韓 熠

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

柱穩(wěn)式平臺即為有立柱、有甲板、有浮箱的平臺，浮箱既可以是雙浮箱，也可以是環(huán)形浮箱，每一個(gè)浮箱分別支撐 2～4根垂向立柱。此外，這種平臺可通過增加斜向撐桿支撐甲板和水平撐桿連接浮箱或立柱的方式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

柱穩(wěn)式平臺主要提供生產(chǎn)、鉆井、生活等功能，一般規(guī)劃在一個(gè)特定海域作業(yè)，海域的設(shè)計(jì)條件改變會伴隨吃水、壓載、立管連接、系泊纜張力或距相鄰平臺距離等產(chǎn)生重大改變。通常，設(shè)計(jì)者會明確提出一系列限定的環(huán)境條件作為設(shè)計(jì)條件。這些限定條件應(yīng)清晰列于設(shè)計(jì)分析和操作手冊中，操作者有責(zé)任謹(jǐn)慎遵循這些限定條件，這樣才能將它們更好地應(yīng)用于設(shè)計(jì)中。

1 設(shè)計(jì)一般步驟

首先要通過尺寸規(guī)劃與規(guī)范校核確定橫縱交叉組合的梁結(jié)構(gòu)布置，依據(jù)相應(yīng)規(guī)范初步確定板材厚度、梁結(jié)構(gòu)的尺寸，用于初步的重量估算及作為基礎(chǔ)開始整體結(jié)構(gòu)分析。此時(shí)根據(jù)初步選型結(jié)果開始結(jié)構(gòu)圖紙的設(shè)計(jì)及繪制工作。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作界面，要明確平臺主尺度，包括各部分結(jié)構(gòu)尺寸、分艙、平均吃水等信息，明確設(shè)計(jì)環(huán)境條件，主要包括設(shè)計(jì)水深、潮汐、垂蕩、波高與周期等，明確上部組塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及載荷，包括主要結(jié)構(gòu)的尺寸及位置信息、不同工況組塊的重量重心信息等，明確立管設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與載荷，包括數(shù)量、重量、剛度等，及與平臺連接位置信息結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要涉及的專業(yè)界面如表1所示。

表1 專業(yè)界面Tab.1 Professional interface

柱穩(wěn)式平臺在位分析至少考慮以下3種工況：

①靜力工況，強(qiáng)度分析包括平臺空船重量、鉆井包、功能性載荷、浮力載荷，頂張立管和柔性立管的預(yù)張力-筋腱張力。該工況是在平均吃水下、沒有環(huán)境載荷的操作工況。

②操作工況，采用一年一遇的最大操作載荷進(jìn)行分析。

③極端工況，船體用100年一遇的設(shè)計(jì)波進(jìn)行分析，張力腿平臺的對稱性可以降低工況的分析數(shù)量。采用動(dòng)力放大系數(shù)1.33確定許用應(yīng)力值。

有限元中得到的等效應(yīng)力、方向應(yīng)力、主應(yīng)力分別用于強(qiáng)度分析、屈曲分析和疲勞分析。按照研究對象的層級可分為整體結(jié)構(gòu)分析和局部結(jié)構(gòu)分析。

整體結(jié)構(gòu)分析的目的是以初步確定的結(jié)構(gòu)尺寸及分布為基礎(chǔ)，通過考慮不同設(shè)計(jì)工況載荷，采用設(shè)計(jì)波法進(jìn)行整體強(qiáng)度分析，獲取結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力的分布，并與許用應(yīng)力進(jìn)行對比，最終確定板材的厚度。

在局部關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，依據(jù)總體分析的結(jié)果作為邊界輸入，開展不同工況局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析，依據(jù)其結(jié)果進(jìn)行調(diào)整修改，直至滿足要求。局部結(jié)構(gòu)分析通常包含的部位有：立柱與組塊連接區(qū)域結(jié)構(gòu)；浮箱與立柱連接區(qū)域結(jié)構(gòu)；典型立柱環(huán)向筋與浮箱橫框架結(jié)構(gòu)；其他連接結(jié)構(gòu)，如立管支撐結(jié)構(gòu)等。

結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

無論針對整體還是針對局部的分析，僅僅是研究對象層級的區(qū)別，局部分析的目的僅僅是針對關(guān)鍵區(qū)域的模型放大及細(xì)化，載荷以及關(guān)鍵區(qū)域的邊界條件還是從總體模型中提取出來的，所以分析的實(shí)質(zhì)還是要從結(jié)構(gòu)破壞的一般原理出發(fā)著手。下面分別從強(qiáng)度、疲勞和屈曲的角度闡述結(jié)構(gòu)分析流程中應(yīng)考慮的因素。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析流程Fig.1 Structural design analysis process

2 強(qiáng)度分析

在柱穩(wěn)式平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，總體來說平臺受力包括靜載荷和動(dòng)載荷兩部分。

作用在浮體上的靜載荷包括結(jié)構(gòu)重量、設(shè)備重量與作業(yè)荷載、立管重量、壓載水質(zhì)量、立管和系泊系統(tǒng)預(yù)張力以及浮力等，平均吃水下的靜水壓力也是結(jié)構(gòu)所受整體載荷的重要部分。所有這些可以通過質(zhì)量或力的形式施加在結(jié)構(gòu)上。

動(dòng)載荷對于柱穩(wěn)式平臺來說就是環(huán)境載荷，下述典型的環(huán)境載荷應(yīng)予以充分考慮：

①波浪載荷，包括壓力變化、慣性、波浪爬升和拍擊載荷；②風(fēng)載荷；③流載荷；④冰和雪載荷。

作用在結(jié)構(gòu)濕表面上的動(dòng)壓力包括：

①入射波和散射波產(chǎn)生的水動(dòng)壓力；②由結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)引起的六自由度輻射勢產(chǎn)生的水動(dòng)壓力；③由平臺偏移下沉引起的平臺吃水改變造成的變靜水壓力的改變部分。

波浪載荷可以通過確定的設(shè)計(jì)波法或代表隨機(jī)波浪的能量譜來計(jì)算。確定性方法適用于由波高與周期定義的規(guī)則波組成的海況，隨機(jī)波方法適用于由不規(guī)則波組成的海況，此時(shí)海況由特征波高和譜峰周期定義的波浪能量譜表示。

用于強(qiáng)度分析的結(jié)構(gòu)模型通常較大，計(jì)算時(shí)間較長，因此在進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估時(shí)通常采用設(shè)計(jì)波法，來考核結(jié)構(gòu)是否滿足要求。水動(dòng)力載荷需要考慮在相應(yīng)工況下平臺的水平偏移與下沉。

以下的特征整體響應(yīng)通常會控制平臺的整體強(qiáng)度。對于環(huán)形浮箱平臺的設(shè)計(jì)也可考慮相似特征響應(yīng)，橫軸和縱軸應(yīng)分別考慮分離力(Fs)、扭矩(Mt)和剪力(FL)。這是為了考慮環(huán)形浮箱平臺的橫向和縱向浮箱的響應(yīng)，如圖2所示，包括：

浮箱間的分離力，F(xiàn)s；繞橫向水平軸線的扭矩，Mt；浮箱間的縱向剪切力，F(xiàn)L；甲板的縱向加速度，aL；甲板的橫向加速度，aT；甲板的垂直加速度，aV。

圖2 波浪特征響應(yīng)Fig.2 Wave characteristic response

通過設(shè)計(jì)波選取可獲得產(chǎn)生典型控制工況所對應(yīng)的浪向角，每個(gè)浪向角對應(yīng)的設(shè)計(jì)波產(chǎn)生的波浪載荷需要通過實(shí)部與虛部分別計(jì)算；為獲得最大應(yīng)力，通過每隔 2°或更小的相位角間隔對實(shí)部與虛部產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行組合確定。

式中：Hd為波高；φ為相位角。

3 疲勞分析

對于疲勞分析，主要考慮長期效應(yīng)，波浪散布圖應(yīng)劃分為有限數(shù)量的海況及其出現(xiàn)的相應(yīng)概率。總體疲勞分析需要事先按照強(qiáng)度分析結(jié)果，憑經(jīng)驗(yàn)選擇一定數(shù)量的熱點(diǎn)單元用于進(jìn)行疲勞壽命評估計(jì)算，圓柱殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體疲勞分析采用譜分析方法以對不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描篩選來得到疲勞熱點(diǎn)。

譜分析是要求將波浪譜分解成離散的波周期，每個(gè)周期波浪均具有一定能量以保證譜能量的完整性。對于每個(gè)波周期都要進(jìn)行線性分析，并且在后處理階段，這些分析的結(jié)果可以重新組合。針對關(guān)注點(diǎn)，每個(gè)周期對應(yīng)的波浪可分為實(shí)部和虛部分別計(jì)算，在后處理中再對實(shí)部和虛部的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行不同相位的組合。由于結(jié)構(gòu)的固有周期均小于波浪能量周期，可以將這種分析認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)分析。

在譜分析中，選擇波周期的時(shí)候要注意使所有的海況都包含在波浪散布數(shù)據(jù)中。FEA分析中得到的結(jié)果是每個(gè)波周期中單位波幅的波浪作用下的結(jié)果，對這些結(jié)果進(jìn)行后處理，采用S-N曲線得到不同結(jié)構(gòu)的疲勞壽命、Weibull形狀參數(shù)和產(chǎn)生疲勞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

譜分析中浪向角的間隔不大于45 °，同時(shí)也可以考慮結(jié)構(gòu)的對稱性來降低分析工況的數(shù)量。用于疲勞分析的有限元模型可以相對比較粗糙，不需要確定局部應(yīng)力集中區(qū)域的精確應(yīng)力分布。但是要明確出載荷傳遞路徑以使單元長期應(yīng)力分布具有合理的形狀，也就是說局部應(yīng)力可能計(jì)算不夠精確，但是波浪譜作用下的相對應(yīng)力要有足夠的精度。

用于譜疲勞分析的工況選擇在位時(shí)的鉆機(jī)最大操作載荷，這樣可以模擬平臺最大載荷和最高重心位置來獲得對于平臺最不利的工況并進(jìn)行分析。

下浮體的疲勞分析將綜合以下各方面因素進(jìn)行考慮：是否為疲勞熱點(diǎn)區(qū)域；焊接方式；材料選擇；建造公差；是否可進(jìn)行日常檢查。

焊接表面準(zhǔn)備、容差、外輪廓、焊趾打磨等焊接細(xì)節(jié)用來確定焊接類型，焊接細(xì)節(jié)同時(shí)還被用來確定焊接類別，通過焊接類別來確定所采用的 S-N曲線。焊接細(xì)節(jié)和疲勞損傷情況可以用來對結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行選擇。由于任何焊接點(diǎn)都可能有疲勞缺陷發(fā)展，要通過合適的焊接分類和應(yīng)力范圍來確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命(表2)。

表2 疲勞壽命安全系數(shù)選取Tab.2 Selection of safety coefficient of fatigue life

總體上，結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)成光滑過度，盡量減小應(yīng)力集中和復(fù)雜應(yīng)力。不同位置結(jié)構(gòu)的疲勞許用壽命需要在設(shè)計(jì)壽命的基礎(chǔ)上，按照重要程度、是否可以檢測等因素乘以對應(yīng)的安全系數(shù)。

4 屈曲設(shè)計(jì)

承受軸向壓力及外部壓力的圓柱殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)交互的過程，需要清楚先確定哪些參數(shù)，以及之后如何進(jìn)行改進(jìn)修正。按照總體模型和局部模型的計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行板和板架的屈曲校核：總體結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果進(jìn)行主要板材的屈曲校核；局部結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果對受壓的結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲校核。

讀取有限元分析結(jié)果中殼單元中間層的方向應(yīng)力作為屈曲分析的輸入，采用彈性折減系數(shù)和塑性折減系數(shù)進(jìn)行修正。彈性折減系數(shù)是由于自身缺陷、邊界條件、材料非線性及殘余應(yīng)力等因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)抗屈曲能力的減弱；塑性折減系數(shù)包含了圓柱殼焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的影響。承受單一方向載荷得到的屈曲應(yīng)力需要進(jìn)行適當(dāng)折減，因?yàn)槿艚Y(jié)構(gòu)承受組合載荷，此時(shí)可能已經(jīng)發(fā)生屈曲現(xiàn)象。

對于每一個(gè)單一或組合載荷工況，屈曲應(yīng)力與施加的應(yīng)力都應(yīng)該滿足層級順序的要求，以及安全系數(shù)或利用系數(shù)的要求，即確保最嚴(yán)重的屈曲模式(如整體屈曲)比相對不嚴(yán)重的屈曲模式(如局部屈曲)有更高的臨界屈曲應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法?？梢酝ㄟ^調(diào)整環(huán)向和縱向加強(qiáng)筋間距、環(huán)向和縱向加強(qiáng)筋尺寸、板殼的板厚結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行修改，使環(huán)間及整體屈曲應(yīng)力至少為局部屈曲應(yīng)力的1.2倍。以保證不同的屈曲模式之間，不會產(chǎn)生一種屈曲模式導(dǎo)致另一種屈曲模式發(fā)生的交互作用。

5 總結(jié)及展望

柱穩(wěn)式平臺類型盡管多樣，但是載荷受力特點(diǎn)大體一致，因此針對柱穩(wěn)式平臺做結(jié)構(gòu)方面的標(biāo)準(zhǔn)化研究對工程設(shè)計(jì)有積極意義。明確柱穩(wěn)式平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程以及強(qiáng)度、疲勞和屈曲分析中的考慮因素，會為設(shè)計(jì)人員提供清晰的分析思路。

但需注意的是，正因?yàn)橹€(wěn)式平臺類型較多，其中差異項(xiàng)也在所難免，比如張力腿平臺(TLP)會對高頻作用力有較高響應(yīng)，半潛平臺(SEMI)則對系泊系統(tǒng)受力響應(yīng)不敏感。相關(guān)的差異在設(shè)計(jì)中的特殊考慮尚需要進(jìn)一步探討和研究。