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        半潛平臺立柱與甲板包連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2020-11-04 04:36:08王永剛王金峰周慶王醍
        船海工程 2020年5期
        關(guān)鍵詞:肘板甲板立柱

        王永剛,王金峰,周慶,王醍

        (1.中遠海運重工有限公司 設(shè)計研究院,遼寧 大連 116600;2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,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在惡劣海況、復(fù)雜載荷作用下正常作業(yè)、避免生命危險和環(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。半潛式鉆井平臺由于其獨特的結(jié)構(gòu)形式和運動特點[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,是平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)注點。

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

        1 結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)點

        為保證半潛式平臺的結(jié)構(gòu)安全,ABS、DNVGL、CCS等船級社根據(jù)構(gòu)件失效對整體平臺安全性、生命和環(huán)境危險的影響程度,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、平臺和骨架。

        5)立柱、甲板包及浮體連接處提供適當(dāng)對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)計應(yīng)滿足以下要求:①結(jié)構(gòu)形式簡單,載荷有效傳遞和應(yīng)力分布均勻合理,滿足強度要求,一般采用厚度很大的高強鋼,甚至Z向鋼,具體材質(zhì)由強度分析結(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,以及焊后進行IC I無損檢驗等。目標(biāo)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件等級和檢驗標(biāo)準(zhǔn)見圖1。

        圖1 連接肘板結(jié)構(gòu)分類與檢驗等級

        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)合以前的半潛平臺設(shè)計經(jīng)驗[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,針對目標(biāo)平臺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)上進行局部優(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)計方案

        圖2 連接肘板

        2 立柱與甲板包連接肘板強度校核

        連接肘板結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜, 為真實有效分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力場分布,采用有限元方法分析靜載荷和危險波浪載荷條件下結(jié)構(gòu)的局部強度。在不同周期、浪向、相位的波浪條件下,半潛式平臺所遭受的波浪載荷差異很大,首先根據(jù)典型節(jié)點在平臺結(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,分析平臺在何種波浪載荷工況時典型節(jié)點受力最大、應(yīng)力水平最高。

        2.1 波浪載荷

        利用SESAM/POSTRESP模塊對平臺運動進行短期預(yù)報。計算中采用的波浪譜為JONSWAP譜,在自存工況下對應(yīng)的設(shè)計波[7,8]進行3種節(jié)點形式的強度比較分析。

        設(shè)計波參數(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)計波波幅[9,10]。采用設(shè)計波參數(shù)見表2。

        表2 短期預(yù)報方法篩選設(shè)計波參數(shù)(自存工況)

        2.2 平臺計算模型

        采用子模型方法,基于總體強度計算結(jié)果,如圖3所示,對立柱與甲板包連接肘板進行強度計算[11]。

        圖3 總體強度應(yīng)力云圖

        3種設(shè)計方案分別建立3個子模型,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)點結(jié)構(gòu)波浪載荷計算目標(biāo)位置的應(yīng)力分布和應(yīng)力水平,確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確。

        總體強度分析中有限元計算模型和連接肘板細化子模型分別見圖4。

        圖4 連接肘板子模型(局部)

        2.3 連接肘板強度計算結(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)力法進行強度評估,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)全部采用高強鋼,最小屈服強度為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3種設(shè)計方案進行強度計算,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)力值對比可以看出:

        1)目標(biāo)平臺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)計方案等效應(yīng)力對比 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),遠小于材料的許用應(yīng)力,主要是因為腹板和面板共同承受載荷,面板對肘板的支撐作用增加了肘板的剛度,同時在肘板趾端由于結(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(對方案2為面板與腹板的角焊縫)3個位置作為熱點,對熱點區(qū)域進行t×t模型細化,用子模型法進行作業(yè)工況下的疲勞損傷計算,設(shè)計壽命25年,基于S-N曲線和Miner法則計算得到的疲勞累計損傷須小于等于1,結(jié)果見表5。

        表5 不同設(shè)計方案疲勞損傷對比

        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,且計算結(jié)果很接近,雖然方案2面板對結(jié)構(gòu)的支撐作用導(dǎo)致其應(yīng)力范圍低,但是針對焊縫的S-N曲線等級較高,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),疲勞強度好,比方案2結(jié)構(gòu)簡單,施工便利,采用上部略長的橢圓形連接肘板是一種相對優(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)計過程中要注意應(yīng)力集中對肘板趾端的結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力分布和疲勞損傷的影響。

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