王永剛，王金峰，周慶，王醍

(1．中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 設(shè)計(jì)研究院，遼寧 大連 116600；2．中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

結(jié)構(gòu)安全是保證第七代超深水半潛式鉆井平臺(tái)在惡劣海況、復(fù)雜載荷作用下正常作業(yè)、避免生命危險(xiǎn)和環(huán)境污染的基本前提，而關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)安全則是其瓶頸所在；已發(fā)生的海工裝備海損事故表明，結(jié)構(gòu)的破壞往往是起始或發(fā)生于關(guān)鍵區(qū)域。半潛式鉆井平臺(tái)由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)[1]，立柱和甲板包的連接區(qū)域，尤其是立柱內(nèi)側(cè)靠近甲板包中心的垂向艙壁與甲板包底板的連接區(qū)域，存在十分嚴(yán)重的應(yīng)力集中，是平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)。

針對(duì)某3 000 m超深水第七代半潛式平臺(tái)立柱與甲板包內(nèi)角連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Genie軟件和子模型技術(shù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)不同的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行強(qiáng)度分析，選擇相對(duì)優(yōu)化的連接形式。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)

為保證半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全，ABS、DNVGL、CCS等船級(jí)社根據(jù)構(gòu)件失效對(duì)整體平臺(tái)安全性、生命和環(huán)境危險(xiǎn)的影響程度，以及目標(biāo)構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)、產(chǎn)生焊接變形或疲勞裂紋的可能性，將結(jié)構(gòu)分為特殊、主要和次要構(gòu)件[2-4]。其中特殊構(gòu)件如下。

1)立柱、甲板包、浮體相互連接區(qū)域的外板結(jié)構(gòu)。

2)組成箱型或工字型支承結(jié)構(gòu)且承受主要集中載荷的甲板包內(nèi)的甲板板、重型翼板和艙壁板。

3)撐桿的連接位置。

4)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接區(qū)域承受集中載荷的外部肘板、部分艙壁、平臺(tái)和骨架。

5)立柱、甲板包及浮體連接處提供適當(dāng)對(duì)齊和足夠載荷傳遞的“貫穿”構(gòu)件。

6)高應(yīng)力區(qū)，例如，導(dǎo)纜器、絞車、吊車、火炬塔等基座。

立柱與甲板包連接肘板和相鄰位置的外板結(jié)構(gòu)是一種典型的特殊構(gòu)件，其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：①結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，載荷有效傳遞和應(yīng)力分布均勻合理，滿足強(qiáng)度要求，一般采用厚度很大的高強(qiáng)鋼，甚至Z向鋼，具體材質(zhì)由強(qiáng)度分析結(jié)果，結(jié)合服務(wù)溫度、板厚和構(gòu)件類別來確定[5]；②焊接工藝和檢驗(yàn)要求，如焊縫的全熔透和打磨，相鄰焊縫的間距控制，以及焊后進(jìn)行IC I無損檢驗(yàn)等。目標(biāo)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件等級(jí)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見圖1。

圖1 連接肘板結(jié)構(gòu)分類與檢驗(yàn)等級(jí)

立柱外板和甲板包連接位置位于甲板包箱型梁和立柱垂向梁2根梁的端部，承受很大的載荷。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，存在較大的應(yīng)力集中。結(jié)合以前的半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[6]，在連接區(qū)域增加肘板可以改變其局部結(jié)構(gòu)剛度，有效降低應(yīng)力集中。因此，針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)在立柱外板和甲板包連接位置，考慮立柱結(jié)構(gòu)“天圓地方”過渡位置到甲板包底板間距和施工方案對(duì)肘板尺寸的影響，綜合外形尺寸、板厚、材質(zhì)、趾端形式、連續(xù)形式、焊接節(jié)點(diǎn)等因素，確定3種肘板形式，具體參數(shù)見表1，方案1結(jié)構(gòu)形式見圖2a)，肘板采用圓弧形式，自由邊沒有面板結(jié)構(gòu)，趾端采用切割打磨的方式與垂直連接結(jié)構(gòu)平齊，方案2結(jié)構(gòu)形式見圖2b)，自由邊有面板支撐，趾端采用特殊的軟趾形式，以避免應(yīng)力集中。方案3(見圖2c))在方案1基礎(chǔ)上進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，自由邊采用2 400 mm×1 900 mm橢圓形拋物線形式，上部肘板長(zhǎng)度增加，板厚降低，趾端與方案1相同。

表1 連接肘板的3種設(shè)計(jì)方案

圖2 連接肘板

2 立柱與甲板包連接肘板強(qiáng)度校核

連接肘板結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜, 為真實(shí)有效分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分布,采用有限元方法分析靜載荷和危險(xiǎn)波浪載荷條件下結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度。在不同周期、浪向、相位的波浪條件下，半潛式平臺(tái)所遭受的波浪載荷差異很大，首先根據(jù)典型節(jié)點(diǎn)在平臺(tái)結(jié)構(gòu)中所處的位置、結(jié)構(gòu)形式、裝載工況和工作環(huán)境，分析平臺(tái)在何種波浪載荷工況時(shí)典型節(jié)點(diǎn)受力最大、應(yīng)力水平最高。

2.1 波浪載荷

利用SESAM/POSTRESP模塊對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。計(jì)算中采用的波浪譜為JONSWAP譜，在自存工況下對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波[7,8]進(jìn)行3種節(jié)點(diǎn)形式的強(qiáng)度比較分析。

設(shè)計(jì)波參數(shù)采用譜分析方法，結(jié)合傳遞函數(shù)確定典型工況設(shè)計(jì)波周期，通過最大橫向載荷、最大縱向剪切、最大縱向轉(zhuǎn)矩及中橫剖面最大垂向彎矩等特征波浪載荷確定設(shè)計(jì)波波幅[9,10]。采用設(shè)計(jì)波參數(shù)見表2。

表2 短期預(yù)報(bào)方法篩選設(shè)計(jì)波參數(shù)(自存工況)

2.2 平臺(tái)計(jì)算模型

采用子模型方法，基于總體強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，如圖3所示，對(duì)立柱與甲板包連接肘板進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算[11]。

圖3 總體強(qiáng)度應(yīng)力云圖

3種設(shè)計(jì)方案分別建立3個(gè)子模型，網(wǎng)格密度為50 mm×50 mm，邊界條件被定義為prescribed displacements，利用SESAM中的SUBMODEL模塊可以直接從總體強(qiáng)度結(jié)果文件中準(zhǔn)確地讀取子模型邊界處的六自由度位移，結(jié)合節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)波浪載荷計(jì)算目標(biāo)位置的應(yīng)力分布和應(yīng)力水平，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確。

總體強(qiáng)度分析中有限元計(jì)算模型和連接肘板細(xì)化子模型分別見圖4。

圖4 連接肘板子模型(局部)

2.3 連接肘板強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

連接肘板由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性造成較大的應(yīng)力梯度，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，使用許用應(yīng)力法進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，其屈服衡準(zhǔn)為

[σ]≤σs/SMPa

(1)

式中：[σ]為許用應(yīng)力值；σs為材料的屈服強(qiáng)度，MPa;S為安全系數(shù)，見表3。目標(biāo)結(jié)構(gòu)全部采用高強(qiáng)鋼，最小屈服強(qiáng)度為355 MPa，其許用應(yīng)力見表3。

表3 安全系數(shù)和許用應(yīng)力

分別針對(duì)3種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，方案1肘板形式在所有工況下的最大組合工況下的應(yīng)力水平見圖5。

圖5 連接肘板方案1應(yīng)力云圖

匯總不同結(jié)構(gòu)形式下橫縱肘板在每種工況下的最大等效應(yīng)力，具體數(shù)據(jù)見表4。

通過表4等效應(yīng)力值對(duì)比可以看出：

1)目標(biāo)平臺(tái)立柱與甲板包橫向連接肘板的主控載荷為縱向轉(zhuǎn)矩，該工況下橫向肘板的應(yīng)力值明顯高于縱向肘板；縱向連接肘板的主控載荷為縱向剪切，該工況下縱向肘板的應(yīng)力值明顯高于橫向肘板。

表4 不同設(shè)計(jì)方案等效應(yīng)力對(duì)比 MPa

2)靜載荷工況下，立柱和甲板包橫縱向連接肘板的應(yīng)力水平相當(dāng)。

3)綜合所有工況，橫向肘板的應(yīng)力水平略高于縱向肘板。

4)3種方案都滿足強(qiáng)度要求。方案1和3結(jié)構(gòu)形式相近，應(yīng)力水平相當(dāng)，接近于材料的許用應(yīng)力，材料利用率高；方案2肘板和面板的應(yīng)力值相當(dāng)，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，主要是因?yàn)楦拱搴兔姘骞餐惺茌d荷，面板對(duì)肘板的支撐作用增加了肘板的剛度，同時(shí)在肘板趾端由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，見圖6。

圖6 連接肘板方案2應(yīng)力云圖

2.4 連接肘板疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，分別選擇不同肘板結(jié)構(gòu)的趾端和自由邊(對(duì)方案2為面板與腹板的角焊縫)3個(gè)位置作為熱點(diǎn)，對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行t×t模型細(xì)化，用子模型法進(jìn)行作業(yè)工況下的疲勞損傷計(jì)算，設(shè)計(jì)壽命25年，基于S-N曲線和Miner法則計(jì)算得到的疲勞累計(jì)損傷須小于等于1，結(jié)果見表5。

表5 不同設(shè)計(jì)方案疲勞損傷對(duì)比

1)趾端處的疲勞損傷。方案1和方案3都比較低；方案2數(shù)值明顯大于其他方案，主要是由于趾端結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致局部應(yīng)力集中引起的。

2)自由邊(或面板與腹板角焊縫)處的疲勞損傷。方案1的數(shù)值大于1，不滿足要求；方案2和3滿足要求，且計(jì)算結(jié)果很接近，雖然方案2面板對(duì)結(jié)構(gòu)的支撐作用導(dǎo)致其應(yīng)力范圍低，但是針對(duì)焊縫的S-N曲線等級(jí)較高，兩者基本相互抵消。

3 結(jié)論

1)橫向肘板的應(yīng)力水平高于縱向肘板，設(shè)計(jì)中應(yīng)保持橫向肘板的連續(xù)性。

2)連接肘板方案2在板厚降低的前提下與方案1應(yīng)力水平相當(dāng)，疲勞強(qiáng)度好，比方案2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工便利，采用上部略長(zhǎng)的橢圓形連接肘板是一種相對(duì)優(yōu)化的連接形式。

3)連接肘板增加面板能夠有效地降低肘板應(yīng)力水平，但是增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，下趾端處面板與腹板之間空間小，不利于焊接和打磨，而且存在一定的應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞損傷較高，設(shè)計(jì)過程中要注意應(yīng)力集中對(duì)肘板趾端的結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力分布和疲勞損傷的影響。