自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強度分析研究

李紅濤, 李 曄

(中國船級社海工審圖中心,天津300457)

自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強度分析研究

李紅濤, 李 曄

(中國船級社海工審圖中心,天津300457)

闡述了自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強度的基本理論,提出了結(jié)合移動平臺結(jié)構(gòu)特點的結(jié)構(gòu)強度分析,并以一桁架樁腿自升式平臺為例,通過有限元分析和求解來說明此類移動平臺結(jié)構(gòu)強度分析的過程及方法。

自升式鉆井平臺;結(jié)構(gòu)強度;有限元分析;桁架式樁腿

0 引言

自升式鉆井平臺是指具有活動樁腿,且其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進行鉆井作業(yè)的平臺,此種平臺在海洋石油開發(fā)中被廣泛應(yīng)用。自升式海洋平臺與導(dǎo)管架固定平臺相比,結(jié)構(gòu)整體柔性較大,振動響應(yīng)較為強烈,且隨著海洋工程向深海發(fā)展,環(huán)境越來越惡劣,載荷不確定因素增多,因此,自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)安全越來越受到重視,而結(jié)構(gòu)強度分析自然就成為設(shè)計階段的重要研究內(nèi)容[1]。

本文以自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)安全為目的,闡述了結(jié)構(gòu)強度理論,包括屈服強度理論、屈曲強度理論和疲勞強度理論;并結(jié)合自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)特點,提出了總體性能分析、船體強度分析及局部強度分析3個主要的結(jié)構(gòu)強度分析;最后以一桁架式樁腿的自升式鉆井平臺為例,通過有限元分析和求解,闡述此類移動平臺結(jié)構(gòu)強度分析的過程及方法,對工程實踐有指導(dǎo)作用,并為工程設(shè)計人員提供借鑒。

1 結(jié)構(gòu)強度失效形式

自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強度失效形式主要有3種,即屈服強度失效、屈曲強度失效及疲勞強度失效。

1.1 屈服強度[2]

對于樁腿、甲板間支撐等獨立構(gòu)件,其屈服強度應(yīng)滿足下式(1)、(2):

承受軸向拉伸和彎曲組合作用時

承受軸向壓縮和彎曲組合作用時

式中符號含義可參見參考文獻[2]。

對于平臺大部分結(jié)構(gòu):帶扶強材的板結(jié)構(gòu),其屈服強度應(yīng)按相當(dāng)應(yīng)力σeq校核:

1.2 屈曲強度[2]

受壓桿件的整體屈曲臨界應(yīng)力σcr按下式計算:

式中σE為歐拉應(yīng)壓桿件的整體屈曲安全系數(shù)取值可見參考文獻[2]。

板格的屈曲強度可按如下公式進行校核:

式中:σx、σy、τxy為板格長、短邊壓應(yīng)力及剪切應(yīng)力值;σxcr、σycr、τxy為臨界屈曲應(yīng)力;Sbu為安全系數(shù),其取值可見參考文獻[2]。

1.3 疲勞強度[3,4][5][7]

疲勞校核的目的是確保平臺結(jié)構(gòu)在營運期間有足夠的疲勞壽命,一般不應(yīng)少于20年。發(fā)生疲勞破壞的結(jié)構(gòu)一般要承受循環(huán)載荷,自升式鉆井平臺易發(fā)生疲勞的位置為桁架式樁腿的桿件節(jié)點處,因此務(wù)需對之進行疲勞分析。疲勞強度校核一般采用譜分析方法,具體過程可參見文獻[5]。

2 結(jié)構(gòu)強度分析內(nèi)容

根據(jù)自升式鉆井平臺的工作特性和結(jié)構(gòu)特點,其結(jié)構(gòu)強度分析可分為總體性能、船體強度及局部強度分析。

2.1 總體性能分析

自升式鉆井平臺的總體性能分析主要是考核其站立工作狀態(tài)下的整體安全情況,包括樁腿強度、鎖緊系統(tǒng)(升降系統(tǒng))承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴承載性能及抗傾穩(wěn)性。總體性能會直接影響平臺的操作安全及作業(yè)能力,因此需予重點關(guān)注。具體計算方法和過程請詳見參考文獻[6]。

2.2 船體強度分析

平臺設(shè)計時,應(yīng)確保船體具有足夠的強度,除承載設(shè)備及人員外,還能抵御環(huán)境載荷及功能載荷產(chǎn)生的不利影響。船體強度的失效形式主要為船體板或梁發(fā)生屈服、屈曲。受力主要工況為站立工況和拖航工況。站立工況下,預(yù)壓載和懸臂梁外伸狀態(tài),船體受力最大,預(yù)壓載時,船體壓載艙和甲板的應(yīng)力較高,懸臂梁外伸作業(yè)時,懸臂梁底座處主甲板及艙壁受力較大,且圍阱周圍的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較高;拖航工況下,樁腿和固樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較高。

2.3 局部強度分析

局部強度分析主要是對自升式平臺局部受力較大的結(jié)構(gòu)單獨進行計算分析。根據(jù)自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)特點,應(yīng)予強度分析的局部結(jié)構(gòu)為:圍阱區(qū)、樁靴、生活樓、直升機甲板、吊機底座、懸臂梁、鉆臺、設(shè)備底座等。局部結(jié)構(gòu)一般所受工作載荷較大,因此,這些結(jié)構(gòu)在設(shè)計時強度應(yīng)予保證。

圖1 有限元模型

局部強度分析一般采用有限元分析方法,由計算得到的應(yīng)力進行板的屈服、屈曲校核。

3 算例

算例中的平臺為懸臂梁式自升式平臺,采用三角形箱形主船體,配有三個桁架式樁腿,艏一艉二,升降系統(tǒng)為電動齒輪升降系統(tǒng),每個樁腿弦桿一套;全船并配有9套鎖緊系統(tǒng),在拖航、作業(yè)及自存狀態(tài)下,鎖緊系統(tǒng)將樁腿弦桿齒條板鎖死;平臺每個樁腿帶有一個圓形的樁靴,拖航時可收回船底。平臺的作業(yè)環(huán)境條件及參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)境條件及作業(yè)參數(shù)

圖2 樁腿弦桿應(yīng)力比

3.1 總體性能分析

根據(jù)該平臺結(jié)構(gòu)特點,使用有限元軟件SACS建立如圖1所示的有限元模型,所有結(jié)構(gòu)由梁單元模擬。坐標(biāo)原點位于靜水面,x方向指向船艏,y方向指向左舷,z方向豎直向上。

3.1.1 功能載荷包括固定載荷和可變載荷。固定載荷主要包括平臺結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備重量,可變載荷主要包括各液艙的配載、平臺作業(yè)的相關(guān)載荷等。

3.1.2 環(huán)境載荷主要包括風(fēng)、波浪、海流以及P-Delta載荷。環(huán)境載荷作用方向在算例中從0°～180°間共取5個方向,各方向環(huán)境載荷值見表2。

表2 環(huán)境載荷

3.1.3 計算結(jié)果 有限元分析結(jié)果表明,算例平臺樁腿強度、鎖緊系統(tǒng)承載能力、樁靴承載能力、抗傾穩(wěn)性、預(yù)壓載能力及升降系統(tǒng)保持能力是足夠的,因此,算例平臺總體性能滿足規(guī)范要求。樁腿弦桿最大應(yīng)力比及發(fā)生位置如圖2所示。

3.2 船體強度分析

使用MSC/Patran有限元軟件,建立如圖3所示的船體有限元模型。模型中可采用板殼單元、梁單元及管單元等適當(dāng)組合。本文將平臺模擬為空間板殼、梁的組合結(jié)構(gòu)。

計算工況主要分為作業(yè)、自存及預(yù)壓載3種工況,載荷值見表3。

表3 載荷列表

有限元分析結(jié)果表明,船體結(jié)構(gòu)的最大相當(dāng)應(yīng)力(發(fā)生在懸臂梁固定底座下橫艙壁處,由懸臂梁外伸載荷引起)為318 MPa,小于允用應(yīng)力319 MPa,因此船體主要結(jié)構(gòu)屈服強度滿足要求。選取受壓或剪應(yīng)力較大的板格按公式(5)進行屈曲分析,計算結(jié)果,屈曲因子均小于1,表明屈曲強度滿足要求。

作業(yè)工況、環(huán)境條件0°入射下,船體的相當(dāng)應(yīng)力云圖見圖4。

3.3 局部強度分析

本文選取最關(guān)鍵的圍阱結(jié)構(gòu)進行強度分析。圍阱區(qū)主要包括升降室、鎖緊系統(tǒng)基座、上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)及甲板、艙壁等。使用MSC/Patran有限元軟件,建立如圖5所示的有限元模型。

計算工況主要分為拖航、自存及預(yù)壓載3種工況,計算載荷如表4所示。

表4 載荷列表

有限元分析結(jié)果表明,圍阱結(jié)構(gòu)的最大相當(dāng)應(yīng)力(發(fā)生在鎖緊系統(tǒng)上基座面板處,由鎖緊系統(tǒng)受力引起)為313 MPa,小于允用應(yīng)力319 MPa,因此圍阱區(qū)主要結(jié)構(gòu)屈服強度滿足要求。選取受壓或剪應(yīng)力較大的板格按公式(5)進行屈曲分析,計算結(jié)果,屈曲因子均小于1,表明屈曲強度滿足要求。

自存工況下,圍阱區(qū)的相當(dāng)應(yīng)力云圖見圖6。

3.4 樁腿疲勞分析

3.4.1 海況條件

對算例中的桁架樁腿桿件節(jié)點處進行疲勞分析。本文采用北海的一年波浪散布圖。每一點的P-M譜見圖7。

3.4.2 應(yīng)力幅頻率傳遞函數(shù)的確定

計算中選取STOKES 5階波理論,波高1 m,周期從4.5 s～30 s共18個頻率作用于3.1節(jié)所述有限元模型。對于每個波浪,選取72個波峰位置計算平臺的最大、最小傾覆力矩,將最大、最小傾覆力矩波峰位置樁腿桿件的應(yīng)力相減,即可得到名義應(yīng)力幅。圖8為樁腿與船體下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)交接處弦桿的名義應(yīng)力幅傳遞函數(shù),圖中3條曲線分別表示波浪0°、90°及120°3個方向入射的傳遞函數(shù)。名義應(yīng)力幅頻率傳遞函數(shù)再乘以動力放大系數(shù)(DAF)和應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)即可得到應(yīng)力幅頻率傳遞函數(shù)。

DAF的求解可采用SDOF方法求解;SCF可采用DNV推薦的做法求解[7]。

3.4.3 應(yīng)力幅響應(yīng)譜

確定輸入譜和頻率傳遞函數(shù)后,利用公式(7)即可求得應(yīng)力幅響應(yīng)譜。對應(yīng)于圖8所表示桿件的響應(yīng)譜(0°、90°及120°)如圖9所示。

3.4.4 疲勞壽命

采用Miner疲勞累計損傷理論,按1.3節(jié)所述方法對算例平臺的樁腿進行疲勞壽命分析,計算結(jié)果如表5所示。

表5只列出了疲勞壽命較短的一部分弦桿和撐桿,算例平臺最小疲勞壽命的弦桿處于下流向樁腿,且位于樁腿與圍阱下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的交界處;最小疲勞壽命的撐桿處于下流向樁腿,且位于樁靴上方位置。由分析結(jié)果可知,此算例平臺樁腿的疲勞壽命為165年,滿足規(guī)范要求的20年。

表5 樁腿疲勞壽命

圖9 響應(yīng)譜函數(shù)

4 結(jié)論

本文經(jīng)理論與算例相結(jié)合,闡述了自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強度的計算原理和分析方法,并得到以下結(jié)論:

(1)自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強度的失效形式主要有屈服強度失效、屈曲強度失效和疲勞強度失效3種形式。

(2)自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強度分析包括總體性能分析、船體強度分析及局部結(jié)構(gòu)強度分析。

(3)總體性能分析決定了平臺的操作安全和作業(yè)能力;船體強度分析保障了整個船體結(jié)構(gòu)的安全;局部分析保證了船體局部結(jié)構(gòu)的強度。

(4)本文采用譜分析方法進行疲勞計算。由于DAF、SCF等參數(shù)的計算比較保守,且假定平臺工作水深、氣隙及入泥都不變,因此計算的疲勞壽命也比較保守。

(5)樁腿是強度分析中較為薄弱的部位;但卻是平臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),因此,在設(shè)計中安全系數(shù)應(yīng)留有余量,日常使用中應(yīng)注意維護保養(yǎng)。

[1] 李潤培,王志農(nóng).海洋平臺強度分析[M].上海交通大學(xué)出版社,1992.

[2] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] DNV Rp-C203.Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structure[M].2000.

[4] Cronin D J,Godfrey P S,Hook P M,et al.Spectral Fatigue Analysis for Offshore Structures[J].Numerical Method in Offshore Engineering.1978,281-315.

[5] Maddox N R,Wildenstein A W.A Spectral Fatigue Analysis for Offshore Structures[C].OTC 2261,1975,185-194.

[6] 李紅濤,徐捷,李曄.自升式海洋平臺站立狀態(tài)下的性能分析[J].中國海洋平臺.2009,24(4):38-42.

[7] DNV Classification Notes.Fatigue Strength Analysis for Mobile Offshore Units[M].1984.

Research on Structure Strength Analysis for Self-Elevating Drilling Units

LI Hong-tao, LI Ye
(Offshore Engineering Plan Approval Center of CCS,Tianjin 300457,China)

The theory of structure strength analysis for self-elevating drilling units is illustrated.Based on the structure characteristic of jack-up units,the contents for structure strength analysis are proposed.As an example,a jack-up with truss legs is analyzed by FEA method,which can explain the process and method for strength analysis of jack-up units.

jack-up;structure strength;finite element analysis;truss leg

P752

A

2009-09-11;修改稿收到日期:2010-03-15

李紅濤(1976-),男,博士,從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作。

1001-4500(2010)02-0028-06