梁 瑜， 田 鋒， 喬曉國(guó)， 楊 亮， 毛程亮

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)院， 天津 300451)

0 引 言

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)具有適用水深范圍廣、抵御惡劣海況能力強(qiáng)、建造技術(shù)相對(duì)成熟等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際上得到廣泛的應(yīng)用。目前世界上約有50座半潛式生產(chǎn)平臺(tái)在役，主要分布在巴西海域、北海、墨西哥灣和西非海域[1-2]。

在深水浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)中，拖點(diǎn)結(jié)構(gòu)作為拖纜與半潛式平臺(tái)連接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是平臺(tái)拖航分析中的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求是整個(gè)平臺(tái)濕拖能否成功的關(guān)鍵，是確保半潛式平臺(tái)長(zhǎng)距離濕拖萬(wàn)無(wú)一失的重中之重。

目前業(yè)內(nèi)關(guān)于平臺(tái)拖航方面的研究主要集中于平臺(tái)穩(wěn)性、拖航阻力、運(yùn)動(dòng)性能分析等方面[3-5]，而對(duì)于深水浮式平臺(tái)拖點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方面的研究則寥寥無(wú)幾。

排水量超10萬(wàn)噸的大型浮式平臺(tái)的濕拖拖點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，為填補(bǔ)此項(xiàng)空白，以我國(guó)陵水17-2氣田深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)為例，詳細(xì)介紹大型浮式平臺(tái)濕拖拖點(diǎn)設(shè)計(jì)分析的過(guò)程和方法。

陵水17-2氣田作為1 500 m水深自營(yíng)油氣田，采用半潛式生產(chǎn)平臺(tái)結(jié)合水下設(shè)施的模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，是深吃水、適應(yīng)鋼懸鏈線(xiàn)立管的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，最大排水量超11萬(wàn)t，同時(shí)也是凝析油儲(chǔ)存半潛式平臺(tái)[6]。

陵水17-2半潛式平臺(tái)相關(guān)信息如下：

總長(zhǎng)為91.5 m(立柱寬度21.0 m+浮筒長(zhǎng)度49.5 m+立柱寬度21.0 m)；

浮筒尺寸為長(zhǎng)度49.5 m×寬度21.0 m×高度9.0 m(倒角1.0 m)；

立柱尺寸為長(zhǎng)度21.0 m×寬度21.0 m×高度59.0 m(倒角1.7 m)；

下甲板標(biāo)高為60.5 m；

空船質(zhì)量為53 007 t。

陵水17-2項(xiàng)目在綜合考慮項(xiàng)目工期、拖航時(shí)間、拖航費(fèi)用、拖航程序、拖航運(yùn)動(dòng)與穩(wěn)性、船體強(qiáng)度、受臺(tái)風(fēng)影響等方面后，最終采用從建造場(chǎng)地至陵水海域濕式拖航的運(yùn)輸方式。

1 濕拖設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)

平臺(tái)濕拖的主拖采用3艘功率力拖船，系柱拖力按照300 t考慮。

平臺(tái)濕拖拖航平面布置如圖1所示。

圖1 平臺(tái)濕拖拖航平面布置圖

從卸扣規(guī)格表中選取300 t載荷的卸扣，考慮到拖點(diǎn)結(jié)構(gòu)的尺寸，將該卸扣鉗口寬度改為195 mm，弓高改為500 mm，需進(jìn)行特殊定制。

經(jīng)與海上安裝方確認(rèn)，濕拖設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)中選用卸扣的具體規(guī)格如表1所示。

表1 濕拖索具卸扣規(guī)格

2 拖點(diǎn)設(shè)計(jì)的載荷計(jì)算

依據(jù)挪威船級(jí)社(DNV)拖航規(guī)范DNV GL-ST-N001[7]，用于校核拖點(diǎn)極限強(qiáng)度的最大載荷FULC=2.0FBP+40 t(其中：FBP為拖船系柱拖力)。由于FBP取300 t，因此FULC為640 t。

采用線(xiàn)性有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，依據(jù)AISC 360-15[8]，在同樣載荷下極限強(qiáng)度的許用應(yīng)力可比正常工作下許用應(yīng)力提高三分之一。由于對(duì)拖點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)彈性分析，因此在計(jì)算中相應(yīng)地把計(jì)算載荷降低為極限強(qiáng)度對(duì)應(yīng)載荷的0.75(1/1.33≈0.75)，但是許用應(yīng)力仍為正常工作下的許用應(yīng)力，即計(jì)算載荷等效為0.75FULC=480 t，將其作為計(jì)算施加載荷，用于線(xiàn)性有限元計(jì)算。

依據(jù)半潛式平臺(tái)濕拖運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果(見(jiàn)表2)，濕拖過(guò)程最大橫搖角為7.04°。

表2 半潛式平臺(tái)濕拖運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果 (°)

綜合考慮拖纜與水平面的夾角，拖點(diǎn)載荷作用方向相對(duì)于拖點(diǎn)平面的面外角取9°。

3 拖點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

基于選用卸扣的幾何尺寸信息(見(jiàn)表3)和拖點(diǎn)眼板的結(jié)構(gòu)尺寸信息(見(jiàn)表4)，包括開(kāi)孔直徑、主板厚度、兩側(cè)貼板厚度、圓弧倒角半徑等，對(duì)拖點(diǎn)自身幾何形狀與卸扣匹配性進(jìn)行核算，包括：卸扣鉗口寬度應(yīng)大于拖點(diǎn)眼板總厚度、銷(xiāo)軸直徑應(yīng)小于拖點(diǎn)眼板開(kāi)孔直徑、卸扣鉗口寬度的間隙應(yīng)為10～15 mm、拖點(diǎn)眼板開(kāi)孔高度應(yīng)大于眼板開(kāi)孔最小高度要求、卸扣高度間隙應(yīng)大于拖纜直徑、滿(mǎn)足貼板與主板之間焊縫的焊角最小要求等，具體結(jié)果如表5 所示。

表3 卸扣尺寸信息

續(xù)表4 拖點(diǎn)眼板尺寸信息 mm

表5 拖點(diǎn)幾何形狀校核結(jié)果

通過(guò)對(duì)拖點(diǎn)眼板的擠壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、貼板焊縫強(qiáng)度等進(jìn)行計(jì)算校核，使拖點(diǎn)自身幾何尺寸和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。拖點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算校核結(jié)果如表6所示。

表6 拖點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算校核結(jié)果

在對(duì)眼板的擠壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等進(jìn)行計(jì)算校核之后，應(yīng)用SESAM GeniE軟件[9]對(duì)拖點(diǎn)及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算。

拖點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 拖點(diǎn)有限元分析結(jié)構(gòu)模型

施加載荷情況如下：

點(diǎn)載荷：300 000 kg×9.81 m/s2×1.6=4 708 800 N；

彎矩：300 000 kg×9.81 m/s2×1.6sin 9°×0.408 5 m=300 073 N·m；

其中：300 000 kg為載荷；9.81 m/s2為重力加速度；1.6為載荷因數(shù)；9°為拖點(diǎn)載荷作用方向相對(duì)于拖點(diǎn)平面的面外角；0.408 5 m為力臂值，由卸扣弓高(500 mm)+開(kāi)孔半徑(137/2 mm)-弓高半徑(160 mm)計(jì)算得到。

模型載荷加載如圖3所示。

圖3 拖點(diǎn)有限元分析載荷施加

4 計(jì)算結(jié)果分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

美國(guó)船級(jí)社(ABS)RulesforBuildingandClassing:MobileOffshoreDrillingUnits[10]針對(duì)半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析規(guī)定了許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于板殼結(jié)構(gòu)，可采用等效應(yīng)力進(jìn)行校核。對(duì)于EH36鋼材，等效應(yīng)力的許用應(yīng)力為

F=Fy/fS

(1)

式中：F為許用應(yīng)力；Fy為屈服極限，取355 MPa；fS為安全因數(shù)。

相應(yīng)的安全因數(shù)和許用應(yīng)力如表7所示。

表7 安全因數(shù)和許用應(yīng)力

半潛式平臺(tái)濕拖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算按照操作工況考慮，即許用應(yīng)力為248 MPa。

對(duì)上述有限元結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析后，得到立柱內(nèi)側(cè)拖點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力為201 MPa，等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 立柱內(nèi)側(cè)拖點(diǎn)有限元分析應(yīng)力結(jié)果

立柱外側(cè)拖點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力為289 MPa，等效應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 立柱外側(cè)拖點(diǎn)有限元分析應(yīng)力結(jié)果

應(yīng)力分析結(jié)果顯示有個(gè)別單元的等效應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力248 MPa，具體如圖6所示。

圖6 立柱外側(cè)拖點(diǎn)有限元分析超過(guò)許用應(yīng)力結(jié)果

雖然圖6顯示超過(guò)許用應(yīng)力的單元位于應(yīng)力集中部位，而且是個(gè)別單元，但為了確保平臺(tái)拖航過(guò)程的萬(wàn)無(wú)一失，仍然將拖點(diǎn)的主板鋼材規(guī)格由原ABS EH36[11]升級(jí)為更高強(qiáng)度鋼材API 2Y GR.60 TYPE AX[12](屈服限為414 MPa，許用應(yīng)力為290 MPa)，使拖點(diǎn)結(jié)構(gòu)完全滿(mǎn)足平臺(tái)拖航的設(shè)計(jì)要求，并對(duì)拖點(diǎn)圖紙進(jìn)行更新。

5 結(jié) 論

浮式平臺(tái)拖航作業(yè)是關(guān)系整個(gè)工程項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵，任何一點(diǎn)設(shè)計(jì)失誤都不能容忍，拖點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須確保其自身及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。從拖航索具的選取、拖點(diǎn)計(jì)算載荷的確定、拖點(diǎn)自身幾何尺寸的校核，到拖點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元計(jì)算分析，完成半潛式平臺(tái)濕拖拖點(diǎn)設(shè)計(jì)的一整套設(shè)計(jì)分析流程，給出一套切實(shí)可行便于操作的設(shè)計(jì)分析流程。由分析過(guò)程可知，拖點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：拖點(diǎn)幾何尺寸與卸扣尺寸的匹配、拖點(diǎn)設(shè)計(jì)載荷的計(jì)算(包括設(shè)計(jì)載荷的確定、面外角的大小等)和拖點(diǎn)強(qiáng)度分析校核等。另外，所建立的半潛式平臺(tái)濕拖拖點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析方法可為今后大型浮式平臺(tái)濕拖拖點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些有益參考。