王一江 夏侯命勝 羅東紅 楊東亞 楊 玥 沈玉琦

（1.中海石油深海開發(fā)有限公司 珠海518000；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240）

引 言

張力腿平臺(tái)是一種半順應(yīng)式半剛性平臺(tái)［1］，主要由平臺(tái)上體、立柱、浮箱、張力腿和錨固基礎(chǔ)這五部分組成。由于該類平臺(tái)不僅垂蕩運(yùn)動(dòng)較小，而且控制方向的張力對非控制方向的運(yùn)動(dòng)具有牽制作用，所以漂移搖擺的幅度也比一般半潛式平臺(tái)小，在波浪中具有較好的運(yùn)動(dòng)性能，很好地解決了傳統(tǒng)移動(dòng)式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能和定位難以滿足深水作業(yè)需求的問題，還具有造價(jià)低，干濕采油樹均可布置等優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛地應(yīng)用于深海油氣開發(fā)領(lǐng)域［2-3］。

張力腿平臺(tái)主要承受復(fù)雜多變的風(fēng)、浪、流載荷以及浮體、立管和張力腿系統(tǒng)的動(dòng)力載荷。為滿足功能與安全性要求，需要對張力腿平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究，主要包含總強(qiáng)度分析和局部強(qiáng)度分析（關(guān)鍵連接部位）兩部分。本文根據(jù)API、ABS和DNV等設(shè)計(jì)規(guī)范，針對某張力腿平臺(tái)在LIUHUA邊際油田海域環(huán)境條件下，進(jìn)行張力腿平臺(tái)總強(qiáng)度計(jì)算分析和研究；并根據(jù)張力腿平臺(tái)獨(dú)有的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，深入探討其總強(qiáng)度分析工況及載荷，基于波陡理論的隨機(jī)海況波浪條件下設(shè)計(jì)波的確定，計(jì)算不同階段張力筋腱的模擬和各計(jì)算工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的選取。本文旨在研究張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載能力及載荷傳遞路徑，為類似平臺(tái)設(shè)計(jì)提供參考。

1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)

張力腿平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)主要由浮箱、立柱和上部組塊（或上部模塊主框架）結(jié)構(gòu)三個(gè)部分組成，各個(gè)部分自成一體又相互連接，以抵抗不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下的自重、功能載荷以及環(huán)境載荷，其整體示意圖如圖1所示。由于張力腿平臺(tái)的構(gòu)造特點(diǎn)，其主要承載構(gòu)件間的連接必然存在形狀突變，易產(chǎn)生應(yīng)力集中及疲勞問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須針對該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)分析。因此，上述總強(qiáng)度載荷傳遞路徑上的結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)是平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵保證，需嚴(yán)格按照船級社規(guī)范要求，充分考慮設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性的載荷直接預(yù)報(bào)以及有限元分析的校核和驗(yàn)證。

圖1 張力腿平臺(tái)（TLP）總體示意圖

2 分析工況及載荷

張力腿平臺(tái)與單體式的船形浮體不同，總強(qiáng)度分析存在擠壓、分離力、剪切、扭矩、彎曲和慣性加速度等多個(gè)主控載荷模式［4］，通過浮箱、立柱與上部組塊（或上部模塊主框架）間保持連續(xù)關(guān)系的主要承載構(gòu)件，將上部組塊的各種功能載荷、水線以下結(jié)構(gòu)承受的波浪載荷及張力筋腱載荷等順利傳遞、擴(kuò)散至整個(gè)平臺(tái)。其總強(qiáng)度分析一般包括一年一遇作業(yè)工況、百年一遇極限工況以及千年一遇自存工況。各工況載荷均按照最不利的方向進(jìn)行組合，如表1所示。

表1 鉆臺(tái)設(shè)計(jì)載荷及工況組合

環(huán)境載荷方向及坐標(biāo)系定義見圖2所示。其中，淹沒力（Inundation load） 是指靜水線面以上的波浪壓力，主要反映了非線性波浪爬升的影響［5］。該載荷可通過CFD方法進(jìn)行精確計(jì)算，但相對其他載荷，除對水線處局部構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果產(chǎn)生影響外，對平臺(tái)總強(qiáng)度影響較小。因此，工程上單根立柱上的淹沒力大小一般取該立柱總的波浪壓力的10%，并以節(jié)點(diǎn)力的形式施加于立柱水線面位置。

圖2 環(huán)境載荷方向及坐標(biāo)系定義示意圖

3 張力筋腱的模擬

雖然張力腿平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)與一般半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)類似，但是在張力筋腱的高預(yù)張力作用下，不僅影響了平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)［6］，還導(dǎo)致平臺(tái)受力模式及計(jì)算力學(xué)模型模擬方法（尤其是考慮張力筋腱作用下的邊界條件）與其他半潛平臺(tái)有較大區(qū)別。為合理模擬張力筋腱對平臺(tái)的約束及載荷作用，本文在張力腿平臺(tái)水動(dòng)力計(jì)算模型中，通過選取Morison模型中的Tendon單元模擬張力筋腱，以便在水動(dòng)力求解時(shí)模擬其預(yù)張力及剛度；同時(shí)通過水動(dòng)力求解，得到張力筋腱上各向張力的傳遞函數(shù)，用于目標(biāo)設(shè)計(jì)波的確定以及進(jìn)一步張力筋腱抱緊器基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。在總強(qiáng)度計(jì)算模型中，通過張力筋腱模型與結(jié)構(gòu)模型合并處理方法，將張力筋腱的張力載荷通過Tendon單元傳遞至張力筋腱基座，從而更準(zhǔn)確反映平臺(tái)受力傳遞途徑。同時(shí)，為更加準(zhǔn)確模擬張力筋腱對平臺(tái)的約束作用，一般在張力筋腱基座處施加x、y、z三個(gè)方向的彈性約束（如圖3所示）。

圖3 張力腿平臺(tái)總強(qiáng)度計(jì)算邊界條件示意圖

水動(dòng)力計(jì)算中得到的張力筋腱動(dòng)態(tài)張力也可以通過該彈性單元傳遞。彈性單元三個(gè)方向剛度計(jì)算如下［5］：

軸向剛度：Kz= EA/L= 7.651E+04 （N/m）；

水平剛度：Kx=Ky=T/L= 53.049 （N/m）；式中：A為張力筋腱最小剖面面積（張力筋腱截面示意圖見圖4）；L為張力筋腱長度；T為張力筋腱預(yù)張力。

圖4 張力筋腱截面示意圖

4 腐蝕余量及安全系數(shù)的選取

張力腿平臺(tái)總強(qiáng)度分析另一關(guān)鍵因素是腐蝕余量及安全系數(shù)的選取。其中，各船級社對于腐蝕余量的規(guī)定對比［5-9］如表2所示。實(shí)際工程計(jì)算時(shí)，考慮到平臺(tái)結(jié)構(gòu)質(zhì)量對平臺(tái)總體性能的影響敏感，且對于整個(gè)平臺(tái)的防腐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般能對平臺(tái)整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)營周期進(jìn)行保護(hù)，因此在進(jìn)行總強(qiáng)度計(jì)算分析時(shí)（結(jié)構(gòu)疲勞分析除外）可以不考慮腐蝕余量。

表2 各船級社規(guī)范關(guān)于腐蝕余量的規(guī)定

強(qiáng)度校核許用應(yīng)力的確定，關(guān)鍵在于各工況下安全系數(shù)的選取。由于本目標(biāo)平臺(tái)為生產(chǎn)平臺(tái)，相對于作業(yè)周期較短的鉆井平臺(tái)（如“981半潛式鉆井平臺(tái)”），不僅計(jì)算工況更細(xì)（增加“千年一遇”海況）且衡準(zhǔn)更高（見表3）。本文應(yīng)力衡準(zhǔn)主要采用《美國海上浮式生產(chǎn)裝置入級與建造規(guī)范》（ABS FPI），該規(guī)范中對平臺(tái)構(gòu)件（GR345B鋼，F(xiàn)y= 345 MPa） 的許用相當(dāng)應(yīng)力安全系數(shù)規(guī)定參見表3。［4］屈曲強(qiáng)度安全系數(shù)參見表4。

表3 各海況下的屈服許用應(yīng)力及相應(yīng)安全系數(shù)（ABS FPI）

表4 各海況下的屈曲強(qiáng)度安全系數(shù)

5 平臺(tái)總強(qiáng)度控制工況研究

為研究張力腿平臺(tái)總強(qiáng)度控制工況及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，本文研究的目標(biāo)平臺(tái)主體由四邊形桁架式平臺(tái)上部組塊、4個(gè)圓形立柱和方形浮箱組成的下浮體構(gòu)成，其主要參數(shù)如下：

5.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)波的確定

水動(dòng)力模型包括濕表面模型、質(zhì)量模型和張力筋腱Morison模型，參見圖5。

圖5 平臺(tái)水動(dòng)力模型

其中濕表面模型單元采用三角形單元和四邊形單元，通過三維繞射理論計(jì)算平臺(tái)典型剖面載荷，獲得各工況下載荷分量的傳遞函數(shù)，最后根據(jù)波浪散布圖和波浪譜完成典型剖面載荷的短期及長期預(yù)報(bào)，確定目標(biāo)平臺(tái)設(shè)計(jì)波。在設(shè)置水動(dòng)力相關(guān)參數(shù)時(shí)，由于張力腿平臺(tái)各剖面載荷分量的波浪周期敏感區(qū)域約為3～20 s，故選取周期3～50 s，步長取1.0 s（其中10～20 s的步長取0.5 s），選取中國南海一年一遇、百年一遇和千年一遇的海況條件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。波浪載荷長期預(yù)報(bào)時(shí)選用的波浪散布圖為中國南海夏季波浪散布圖，波浪譜為JONSWAP譜。各海況波浪譜參數(shù)如圖6 -圖8所示。

圖6 一年一遇波浪譜

圖7 百年一遇波浪譜

圖8 千年一遇波浪譜

為確定強(qiáng)度計(jì)算最危險(xiǎn)海況，提高計(jì)算精度，本文在波浪載荷預(yù)報(bào)分析時(shí)，對平臺(tái)的目標(biāo)波浪載荷進(jìn)行基于波陡理論的隨機(jī)海況波浪條件下的周期敏感性分析。首先根據(jù)南海海況資料的“千年一遇”海況，在4～20 s周期下進(jìn)行目標(biāo)載荷周期敏感性分析，結(jié)合波陡限制找到目標(biāo)載荷響應(yīng)最危險(xiǎn)的短期海況周期和最危險(xiǎn)的目標(biāo)載荷。在此基礎(chǔ)上確定平臺(tái)設(shè)計(jì)波參數(shù)的，其中千年一遇自存工況下的設(shè)計(jì)波參數(shù)參見下頁表5，典型波浪載荷響應(yīng)傳遞函數(shù)參見下頁圖9 -圖16。

表5 平臺(tái)千年一遇自存工況設(shè)計(jì)波參數(shù)

圖9 LC1-平臺(tái)縱向分離力傳遞函數(shù)

圖10 LC2-平臺(tái)垂向剪力傳遞函數(shù)

圖11 LC3-浮箱扭矩傳遞函數(shù)

圖12 LC4-浮箱彎矩傳遞函數(shù)

圖13 LC5-平臺(tái)彎矩傳遞函數(shù)

圖14 LC6-平臺(tái)水平剪力傳遞函數(shù)

圖15 LC7-平臺(tái)加速度傳遞函數(shù)

圖16 LC8-平臺(tái)對角線分離力傳遞函數(shù)

5.2 平臺(tái)總強(qiáng)度模型

張力腿平臺(tái)相對半潛平臺(tái)上部組塊一般為桁架式結(jié)構(gòu)，且與下浮體連接為嵌入式，該型式與滑動(dòng)式（如FPSO的Topside滑動(dòng)支墩）的主要區(qū)別在于上部組塊結(jié)構(gòu)本身參與平臺(tái)的總強(qiáng)度。為準(zhǔn)確地反映上部組塊在平臺(tái)總強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的剛度及載荷傳遞作用，本文采用梁單元對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際尺寸模擬，在Sesam相關(guān)結(jié)構(gòu)分析模塊中建立的平臺(tái)有限元模型可參見圖17。平臺(tái)下浮體結(jié)構(gòu)甲板、艙壁等主要構(gòu)件以四節(jié)點(diǎn)或三節(jié)點(diǎn)板單元模擬，網(wǎng)格大小約0.6 m，部分關(guān)鍵連接區(qū)域處局部網(wǎng)格適當(dāng)加密。另外，為獲得相對精確的應(yīng)力分布，總模型中也包含張力筋腱抱緊器基座（Tendon Porch）以及立柱與上部組塊的對接短柱（Mating Post）等局部結(jié)構(gòu)的建模。

圖 17 總強(qiáng)度計(jì)算有限元模型及板厚示意圖

5.3 總強(qiáng)度控制工況分析

通過計(jì)算，目標(biāo)平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果參見表6，平臺(tái)下浮體外圍壁及內(nèi)艙壁應(yīng)力分布參見圖18 -圖19。

表6 目標(biāo)平臺(tái)各海況下的屈服強(qiáng)度校核結(jié)果MPa

圖18 下浮體外圍壁應(yīng)力分布云圖

圖 19 下浮體內(nèi)艙壁應(yīng)力分布云圖

通過上述結(jié)果可知，從“一年一遇”到“千年一遇”，平臺(tái)整體應(yīng)力水平隨所受波浪載荷變大而逐步增加。高應(yīng)力區(qū)位于立柱外板張力筋腱抱緊器基座區(qū)域，主要由張力筋腱載荷引起；而浮箱與立柱連接肘板以及立柱與上部組塊的對接立柱處，則主要因波浪載荷作用下船體變形所致。

下浮體（包括立柱及浮箱）外圍壁結(jié)構(gòu)的控制工況為千年一遇自存工況，而其內(nèi)艙壁及平臺(tái)構(gòu)件的控制工況為一年一遇作業(yè)工況（與其他作業(yè)海況相比，在應(yīng)力水平相當(dāng)?shù)那闆r下，其安全系數(shù)較高導(dǎo)致）。控制載荷工況主要是LC3-浮箱最大扭矩及LC8-平臺(tái)最大對角線分離力。

由于本平臺(tái)立柱為圓柱形，浮箱為方形，因此本平臺(tái)屈曲校核分為平板屈曲和曲面板屈曲強(qiáng)度校核，其中曲面板屈曲強(qiáng)度校核結(jié)果參見表7。

表7 目標(biāo)平臺(tái)各海況下的曲面板屈曲強(qiáng)度校核結(jié)果

6 結(jié) 論

由于張力筋腱系統(tǒng)的作用，使張力腿平臺(tái)總強(qiáng)度計(jì)算分析相對于常規(guī)半潛平臺(tái)有所區(qū)別，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中對結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)載荷、總強(qiáng)度以及疲勞分析都提出更高要求。通過本文研究得出以下結(jié)論：

（1）張力筋腱的模擬，是張力腿平臺(tái)總強(qiáng)度分析的關(guān)鍵。在水動(dòng)力分析時(shí)應(yīng)通過選取Morison模型中的Tendon單元模擬張力筋腱，以便在水動(dòng)力求解時(shí)模擬其預(yù)張力及剛度，同時(shí)求解出各工況最終的張力載荷?？倧?qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)注意采取合理的方法將張力筋腱的張力載荷映射到結(jié)構(gòu)模型中，并通過設(shè)置合理的彈性剛度模擬張力筋腱對平臺(tái)的約束作用。

（2）載荷傳遞路徑，從強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力分布不難發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)力區(qū)主要發(fā)生在浮箱與立柱連接肘板，張力筋腱抱緊器基座（Tendon Porch）及立柱與上部組塊的對接短柱（Mating Post）區(qū)域，因此不難判斷張力腿平臺(tái)主要載荷是波浪載荷、張力筋腱載荷及上部組塊重力及功能載荷。這些主要載荷通過以上關(guān)鍵區(qū)域在桁架式上部組塊，4個(gè)圓形立柱和方形浮箱間進(jìn)行相互傳遞，且主要承載構(gòu)件為立柱與浮箱的外圍壁及相交內(nèi)艙壁，因此在設(shè)計(jì)相關(guān)構(gòu)件時(shí)應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。

（3）總強(qiáng)度控制工況，雖然平臺(tái)整體應(yīng)力水平從“一年一遇”到“千年一遇”，隨著所受波浪載荷變大而逐漸增加，但是綜合考慮各工況安全系數(shù)后，發(fā)現(xiàn)下浮體（包括立柱及浮箱）外圍壁結(jié)構(gòu)的控制工況為“千年一遇”自存工況，而其內(nèi)艙壁及平臺(tái)構(gòu)件的控制工況為“一年一遇”作業(yè)工況。因此，在進(jìn)行類似平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮極端工況下主要構(gòu)件強(qiáng)度的同時(shí)，對正常作業(yè)工況下的內(nèi)艙壁相關(guān)構(gòu)件同樣應(yīng)給予足夠重視。

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