王世圣, 呼文佳，趙晶瑞, 韓旭亮

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引 言

TLP是一種典型的深水浮式平臺(tái)，主要用于深水油氣田開發(fā)。TLP作為油氣田開發(fā)裝置可以用于干式采油，采油樹安裝在平臺(tái)上，便于鉆井、完井和修井作業(yè)。

TLP采用張緊的鋼管，即張力腿系泊。張力腿的預(yù)張力來自浮體的剩余浮力，預(yù)張力作用在張力腿平臺(tái)的垂直張力腿系統(tǒng)上，使張力腿時(shí)刻處于受拉的繃緊狀態(tài)。較大的張力腿預(yù)張力使平臺(tái)平面外的運(yùn)動(dòng)(橫搖、縱搖和垂蕩)較小，近似于剛性。張力腿與平臺(tái)和海底基座的連接采用鉸鏈連接，因此在水平方向可以順應(yīng)水平環(huán)境載荷運(yùn)動(dòng)，依靠預(yù)張力使得平臺(tái)恢復(fù)平衡。張力腿平臺(tái)系泊方式使得平臺(tái)具有良好的運(yùn)動(dòng)性能。TLP在位期間，遭受風(fēng)、浪和流載荷聯(lián)合作用，張力腿及其相關(guān)的連接構(gòu)件承受交變載荷作用，張力腿及其上下連接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度對(duì)整個(gè)TLP系統(tǒng)的安全性有很大影響，尤其是張力腿下部連接結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)位于水下幾百米，甚至數(shù)千米，其工作狀態(tài)或損傷情況不便監(jiān)測(cè)和檢查，因此在該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中需要格外重視，確保該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。本文基于LH16-2 TLP的總體性能分析，研究了張力腿系泊系統(tǒng)的受力情況，依據(jù)張力腿的外力計(jì)算結(jié)果對(duì)張力腿下部連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析，獲得了一些結(jié)論，對(duì)相關(guān)技術(shù)人員有一定參考價(jià)值。

1 TLP張力腿系統(tǒng)組成

LH16-2 TLP主要由上部設(shè)施模塊、平臺(tái)主體(包括四立柱、連接四立柱的旁通)和張力腿系泊系統(tǒng)組成，系統(tǒng)包括8根張力腿，分成4組，分別布置在4個(gè)立柱的外側(cè)底部。平臺(tái)主尺度如表1所示。

表1 平臺(tái)主尺度

張力腿系泊系統(tǒng)包括張力腿和上下連接結(jié)構(gòu)，如圖1所示。下部連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。張力腿下部連接結(jié)構(gòu)由張力腿底部接頭組件、樁頭接收器組成，在安裝時(shí)張力腿連接器插入接收器旋轉(zhuǎn)一定角度，樁頭接收器就可以將張力腿連接器鎖住。由于張力腿始終承受拉伸載荷作用，可以保證兩者的連接狀態(tài)。張力腿連接器是一個(gè)組合結(jié)構(gòu)(見圖1)，張力腿管與連接器圓頭結(jié)構(gòu)是柔性連接，這樣可以減小張力腿管柱的附加彎曲應(yīng)力。張力腿平臺(tái)在位期間承受變化環(huán)境載荷作用，載荷通過張力腿管柱傳遞給連接器和接收器，因此相關(guān)組成結(jié)構(gòu)長期承受交變載荷作用，必須具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。張力腿下部連接結(jié)構(gòu)位于水下數(shù)百米，甚至1 000多米，檢修不便，根據(jù)API RP 2T的相關(guān)要求，對(duì)于失效后嚴(yán)重影響生產(chǎn)的關(guān)鍵部位和不便于修理的部位，要考慮一定的安全余度。要求張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)的疲勞壽命應(yīng)至少是服役壽命的10倍。

圖1 張力腿系統(tǒng)

圖2 下部連接結(jié)構(gòu)

2 載荷工況

張力腿平臺(tái)在位期間承受風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷作用，在環(huán)境載荷作用下平臺(tái)發(fā)生偏移，張力腿管柱承受的載荷也隨著平臺(tái)的偏移發(fā)生變化。一般張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮張力腿靜態(tài)和動(dòng)態(tài)張力。TLP平臺(tái)在平衡位置僅承受靜載荷作用，靜載荷可通過剩余浮力的計(jì)算獲得。TLP在環(huán)境載荷作用下，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)使得張力腿承受交變拉力作用，在不同工況下張力腿張力可通過總體性能分析獲得。根據(jù)API RP 2T的相關(guān)要求，張力腿張力計(jì)算須考慮在位完整工況，極限完整工況和一根張力腿移除生存工況。表2給出了三種工況下張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷。

表2 設(shè)計(jì)載荷

在表1中，安全級(jí)別的定義參見API RP 2T。它包括環(huán)境條件和安全因子，用于校核總體可靠性，保證有一定的設(shè)計(jì)裕度。頂傾角是指張力腿軸線和垂向的夾角。

每個(gè)工況張力腿張力均分解為水平分量和豎直分量。為獲得各工況的最危險(xiǎn)應(yīng)力，水平分量0°～90°每隔45°一個(gè)間隔，如圖3所示。每一種工況的最大應(yīng)力結(jié)果是選取這3個(gè)方向中工況結(jié)果的最大值。值得注意的是，上述水平載荷是傾斜的張力腿張力的水平分量，該傾斜張力以水平分量和豎直分量的組合形式施加在有限元模型中。張力載荷通過剛性單元施加筋腱連接器柔性單元旋轉(zhuǎn)中心。

圖3 張力載荷水平分量方向

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 分析模型

張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)模型包括張力腿連接器錐形上吊耳結(jié)構(gòu)及相鄰上下環(huán)形結(jié)構(gòu)、樁接收器以及附在壁內(nèi)的吊耳。結(jié)構(gòu)采用通用有限元軟件進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)建模及分析。主要荷載傳遞路徑采用SOLID185單元模擬，角落和非常規(guī)形狀部件采用SOLID187單元模擬，張力腿連接器上的吊耳與樁接收器內(nèi)的吊耳的接觸采用接觸單元(contact element)170和174模擬，外部荷載傳遞采用LINK180單元模擬。整個(gè)結(jié)構(gòu)有限元模型高度為3.2 m。

由于研究對(duì)象為張力腿與樁基連接裝置，并且TLP的8個(gè)連接裝置的結(jié)構(gòu)形式完全一致，所以可以選取任何一張力腿對(duì)應(yīng)的連接裝置結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。在網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域如吊耳，采用細(xì)網(wǎng)格Element185劃分。為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，對(duì)于其他區(qū)域采用較為粗糙的網(wǎng)格。該有限元模型共有109 200個(gè)單元，153 700個(gè)節(jié)點(diǎn)。整體有限元模型如圖4所示。

(a)

(b)

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

在建立了結(jié)構(gòu)有限元模型后，對(duì)模型施加邊界條件，邊界條件施加在模型樁接收器環(huán)形結(jié)構(gòu)底部,在此邊界上的Ux、Uy和Uz三個(gè)平動(dòng)自由度全部被約束。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析共考慮表2中的三種工況，對(duì)于每種工況，還有三個(gè)方向子工況用于獲取最大應(yīng)力結(jié)果。應(yīng)力結(jié)果均取平均單元應(yīng)力。在三種工況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果如表3～表5所示。

表3 連接裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力結(jié)果(正常作業(yè))

表4 連接裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力結(jié)果(極限工況)

表5 連接裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力結(jié)果(生存工況)

根據(jù)表3～表5張力腿連接裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力結(jié)果，三種工況依次是在生存工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大。在張力腿連接裝置中樁頭管與樁連接，載荷由張力腿連接器組件施加，結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于張力腿連接器組件。張力腿連接器組件與張力腿連接受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，如圖5所示。最大應(yīng)力部位出現(xiàn)在張力腿連接器吊耳上，但其有效應(yīng)力仍小于許用應(yīng)力，張力腿連接裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖5 張力腿連接器應(yīng)力云圖-生存工況

4 結(jié)構(gòu)疲勞分析

張力腿平臺(tái)的服務(wù)使用壽命為20年，因此要求張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)壽命應(yīng)高于200年。根據(jù)API RP 2T的相關(guān)要求，對(duì)于失效后嚴(yán)重影響生產(chǎn)的關(guān)鍵部位和不便于修理的部位，要考慮一定的安全余度。例如，對(duì)于不進(jìn)行檢修的區(qū)域，如張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)，其疲勞壽命應(yīng)至少是服役壽命的10倍。

TLP平臺(tái)張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)的疲勞分析采用時(shí)域方法和與之相關(guān)的雨流計(jì)數(shù)法。在時(shí)域方法中，長期的波浪海況離散成為有代表性的短期海況。通過對(duì)每一個(gè)短期海況的分析算出張力腿上的張力，并將其施加到連接結(jié)構(gòu)的模型上。通過結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算出應(yīng)力響應(yīng)。雨流計(jì)數(shù)法用于張力時(shí)間序列的應(yīng)力循環(huán)的估計(jì)；累計(jì)的疲勞損傷則是基于S-N曲線。

4.1 有限元模型

張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)的疲勞分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析使用同一個(gè)有限元模型，唯一的區(qū)別是劃分的單元尺寸。根據(jù)海洋結(jié)構(gòu)物疲勞分析的相關(guān)規(guī)范，熱點(diǎn)處推薦使用尺寸為板厚×板厚的網(wǎng)格單元，并且在遠(yuǎn)離關(guān)鍵部位的網(wǎng)格劃分尺寸逐漸增大；從而簡化整個(gè)結(jié)構(gòu)模型，提高計(jì)算效率。

4.2 熱點(diǎn)及熱點(diǎn)應(yīng)力

疲勞損傷一般發(fā)生在應(yīng)力集中處，如變截面、焊接接頭等。所以，疲勞計(jì)算一般選取這些接頭處的熱點(diǎn)，如圖6和圖7所示。熱點(diǎn)區(qū)域處節(jié)點(diǎn)的主要應(yīng)力結(jié)果如表6所示。

圖6 樁接收器上的熱點(diǎn)區(qū)域

圖7 張力腿連接器上的熱點(diǎn)區(qū)域

表6 熱點(diǎn)主要應(yīng)力乘數(shù)

根據(jù)表6所示的熱點(diǎn)應(yīng)力，采用雨流計(jì)數(shù)法，將每一種海況下應(yīng)力循環(huán)次數(shù)疊加起來，形成用于疲勞損傷的總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)?；贒NV規(guī)范RP-C203中的疲勞曲線C曲線，可獲得連接裝置結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)處疲勞壽命計(jì)算結(jié)果，如表7所示。張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)最短的疲勞壽命到達(dá)了96 888年，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求的200年。

表7 熱點(diǎn)處的疲勞壽命

5 結(jié) 語

張力腿系泊系統(tǒng)是張力腿平臺(tái)的重要組成部分，張力腿連接裝置是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，要求該組件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命必須滿足規(guī)范要求，以保證張力腿平臺(tái)的在位安全。為保證張力腿連接裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，獲得結(jié)論如下：

(1) 張力腿連接裝置作為平臺(tái)系統(tǒng)關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須滿足規(guī)范要求，須進(jìn)行作業(yè)工況、極限工況和張力腿移除的生存工況下的強(qiáng)度校核，每個(gè)工況下的有效應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力。

(2) 平臺(tái)在環(huán)境載荷作用下，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為獲取各工況的最危險(xiǎn)應(yīng)力，對(duì)每一種工況，需要考慮張力腿載荷在不同傾角時(shí)的水平分量和垂直分量。水平分量從0°～90°，每隔45°一個(gè)間隔。對(duì)每一種工況，最大應(yīng)力結(jié)果是從這3個(gè)方向的結(jié)果中選取最大值。

(3) 依據(jù)張力腿連接裝置實(shí)際結(jié)構(gòu)建立結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算結(jié)果表明在生存工況下張力腿連接器組件結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，最大應(yīng)力部位出現(xiàn)在張力腿連接器吊耳上，但其有效應(yīng)力仍小于許用應(yīng)力，張力腿連接裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(4) 根據(jù)API RP 2T的相關(guān)要求，對(duì)于失效后嚴(yán)重影響生產(chǎn)的關(guān)鍵部位和不便于修理的部位，要考慮一定的安全余度，其疲勞壽命應(yīng)至少是服役壽命的10倍。熱點(diǎn)區(qū)域的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果表明張力腿與樁基連接裝置結(jié)構(gòu)最短的疲勞壽命超過了設(shè)計(jì)壽命。