineering practice of foreign industries for the global and local structure strength analysis of the TLP platform was studied. The global structural strength and local structure strength of a certain TLP was assessed. The results showed that the structural strength of the platform can meet the code requirements, but the platform structure design still has some optimization space.

tension leg platform (TLP); structural strength assessment; loading; FEM

U674.38;U661.43

A

1671-7953(2017)05-0170-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.044

2017-02-27

修回日期：2017-03-22

國(guó)家973計(jì)劃(2015CB251203)

馮加果(1985—)，男，碩士，高級(jí)工程師

研究方向：海洋工程浮式平臺(tái)