李境偉,竇培林,張興剛
(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
海洋油氣資源開發(fā)業(yè)務(wù)不斷地向2 000 m以上的超深水復(fù)雜海域延伸,在超深水海域作業(yè),尤其是難度極高的海底鉆井工作,半潛式海洋鉆井平臺(tái)具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。超深水半潛式鉆井平臺(tái)需要具有長(zhǎng)期作業(yè)的能力以及抵御50年一遇甚至上百年一遇的極端惡劣海況的能力。另外,超深水海域距離海岸較遠(yuǎn),來(lái)回運(yùn)輸平臺(tái)所需的時(shí)間比較長(zhǎng),并且多次組裝拆卸對(duì)于鉆井設(shè)備損耗極大,因此不能很方便地對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行全方位的檢修。設(shè)計(jì)人員在總體設(shè)計(jì)過(guò)程中,會(huì)標(biāo)注一些相應(yīng)的關(guān)鍵位置,這些地方需要定期或不定期地檢查和維修。其實(shí)這種做法是有一定風(fēng)險(xiǎn)的,特別是在長(zhǎng)期作業(yè)后期。一些無(wú)法定期檢查或者不容易被注意到的位置,若是結(jié)構(gòu)失效就會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。因此,對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析,不僅要對(duì)總體強(qiáng)度進(jìn)行把握,還需要根據(jù)實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)一些可能發(fā)生失穩(wěn)的部位進(jìn)行深入分析,以確保平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。
超深水半潛式鉆井平臺(tái),適用于3 000 m以上的超深水海域長(zhǎng)期作業(yè),總體結(jié)構(gòu)龐大并且排布復(fù)雜,為使得計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)可信,本文結(jié)構(gòu)模型嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行建立,如圖1所示。在浮筒上平面有4種板厚,分別為15 mm,20 mm,25 mm,30 mm,多種厚度的板結(jié)構(gòu)混合排布,致使網(wǎng)格數(shù)量巨大,最終本文結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分采用網(wǎng)格尺寸0.67 m,共有節(jié)點(diǎn)數(shù)237 617,網(wǎng)格數(shù)490 391。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)格數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)軟件限制網(wǎng)格數(shù),因此在Sesam軟件中計(jì)算時(shí),要對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行修改,設(shè)置一個(gè)新的系統(tǒng)環(huán)境變量擴(kuò)展虛擬緩存數(shù)據(jù)量。通過(guò)本文實(shí)際應(yīng)用,此方法可行。
圖1 整體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig. 1 The overall structure finite element model
半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算時(shí)容易出現(xiàn)六自由度的剛性位移,為消除此因素的影響,選取3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛體位移約束,節(jié)點(diǎn)選取在同一水平面內(nèi),該平面為下浮筒底面。節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2分別位于左右浮筒首尾的中縱艙壁中心線處,節(jié)點(diǎn)3位于左舷的下浮筒中間部位的中縱艙壁處。節(jié)點(diǎn)1約束x,y,z三個(gè)方向的位移約束,節(jié)點(diǎn)2約束y,z兩個(gè)方向的位移約束,節(jié)點(diǎn)3約束z方向的位移約束。
圖2 半潛式鉆井平臺(tái)邊界條件Fig. 2 Boundary conditions of semi-submersible drilling platform
本文采用SESAM-HydroD軟件進(jìn)行半潛平臺(tái)水動(dòng)力性能分析及波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。通過(guò)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波方法進(jìn)行設(shè)計(jì)波參數(shù)選取。本文主要關(guān)注的是下浮筒與立柱連接處典型十字節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的安全性問題,因此主要選取下列4種典型波浪載荷工況。
1)縱向剪切
半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)所受的最大縱向剪切力是在波長(zhǎng)為兩浮筒間對(duì)角線長(zhǎng)度的1.5倍,并且結(jié)構(gòu)受到斜浪作用時(shí),此時(shí)不僅是半潛平臺(tái)水平橫撐受到巨大的載荷作用,對(duì)于立柱與下浮筒關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的應(yīng)力集中,如圖3所示。另外,在產(chǎn)生巨大剪切力的同時(shí),平臺(tái)之間的水平分離力也會(huì)與之疊加,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確定危險(xiǎn)工況時(shí)應(yīng)多浪向的進(jìn)行考慮,特別是對(duì)于斜浪的關(guān)注。
圖3 最大縱向剪切Fig. 3 Maximum longitudinal shear
2)縱向扭轉(zhuǎn)
當(dāng)半潛式鉆井平臺(tái)受到波長(zhǎng)等于兩浮體對(duì)角線長(zhǎng)度的波浪時(shí),平臺(tái)結(jié)構(gòu)會(huì)受到巨大的縱向扭轉(zhuǎn)。平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)是上平臺(tái)甲板和下浮筒的關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu),當(dāng)平臺(tái)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)時(shí),由于慣性等因素的影響,立柱連接節(jié)點(diǎn)會(huì)受到巨大載荷出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此在考慮典型載荷工況時(shí)要著重關(guān)注縱向扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖4 最大橫向扭矩Fig. 4 Maximum lateral torque
3)橫向分離
對(duì)于四立柱、雙浮筒型式的半潛式鉆井平臺(tái),當(dāng)結(jié)構(gòu)受到橫向波浪且波長(zhǎng)為2倍浮筒間距時(shí),即波峰位于平臺(tái)結(jié)構(gòu)中部,波谷位于兩浮筒位置附近,如圖5所示。在此波浪載荷作用下,平臺(tái)橫撐受到巨大拉力,同時(shí)造成立柱與下浮筒十字連接節(jié)點(diǎn)位置受到十分嚴(yán)重的剪切力,因此需要對(duì)半潛平臺(tái)橫向分離力深入分析。
4)垂向彎曲
當(dāng)半潛平臺(tái)受到波長(zhǎng)等于或大于浮體長(zhǎng)度且遭遇浪向?yàn)?°或180°時(shí),此時(shí)的波峰或波谷位于中橫剖面處,平臺(tái)垂向彎曲最為嚴(yán)重,如圖6所示。此時(shí)立柱與下浮筒連接關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)處會(huì)受到巨大的拉壓應(yīng)力,長(zhǎng)期的往復(fù)運(yùn)動(dòng),會(huì)對(duì)半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成較為嚴(yán)重的疲勞損傷。
圖5 最大橫向受力Fig. 5 Maximum lateral force
圖6 中橫剖面最大垂向彎矩Fig. 6 The maximum vertical bending moment of the transverse section
本文在波浪載荷預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中使用的是DNV船級(jí)社開發(fā)的SESAM軟件。計(jì)算流程如圖7所示。
圖7 計(jì)算流程Fig. 7 Flowchart of calculation
進(jìn)行波浪載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào),涉及到波浪統(tǒng)計(jì)資料即波浪散布圖的選取、波浪譜的選取、概率水平、入射波浪向的選取。其中,波浪散布圖選取近似中國(guó)南海海域真實(shí)情況的波浪散布圖WS3。波浪譜選取Jonswap譜,有義波高13.8 m,跨零周期11.6 s,波譜參數(shù)中增強(qiáng)因子自存工況2.0,作業(yè)工況2.4,參數(shù)σA為0.07,σB為0.09,得到的波浪譜如圖8所示。概率水平計(jì)算時(shí)選取10-2,10-4,10-6,10-8,10-10;入射波浪向選取0°~90°,步長(zhǎng)15°,共7個(gè)浪向。根據(jù)上述條件分別進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比分析。
各工況下長(zhǎng)期預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖9~圖12所示。
由圖9~圖12可以得到:
圖8 Jonswap波浪譜Fig. 8 Jonswap wave spectrum
圖9 橫向分離力長(zhǎng)期預(yù)報(bào)Fig. 9 Long-term prediction of lateral separation force
1)以對(duì)數(shù)函數(shù)表現(xiàn)形式下,不論是自存工況還是作業(yè)工況,其預(yù)報(bào)幅值均隨著超越概率的減小逐漸增大,這與預(yù)報(bào)精度越高,計(jì)算值越準(zhǔn)確的原理一致。
2)在各典型工況中,自存工況與作業(yè)工況計(jì)算結(jié)果的離散程度不同。自存工況時(shí),計(jì)算結(jié)果較為離散,各曲線之間的間距較小近乎形成“一簇”的形式,而作業(yè)工況計(jì)算結(jié)果則不同。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果不難看出,每種典型工況下大致是分成兩部分,在橫向分離、垂向彎矩、縱向剪切3種工況下,30°,45°,60°,All inc與0°,15°,75°,90°分為2個(gè)部分,在縱向扭轉(zhuǎn)工況中30°,60°,All Inc與0°,15°,45°,75°,90°形成2個(gè)部分。通過(guò)這樣的分布結(jié)果,分析得到,30°和60°的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是所有計(jì)算結(jié)果中占有重要比例,因?yàn)槠溆?jì)算結(jié)果與All Inc即平均結(jié)果始終在“一簇”,即差距非常小,在設(shè)計(jì)波參數(shù)的確定中,可以參考此規(guī)律。
3)在各典型工況中,半潛式鉆井平臺(tái)無(wú)論是在自存狀態(tài)下還是在作業(yè)狀態(tài)下,最大值所在浪向均一致,這說(shuō)明對(duì)于四立柱雙浮筒結(jié)構(gòu)型式的半潛式鉆井平臺(tái),壓載狀態(tài)不是決定長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值最大浪向的關(guān)鍵因素。
圖10 垂向彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)Fig. 10 Long-term prediction of vertical bending moment
圖11 縱向剪切力長(zhǎng)期預(yù)報(bào)Fig. 11 Long-term prediction of longitudinal shear force
圖12 縱向扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)Fig. 12 Long-term prediction of longitudinal torsion
1)不同回復(fù)周期下的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值
利用SESAM-Postresp軟件,基于Wadam水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果,進(jìn)一步對(duì)不同回復(fù)周期下各剖面的波浪載荷進(jìn)行預(yù)報(bào),浪向角0°~90°范圍內(nèi)以15°等間隔分布,根據(jù)DNV所開發(fā)的軟件SESAM幫助文件中推薦,假定各浪向出現(xiàn)的概率分別為0.05,0.1,0.15,0.4,0.15,0.1,0.05,波浪的重現(xiàn)周期設(shè)置為1年、5年、10年、50年、100年。基于南海海況資料進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果中的最大值記錄在表1。
表1 各剖面不同重現(xiàn)期下的載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值Tab. 1 Long-term forecast values of loads under different recurrence periods in each profile
從表1數(shù)據(jù)可以看出,各剖面載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值與回復(fù)周期增長(zhǎng)成正比關(guān)系,即隨著重現(xiàn)周期的增加,剖面載荷預(yù)報(bào)值也增加。根據(jù)DNV規(guī)范可知,浮式海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)時(shí),疲勞壽命應(yīng)為設(shè)計(jì)使用壽命的3倍,本文半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)使用壽命為25年,因此重現(xiàn)周期選擇時(shí),可選擇100年進(jìn)行計(jì)算,確定設(shè)計(jì)波參數(shù)。
2)確定設(shè)計(jì)波參數(shù)
根據(jù)DNV規(guī)范推薦,長(zhǎng)期預(yù)報(bào)分析時(shí)超越概率一般選取10-8。采用長(zhǎng)期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法確定設(shè)計(jì)波參數(shù)時(shí),需要確定2個(gè)數(shù)值,一是在剖面載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值,另外一個(gè)數(shù)值是對(duì)應(yīng)剖面載荷傳遞函數(shù)的最大響應(yīng)值。因?yàn)樵O(shè)計(jì)波的波幅實(shí)際是這2個(gè)數(shù)值之間的比值,即設(shè)計(jì)波波幅等于某工況下長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值與該工況下最大響應(yīng)幅值的比值。設(shè)計(jì)規(guī)則波的浪向、周期以及相位與響應(yīng)幅值最大值所對(duì)應(yīng)的參數(shù)相同。通過(guò)計(jì)算,將本文半潛式鉆井平臺(tái)各典型工況下的設(shè)計(jì)波參數(shù)統(tǒng)計(jì)在表2中。
表2 典型工況下的設(shè)計(jì)波參數(shù)Tab. 2 Design wave parameters under typical operating conditions
利用有限元軟件SESAM-Sestra進(jìn)行半潛式鉆井平臺(tái)的強(qiáng)度計(jì)算,有限元分析模型結(jié)構(gòu)龐大,細(xì)節(jié)復(fù)雜,板殼及艙壁結(jié)構(gòu)采用板單元進(jìn)行仿真模擬,對(duì)于梁結(jié)構(gòu)采用beam單元進(jìn)行模擬。所有結(jié)構(gòu)的基本屬性均按照實(shí)際設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)置,盡可能使計(jì)算結(jié)構(gòu)模型近似真實(shí)。
根據(jù)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)法得到的設(shè)計(jì)波參數(shù)分析,在入射浪向?yàn)?0°和60°,周期為7.6 s,7.8 s,8 s時(shí),關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境較為危險(xiǎn)。因此本文通過(guò)進(jìn)一步縮小范圍進(jìn)行波浪載荷搜索,分析結(jié)構(gòu)受載情況。以自存工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)所受的波浪載荷分布圖對(duì)重點(diǎn)浪向及波浪周期進(jìn)行分析,得到對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)影響較為嚴(yán)重的波浪參數(shù)。
圖13為水下結(jié)構(gòu)在靜水作用下的壓力分布情況,從圖中可以看出平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)靜水中受載均勻,并且載荷大小主要與結(jié)構(gòu)所處水深有關(guān),水深越深,結(jié)構(gòu)受到的靜水壓力越大,這與物理學(xué)中的水深與壓強(qiáng)的關(guān)系是一致的。
圖13 靜水壓力(自存)Fig. 13 Hydrostatic pressure(self-existing)
圖14為重點(diǎn)入射浪向及波浪周期下的波浪載荷分布圖,其中各圖命名組成分別為“浪向-周期”。通過(guò)6幅危險(xiǎn)波浪載荷分布圖可以看出,入射浪向?yàn)樾崩藭r(shí),波浪載荷呈對(duì)角分布。呈對(duì)角線分布的立柱與下浮筒連接位置受到較大載荷影響,從壓力分布情況反映出,本文設(shè)計(jì)波參數(shù)的選取可行。
圖14 危險(xiǎn)波浪條件下的波浪載荷分布圖Fig. 14 Wave load distribution under dangerous wave conditions
半潛式鉆井平臺(tái)在水中長(zhǎng)期漂浮,從始至終靜水壓力會(huì)一直作用在半潛式結(jié)構(gòu)上。圖15為靜水壓力作用下的最大主應(yīng)力分布圖,可以看出,在靜水壓力作用下,平臺(tái)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布在下浮筒的橫縱艙壁位置會(huì)發(fā)生突變,這種突變會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成威脅,引發(fā)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。
對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)立柱與下浮筒連接處的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力進(jìn)行分析。首先選取2浪向、4周期組合成一系列波浪條件,如表3所示。選取連接位置的多個(gè)節(jié)點(diǎn)如圖16所示,通過(guò)分析各波浪條件下的節(jié)點(diǎn)位移變化曲線如圖17所示。分析數(shù)據(jù)可以看出,節(jié)點(diǎn)位移最大值出現(xiàn)在靜水條件下。由此可知靜水條件的作用不僅是最基礎(chǔ)的作用力,而且在長(zhǎng)期過(guò)程中,靜水壓力作用下的節(jié)點(diǎn)位移是結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的主要部分。因此,對(duì)靜水條件下波浪作用的各應(yīng)力分量進(jìn)一步分析很有必要。利用SESAM后處理模塊Xtract將節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分解為6部分,分別為x方向的膜應(yīng)力(SIGMX)、y方向膜應(yīng)力(SIGMY)、x方向的彎曲應(yīng)力(SIGBX)、y方向彎曲應(yīng)力(SIGBY)、xy方向的剪切膜應(yīng)力(TAUMXY)、xy方向的剪切彎曲應(yīng)力(TAUBXY),將各點(diǎn)的6個(gè)應(yīng)力分量如圖18所示。
圖15 靜水壓力下最大主應(yīng)力Fig. 15 Maximum principal stress under hydrostatic pressure
表3 危險(xiǎn)波浪條件Tab. 3 Dangerous wave conditions
通過(guò)分析,圖18中各應(yīng)力分量無(wú)論是在自存工況還是在作業(yè)工況均在節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6處發(fā)生應(yīng)力突變,因此在連接處的中部十字節(jié)點(diǎn)位置很有可能發(fā)生應(yīng)力集中。各應(yīng)力分量之間進(jìn)行對(duì)比分析,變化幅度最大的是SIGMY曲線即Y方向的膜應(yīng)力。另外將各分量與等效應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,從變化趨勢(shì)及數(shù)值分析,SIGMY的絕對(duì)值與MVONMISES的數(shù)值較為接近,因此可以推測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主要影響因素是SIGMY分量,此結(jié)論對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)十字相交結(jié)構(gòu)的焊接工藝分析提供指導(dǎo)。
圖16 連接處的節(jié)點(diǎn)Fig. 16 Nodes at the junction
圖17 各工況下的位移曲線(自存)Fig. 17 Displacement curve under various working conditions(self-existing)
圖18 靜水壓力下的立柱與下浮體交接處的各分解應(yīng)力分布Fig. 18 Decomposition stress distribution at the junction of upright column and floating body under hydrostatic pressure
綜合膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等因素的影響,將各節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化繪制成圖19所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)力曲線圖。從整體上分析,無(wú)論是不同裝載工況還是不同波浪條件,在節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6位置均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,即在立柱與下浮筒連接處的中縱艙壁位置的十字節(jié)點(diǎn)處。自存工況中,在各波浪條件下的計(jì)算結(jié)果之間對(duì)比,LLC00009波浪條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值最大,即浪向角為60°,周期為8 s時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最大。通過(guò)確定的設(shè)計(jì)波參數(shù)總結(jié)得到,縱向扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)立柱和下浮筒連接的十字節(jié)點(diǎn)位置的影響最為嚴(yán)重。從圖19(b)中發(fā)現(xiàn)作業(yè)工況下也存在類似的規(guī)律。
圖19 結(jié)構(gòu)應(yīng)力曲線圖Fig. 19 Structural stress curve
本文采用SESAM有限元軟件系列模塊,基于長(zhǎng)期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法對(duì)超深水半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào),對(duì)各典型工況下的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值進(jìn)行分析,得到一系列危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)波參數(shù)。設(shè)計(jì)波參數(shù)中最危險(xiǎn)工況為縱向扭轉(zhuǎn),且最危險(xiǎn)的波浪參數(shù)為有義波高11.30 m、波幅為5.65 m、周期為8 s、入射浪向60°、相位171.122,同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)波參數(shù)計(jì)算結(jié)果確定了對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大的2個(gè)浪向角即30°,60°和3個(gè)波浪周期即7.6 s,7.8 s,8.0 s。
在此基礎(chǔ)上,對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析,分別從不同浪向的靜水壓力分布和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分量2個(gè)角度進(jìn)行分析。通過(guò)各工況下的位移量對(duì)比發(fā)現(xiàn),靜水工況對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移作用最大;分析各應(yīng)力分量之間以及等效應(yīng)力的對(duì)比,得到應(yīng)力分量的重要組成部分是y方向的膜應(yīng)力;將立柱與下浮筒連接位置多個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)在十字節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中程度最大,并且推測(cè)此應(yīng)力集中為實(shí)踐中所暴露問題的重要原因之一。