深水半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵部位波浪載荷敏感性分析＊

白艷彬劉 俊張朝陽粟 京劉華祥

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.中國海洋石油總公司)

深水半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵部位波浪載荷敏感性分析＊

白艷彬1劉 俊1張朝陽1粟 京2劉華祥2

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.中國海洋石油總公司)

以我國第一艘擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第6代深水半潛式鉆井平臺(tái)為目標(biāo)平臺(tái),基于線性三維繞射理論,采用線性載荷譜分析法和有限元法,在前人進(jìn)行總體強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上,選取2個(gè)典型組合工況分析了連接平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位對(duì)波浪載荷的敏感性,分析結(jié)果可為半潛式平臺(tái)的波浪載荷分析、疲勞節(jié)點(diǎn)選取等提供參考。

深水半潛式鉆井平臺(tái) 關(guān)鍵部位 波浪載荷 敏感性

隨著我國深海油氣田的勘探開發(fā),深水半潛式平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究成為國內(nèi)海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其中包括系泊特性與水動(dòng)力性能[1-2]、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞壽命分析[3-4]等研究。深海平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)的疲勞問題是發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的重要問題[4-6],對(duì)于不存在復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)的深水半潛式鉆井平臺(tái)而言,其總體強(qiáng)度和關(guān)鍵部位的局部強(qiáng)度成為確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素。已有研究者根據(jù)美國船級(jí)社和挪威船級(jí)社的海上移動(dòng)式平臺(tái)規(guī)范[7-10]以及集裝箱船波浪載荷直接計(jì)算的搜索方法,采用頻率步長(zhǎng)0.05rad/s、浪向步長(zhǎng)15°對(duì)我國第一艘擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第6代半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行了總體強(qiáng)度分析[11],但由于連接平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位是控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素,所以對(duì)上述深水半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵部位進(jìn)行波浪載荷敏感性分析具有重要的工程實(shí)用意義。本文在已有的總體強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上,選取兩個(gè)典型工況進(jìn)行連接平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位波浪頻率和浪向的敏感性分析,旨在為總體強(qiáng)度分析的波浪載荷搜索、局部強(qiáng)度分析和疲勞分析節(jié)點(diǎn)選取等提供參考。

1 波浪載荷分析理論

據(jù)文獻(xiàn)[8],在滿足百年一遇的海況設(shè)計(jì)時(shí),深水半潛式鉆井平臺(tái)總體強(qiáng)度分析時(shí)可不考慮風(fēng)、海流作用,只考慮波浪載荷作用,因此準(zhǔn)確計(jì)算平臺(tái)遭受的波浪載荷成為平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的關(guān)鍵。

1.1 波浪載荷計(jì)算

波浪誘導(dǎo)載荷與運(yùn)動(dòng)采用線性勢(shì)流理論計(jì)算。假設(shè)流體是均勻、不可壓縮、無旋的理想流體,在引入微幅波假設(shè)后,根據(jù)拉普拉斯方程、水底條件、物面條件、線性化的自由表面條件和初始條件,首先求得無航速的入射波速度勢(shì)φI,即

式(1)中:A為遭遇波浪的波幅;ω為遭遇波浪頻率; β為浪向角;k為波數(shù);H為水深。

根據(jù)入射波速度勢(shì)得到二維波面方程

流場(chǎng)中的速度勢(shì)Φ滿足拉普拉斯方程

簡(jiǎn)諧變化的速度勢(shì)寫成

線性速度勢(shì)φ可以分解為

求得速度勢(shì)后就可得到平臺(tái)濕表面的水動(dòng)壓力

水動(dòng)力載荷可以是指定截面的力、彎矩和指定點(diǎn)單位質(zhì)量的慣性力,其響應(yīng)可表示為

式(7)中:H(ω,β)為單位波幅下的響應(yīng),即載荷的傳遞函數(shù);|H(ω,β)|為傳遞函數(shù)幅值;θ為某時(shí)刻載荷響應(yīng)與入射波之間的相位差。

1.2 線性載荷譜分析和短期、長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

深水半潛式鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)與載荷的譜分析和短期、長(zhǎng)期預(yù)報(bào)是建立在以下3個(gè)基本假設(shè)基礎(chǔ)之上:一是平臺(tái)視為時(shí)間恒定的線性系統(tǒng);二是認(rèn)為波浪和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程;三是風(fēng)浪和平臺(tái)響應(yīng)視為窄帶譜。平臺(tái)線性系統(tǒng)的水動(dòng)力載荷的響應(yīng)譜密度函數(shù)SR(ω)為

式(8)中:Sη(ω)為波浪譜密度函數(shù)。

短期海況波浪幅值及波浪誘導(dǎo)載荷幅值符合Rayleigh分布,Rayleigh分布概率密度函數(shù) f(x)為

波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)和載荷可以看作是很多短期Rayleigh分布的加權(quán)和,采用二參數(shù)的Weibull分布來擬合載荷的長(zhǎng)期分布 FL(x)[13],即

式(10)中:q為尺度參數(shù);h為形狀參數(shù)。

響應(yīng)值是 x時(shí),超越概率Q(x)為

2 深水半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵部位波浪載荷敏感性分析

目標(biāo)平臺(tái)是我國第一艘第6代半潛式鉆井平臺(tái),甲板變載能力9 000t,配備DPS-3輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)。工作海域?yàn)橹袊虾?作業(yè)水深3 000m,波浪譜采用Jonswap譜,波陡參數(shù)生存工況取2.4,作業(yè)工況取2.0。

深水半潛式鉆井平臺(tái)總體強(qiáng)度分析結(jié)果[11]表明,所有裝載工況下橫撐的最大等效應(yīng)力全部出現(xiàn)在最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài),上部結(jié)構(gòu)、立柱和浮箱的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)或最大縱向剪切狀態(tài),最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)和最大縱向剪切狀態(tài)是總體強(qiáng)度分析的關(guān)鍵計(jì)算工況;而且自存工況和作業(yè)工況3兩種裝載工況下的平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力水平高于作業(yè)工況1和作業(yè)工況2兩個(gè)裝載工況,因此在本研究中選取自存工況和作業(yè)工況3這2個(gè)裝載條件下的2個(gè)典型組合工況進(jìn)行波浪頻率和浪向的敏感性分析。2個(gè)典型工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)見表1。

表1 自存工況和作業(yè)工況3的設(shè)計(jì)波參數(shù)

平臺(tái)立柱與上部甲板以及立柱與浮箱的連接處是平臺(tái)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位,在本研究中選取關(guān)鍵部位的高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)細(xì)化來研究其對(duì)波浪載荷的敏感性。具體為位于立柱外板上方的縱橫連續(xù)艙壁相交且位于雙層底之間的區(qū)域1和位于立柱外板與浮箱中縱艙壁交接處的區(qū)域2(圖1)。

圖1 敏感性分析區(qū)域示意圖

圖2～9和表2～5中的部位1和部位2分別指區(qū)域1和區(qū)域2中最大等效應(yīng)力所在的位置。

2.1 波浪頻率敏感性分析

波浪頻率敏感性分析的波浪頻率為2個(gè)典型工況(自存工況和作業(yè)工況3)對(duì)應(yīng)的波浪頻率鄰近的±0.03rad/s范圍,步長(zhǎng)為0.01rad/s,目的是研究波長(zhǎng)變化對(duì)關(guān)鍵部位等效應(yīng)力變化的影響。

2.1.1 自存工況

自存工況縱向剪切和水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下最大等效應(yīng)力隨波浪頻率的變化曲線見圖2、3。部位1和部位2在最大縱向剪切狀態(tài)和最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的等效應(yīng)力數(shù)據(jù)見表2。從圖2、3和表2可知,區(qū)域1和區(qū)域2的關(guān)鍵部位對(duì)波浪頻率的敏感性不高,位于區(qū)域2的關(guān)鍵部位對(duì)波浪頻率的敏感性高于位于區(qū)域1的關(guān)鍵部位,最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下2個(gè)關(guān)鍵部位對(duì)波浪載荷的敏感性都高于最大縱向剪切狀態(tài)。

表2 2個(gè)關(guān)鍵部位波浪頻率敏感性數(shù)據(jù)

2.1.2 作業(yè)工況3

作業(yè)工況3縱向剪切和水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下最大等效應(yīng)力隨波浪頻率的變化曲線見圖4、5。部位1和部位2在最大縱向剪切狀態(tài)和最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的等效應(yīng)力數(shù)據(jù)見表3。從圖4、5和表3可知,區(qū)域1和區(qū)域2的關(guān)鍵部位對(duì)波浪頻率敏感性不高,位于區(qū)域2的關(guān)鍵部位對(duì)波浪頻率的敏感性高于位于區(qū)域1的關(guān)鍵部位,最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下2個(gè)關(guān)鍵部位對(duì)波浪載荷的敏感性都高于最大縱向剪切狀態(tài)。

表3 2個(gè)關(guān)鍵部位波浪頻率敏感性數(shù)據(jù)

2.2 波浪浪向敏感性分析

波浪浪向敏感性分析的浪向?yàn)?個(gè)典型工況(自存工況和作業(yè)工況3)對(duì)應(yīng)的波浪浪向鄰近的±10°范圍,步長(zhǎng)為2.5°,目的是研究浪向變化對(duì)關(guān)鍵部位等效應(yīng)力變化的影響。

2.2.1 自存工況

自存工況縱向剪切和水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下最大等效應(yīng)力隨浪向的變化曲線見圖6、7。部位1和部位2在最大縱向剪切狀態(tài)和最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下等效應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表4。從圖6、7和表4可知,區(qū)域1和區(qū)域2的關(guān)鍵部位對(duì)波浪浪向的敏感性不高,位于區(qū)域2的關(guān)鍵部位對(duì)波浪浪向的敏感性高于位于區(qū)域1的關(guān)鍵部位,最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下位于區(qū)域2的關(guān)鍵部位對(duì)波浪載荷的敏感性高于最大縱向剪切狀態(tài)。

表4 2個(gè)關(guān)鍵部位浪向敏感性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.2.2 作業(yè)工況3

作業(yè)工況3縱向剪切和水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下最大等效應(yīng)力隨波浪浪向的變化曲線見圖8、9,部位1和部位2在最大縱向剪切狀態(tài)和最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下等效應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表5。從圖8、9和表5的數(shù)據(jù)可知,區(qū)域1和區(qū)域2的關(guān)鍵部位對(duì)波浪浪向的敏感性不高,位于區(qū)域2的關(guān)鍵部位對(duì)波浪浪向的敏感性高于位于區(qū)域1的關(guān)鍵部位。

表5 2個(gè)關(guān)鍵部位浪向敏感性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

以我國第一艘擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第6代深水半潛式鉆井平臺(tái)為目標(biāo)平臺(tái),在前人進(jìn)行總體強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上,選取2個(gè)典型組合工況,分析了關(guān)鍵部位對(duì)波浪載荷的敏感性,結(jié)果表明,關(guān)鍵部位對(duì)波浪頻率和浪向的敏感性不高。立柱與浮箱的連接部位對(duì)波浪載荷的敏感性高于位于連接上部結(jié)構(gòu)與立柱的連接部位,前者位于將波浪載荷從浮箱傳遞至立柱及上部結(jié)構(gòu)的載荷傳遞路徑上,承受較大的交變載荷;最大水平扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下2個(gè)關(guān)鍵部位對(duì)波浪頻率的敏感性高于最大縱向剪切狀態(tài)。平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)是控制結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵部位,也是疲勞強(qiáng)度分析的關(guān)鍵部位,疲勞強(qiáng)度分析應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注位于波浪載荷傳遞路徑上的立柱與浮體的連接結(jié)構(gòu)以及可能承受較大交變載荷的橫撐與立柱的連接結(jié)構(gòu)。

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(編輯:葉秋敏)

Abstract:Based on potential theory,spectral-based wave load analysis and finite element method,the sensitivity analysis of wave load on key joints of thesixth generation semi-submersible platform (the first one of China,with independent intellectual property rights)has been conducted for two typical operation behaviors and by using the results of the whole strength analysis.The results could provide the references for wave load analysis and fatigue nodeselection ofsemi-submersible platform.

Key words:semi-submersible platform;key joints; wave load;sensitivity

Wave load sensitivity analysis of key joints of deepwater semi-submersible platform

Bai Yanbin1Liu Jun1Zhang Chaoyang1Su Jing2Liu Huaxiang2
(1.State Key L aboratory of Ocean Engineering, Shanghai J iao Tong University,Shanghai,200240;
2.China N ational Of f shore Oil Corporation, Beijing,100010)

2009-11-23 改回日期:2010-03-07

＊國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA09A103)部分成果。

白艷彬,男,上海交通大學(xué)在讀研究生,主要從事海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度研究。地址:上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院(郵編:200240)。