深水半潛式鉆井平臺(tái)總體強(qiáng)度分析

白艷彬, 劉 俊, 薛鴻祥, 唐文勇

(上海交通大學(xué),上海 200240)

深水半潛式鉆井平臺(tái)總體強(qiáng)度分析

白艷彬, 劉 俊, 薛鴻祥, 唐文勇

(上海交通大學(xué),上海 200240)

以某新型第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)為分析對(duì)象,依據(jù)三維繞射理論計(jì)算波浪誘導(dǎo)載荷與運(yùn)動(dòng),采用譜分析法確定設(shè)計(jì)波參數(shù),進(jìn)行了自存、作業(yè)等裝載情況下21個(gè)波浪工況的波浪載荷預(yù)報(bào),并建立三維有限元模型完成了平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度分析。結(jié)合波浪載荷預(yù)報(bào)及結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,提出了計(jì)算工況選取原則及控制總體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素,可為今后深水半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總體強(qiáng)度分析、選取疲勞強(qiáng)度典型節(jié)點(diǎn)及形式優(yōu)化提供參考。

深水半潛式平臺(tái);強(qiáng)度;波浪載荷;工況選取

Abstract:Global strength analysis of a sixth generation deep-water semi-submersible platform is demonstrated in this paper.Wave induced loads and platform motion are calculated by means of three-dimensional diffraction method.The parameters of design wave are obtained by spectrum analysis method.Wave load prediction of 21 wave load conditions in three different situations is described.At the same time,three-dimensional FEM model is established to analyze structure general strength of the platform.Combining with wave load prediction and structure analytic results,principles of condition selection and key factors which control general strength are put forward.Such conclusions will be as some references to design,structural strength analysis,selection of typical nodes for fatigue assessment and structure optimization in the future.

Key words:deep-water semi-submersible platform;general strength;wave load;condition selection

0 引言

新型半潛式鉆井平臺(tái)在抗風(fēng)浪能力、甲板變載能力、工作水深、鉆井深度以及多功能作業(yè)(鉆井、完井、試油、生產(chǎn)、修井、起重和鋪管)等方面與另外兩種主流的深水平臺(tái)Spar、TLP相比,有著明顯的比較優(yōu)勢(shì),這使得半潛式平臺(tái)成為南海油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的首選。

本文的目標(biāo)平臺(tái)是國(guó)內(nèi)在建的第一座代表世界先進(jìn)水平的第六代深水半潛式平臺(tái),結(jié)構(gòu)形式上采用箱式上部結(jié)構(gòu)、雙浮體、四立柱、雙橫撐的形式,無(wú)斜撐設(shè)計(jì)避免了出現(xiàn)復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)疲勞破壞的可能性。但是箱式甲板縱向與橫向的大跨度特點(diǎn)及無(wú)斜撐設(shè)計(jì)使平臺(tái)的總體強(qiáng)度分析成為保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全的首要任務(wù)。

國(guó)內(nèi)建造的深水平臺(tái)數(shù)量不多,但對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析一直很受重視。文獻(xiàn)[1,2]根據(jù)船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行了平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核;文獻(xiàn)[3]提出Spar平臺(tái)總體強(qiáng)度分析方法,但這些研究均未涉及計(jì)算工況的選取原則,船級(jí)社也未明確給出針對(duì)半潛式平臺(tái)的分析工況選取原則。海洋平臺(tái)總體強(qiáng)度分析的關(guān)鍵是計(jì)算波浪誘導(dǎo)載荷與運(yùn)動(dòng),文獻(xiàn)[4]采用三維繞射理論頻域法計(jì)算了半潛式平臺(tái)的波浪載荷;文獻(xiàn)[5]應(yīng)用時(shí)域格林函數(shù)法求解波浪與三維物體間的繞射與輻射問(wèn)題。

本文采用可以考慮工作海域海況條件及結(jié)構(gòu)水動(dòng)力特性的譜分析方法確定設(shè)計(jì)波參數(shù),進(jìn)行了自存工況、兩種作業(yè)工況共三種裝載情況下21個(gè)波浪工況的載荷預(yù)報(bào),并完成了平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度三維有限元分析,在入射波與結(jié)構(gòu)變形模式關(guān)系、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上提出了計(jì)算工況選取原則及控制總體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素,這些工作可為今后深水半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析及形式優(yōu)化提供參考。

1 總體強(qiáng)度分析方法

由于大型海洋結(jié)構(gòu)物可以嚴(yán)重影響入射波的流場(chǎng),各船級(jí)社[6～8]推薦使用三維繞射理論計(jì)算波浪載荷。本文采用三維繞射理論計(jì)算平臺(tái)濕表面的水動(dòng)壓力及波浪誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng),基于波浪載荷頻域法和譜分析的設(shè)計(jì)波法是一種綜合考慮船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力性能、工作海域的海況條件、波浪回復(fù)周期等因素,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析提供適當(dāng)載荷值的載荷處理方法。

結(jié)構(gòu)分析采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法,選擇水動(dòng)力預(yù)報(bào)載荷達(dá)到極值的瞬時(shí)時(shí)刻平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的慣性力、液艙對(duì)艙壁的水動(dòng)壓力與濕表面水壓力施加到結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行有限元計(jì)算。

1.1 波浪載荷

深水平臺(tái)對(duì)入射波流場(chǎng)影響大,繞射與輻射引起的繞射力與慣性力是波浪誘導(dǎo)載荷的重要分量。繞射理論假設(shè)流體是均勻、不可壓縮、無(wú)旋的理想流體,并且不計(jì)自由表面張力(簡(jiǎn)化自由表面邊界條件),在引入微幅波假設(shè)后,簡(jiǎn)化為線性繞射理論。

基本方程為

速度勢(shì)分解為

式中:ΦI為入射勢(shì);ΦR為輻射勢(shì);ΦD為繞射速度勢(shì)。

計(jì)算波浪載荷的波面升高使用Airy波,波高表示為

無(wú)航速入射波速度勢(shì)表示為

波浪載荷計(jì)算中繞射勢(shì)與輻射勢(shì)滿足物面條件,使用在平臺(tái)濕表面布置點(diǎn)源形式的 Green函數(shù)來(lái)表示流場(chǎng)勢(shì)函數(shù)。平臺(tái)六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)臨界阻尼系數(shù)需要根據(jù)水動(dòng)力模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行修正,本文波浪載荷計(jì)算采用的臨界阻尼系數(shù)參考文獻(xiàn)[9]的水池模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正,垂蕩運(yùn)動(dòng)臨界阻尼系數(shù)取2%～7%。

1.2 水動(dòng)力載荷預(yù)報(bào)

平臺(tái)的波浪誘導(dǎo)載荷在不同周期、浪向、相位的波浪條件下差異很大,需要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、裝載工況和工作環(huán)境選擇合適的預(yù)報(bào)載荷以搜索出對(duì)結(jié)構(gòu)最不利的波浪。水動(dòng)力載荷預(yù)報(bào)的目的在于確定對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響最大的波浪。

根據(jù)半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能研究,水動(dòng)力載荷預(yù)報(bào)的載荷有浮箱間的橫向力、水平橫向扭矩、中縱剖面垂向剪切力、甲板處縱向與橫向運(yùn)動(dòng)引起慣性力、浮箱垂向彎矩等。本文根據(jù)甲板設(shè)備布置及平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)增加中橫剖面的垂向彎矩及平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)引起的慣性力的預(yù)報(bào),以考察平臺(tái)沿橫向的垂向彎曲強(qiáng)度及重型設(shè)備放置處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.3 設(shè)計(jì)波參數(shù)確定

設(shè)計(jì)波參數(shù)包括波幅、浪向、波浪頻率、相位。確定設(shè)計(jì)波波幅的方法有確定性方法與譜分析方法。文獻(xiàn)[1]采用極限波高法確定設(shè)計(jì)波波幅,但極限波高法不能考慮平臺(tái)的水動(dòng)力特性及工作區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)。

譜分析方法確定設(shè)計(jì)波參數(shù)主要有3個(gè)步驟:

(1)確定水動(dòng)力預(yù)報(bào)載荷;

(2)計(jì)算預(yù)報(bào)載荷的幅頻響應(yīng)函數(shù),確定設(shè)計(jì)波的浪向、波頻及相位;

(3)確定設(shè)計(jì)波波幅,設(shè)計(jì)波波幅是載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值與幅頻響應(yīng)函數(shù)幅值的比值。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 環(huán)境條件

2.2 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)分析使用的計(jì)算模型包括結(jié)構(gòu)模型、質(zhì)量模型、水動(dòng)力模型與液艙模型,如圖1～圖4所示。波浪載荷使用SESAM/Wadam計(jì)算,結(jié)構(gòu)分析使用SESAM/Sestra。水動(dòng)力模型及質(zhì)量模型用來(lái)計(jì)算平臺(tái)濕表面的水動(dòng)壓力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。液艙模型用來(lái)模擬液貨對(duì)平臺(tái)質(zhì)量的貢獻(xiàn)及結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)將液艙的水動(dòng)壓力映射到結(jié)構(gòu)模型。

結(jié)構(gòu)模型與水動(dòng)力模型使用右手直角坐標(biāo)系,原點(diǎn)取在平臺(tái)中縱剖面與中橫剖面相貫線與基面相交處。x軸為縱向軸,從尾部指向首部為正;y軸為橫向軸,從中心線指向左舷為正;z軸為垂向軸,從基面向上為正。

2.3 位移邊界條件

結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算時(shí)需要消除平臺(tái)六個(gè)自由度的剛體運(yùn)動(dòng),選取3個(gè)節(jié)點(diǎn)約束剛體位移,節(jié)點(diǎn)取在浮體的一個(gè)與水平面平行的平面內(nèi)。節(jié)點(diǎn)1、2位于右舷浮箱中縱艙壁,節(jié)點(diǎn)3位于左舷浮箱中橫艙壁。節(jié)點(diǎn)1:Ux=Uy=Uz=0;節(jié)點(diǎn)2:Uy=Uz=0;節(jié)點(diǎn)3:Uz=0。

2.4 設(shè)計(jì)波參數(shù)

根據(jù)工作海域的海洋環(huán)境條件,采用譜分析方法確定的自存工況及兩個(gè)作業(yè)工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)見(jiàn)表1～表3,相位表征入射波與結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置,作為結(jié)構(gòu)分析的初始相位。

表1 自存工況設(shè)計(jì)波參數(shù)

表2 作業(yè)工況1設(shè)計(jì)波參數(shù)

表3 作業(yè)工況2設(shè)計(jì)波參數(shù)

2.5 結(jié)果分析

2.5.1 入射波與結(jié)構(gòu)變形模式

引起平臺(tái)甲板最大縱向慣性力、橫向慣性力和最大垂向加速度的入射波為首浪和橫浪。引起平臺(tái)主要變形模式:縱向垂向彎曲、浮箱橫向分離及扭轉(zhuǎn)、縱向垂向剪切的入射波波長(zhǎng)及相位。其與平臺(tái)尺寸及位置的相對(duì)關(guān)系分別見(jiàn)圖5～圖8。2.5.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)CCS[6]、ABS[7]規(guī)范推薦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核使用單元形心處中面等效應(yīng)力。

計(jì)算工況0對(duì)應(yīng)靜水工況,其他計(jì)算工況是靜水與波浪工況的組合工況,其設(shè)計(jì)波參數(shù)見(jiàn)表1～表3。計(jì)算工況編號(hào)1～7對(duì)應(yīng)縱向最大垂向彎曲狀態(tài)、最大橫向受力狀態(tài)、最大水平橫向扭轉(zhuǎn)狀態(tài)、甲板最大橫向慣性力狀態(tài)、甲板最大縱向慣性力狀態(tài)、平臺(tái)最大垂向加速度狀態(tài)、縱向最大垂向剪切狀態(tài)。

圖8 縱向最大垂向剪切狀態(tài)

由分析結(jié)果可知21個(gè)工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布都較為均勻。其中自存工況的計(jì)算工況3時(shí)平臺(tái)應(yīng)力水平最高。計(jì)算工況3也即頻率0.8 rad/s,浪向120°斜浪工況,同時(shí)該工況會(huì)發(fā)生最大水平橫向扭轉(zhuǎn)變形。圖9是該工況下變形圖與等效應(yīng)力云圖,可以看出結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布均勻,除高應(yīng)力區(qū)外,上部結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力水平在180 MPa以下,總體應(yīng)力水平較高的構(gòu)件為上部結(jié)構(gòu)的上層甲板及雙層底的甲板外底板;立柱、橫撐、浮箱的總體應(yīng)力水平在140 MPa以下。

21個(gè)計(jì)算工況平臺(tái)的各主要構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力見(jiàn)表4,雖然大部分區(qū)域應(yīng)力分布均勻,應(yīng)力水平合理,但各部分也存在明顯的較高應(yīng)力區(qū):

(1)上部結(jié)構(gòu):四層甲板月池角隅,位于立柱外殼板靠近月池的兩側(cè)板上方的上部結(jié)構(gòu)連續(xù)縱橫艙壁連接處。

(2)立柱與橫撐:立柱外殼板與浮箱外殼板連接處,立柱中縱艙壁底部,立柱外殼板中靠近月池的兩側(cè)板,橫撐與立柱外殼板相接處。

(3)浮箱:浮箱中縱艙壁與立柱外板相接靠近浮箱首部與尾部的連接處。

表4 各計(jì)算工況平臺(tái)主要構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力 單位:MPa

0 1 2 3 4 5 6 7自存工況 274.9 286.9 254.3 381.5 309.9 250.0 291.4 342.2作業(yè)工況1 299.4 307.7 277.2 341.4 268.2 268.2 299.4 352.3作業(yè)工況2 230.3 246.9 216.0 250.4 224.1 224.1 246.5 275.4

2.5.3 平臺(tái)不同計(jì)算工況最大Von Mises應(yīng)力變化特點(diǎn)

通過(guò)分析計(jì)算工況的入射波狀態(tài)與結(jié)構(gòu)變形模式的關(guān)系(見(jiàn)圖5～圖8,入射波狀態(tài)見(jiàn)表1～表3),各計(jì)算工況平臺(tái)高應(yīng)力區(qū)分布及各部分最大Von Mises應(yīng)力變化特點(diǎn)(見(jiàn)圖10～圖12),可以得到總體強(qiáng)度分析工況選取原則以及影響總強(qiáng)度的關(guān)鍵因素:

(1)對(duì)平臺(tái)的總體強(qiáng)度要求最高的是斜浪工況中使得平臺(tái)產(chǎn)生最大水平橫向扭轉(zhuǎn)狀態(tài)的波浪工況,其次是橫浪工況產(chǎn)生縱向最大垂向剪切狀態(tài)的波浪工況。

圖10 自存工況平臺(tái)各部分主要構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力

(2)對(duì)平臺(tái)強(qiáng)度要求最低的計(jì)算工況是靜水工況與其他的橫浪及首浪工況,這些工況上部結(jié)構(gòu)的主要變形為橫向與縱向彎曲變形。

從平臺(tái)的變形模式及控制總體強(qiáng)度關(guān)鍵因素的分析可以得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些建議:

(1)靜水工況與其他浪向工況下,平臺(tái)的主要變形模式為箱式甲板的橫向與縱向彎曲變形,因此在設(shè)計(jì)階段需要確保平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)有充足的彎曲強(qiáng)度。橫向彎曲強(qiáng)度由上部結(jié)構(gòu)與橫撐保證,與縱向彎曲強(qiáng)度相比,橫撐的縱向彎曲強(qiáng)度明顯弱于浮箱的縱向彎曲強(qiáng)度,所以尤其需要注意上部結(jié)構(gòu)的橫向彎曲強(qiáng)度。

(2)水平橫向扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度與垂向剪切強(qiáng)度主要由上部結(jié)構(gòu)的四層甲板及連續(xù)橫艙壁提供,考慮到平臺(tái)的橫向跨度大及平臺(tái)中部由大開(kāi)口月池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意連續(xù)艙壁數(shù)目及位置的布置。

3 結(jié)論

平臺(tái)總體強(qiáng)度分析涉及有限元建模、環(huán)境參數(shù)選取、波浪載荷計(jì)算及長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。根據(jù)水動(dòng)力載荷幅頻響應(yīng)特點(diǎn)及21個(gè)波浪組合工況的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分析結(jié)果,得到如下結(jié)論:

(1)對(duì)于結(jié)構(gòu)形式與本文相似的半潛式平臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度分析可以參考以下原則:①搜索產(chǎn)生最大水平橫向扭轉(zhuǎn)狀態(tài)的斜浪,在該斜浪工況下校核平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;②選擇最大縱向剪切狀態(tài)的橫浪工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核;③選取橫向最大垂向彎曲狀態(tài)校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,尤其是橫撐結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度。

(2)控制目標(biāo)平臺(tái)總體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素:平臺(tái)的橫向扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、沿縱向的垂向剪切強(qiáng)度(尤其是上部結(jié)構(gòu)的垂向剪切強(qiáng)度)是控制總體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。雙浮體、多立柱、無(wú)斜撐的半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意其橫向扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和沿縱向的垂向剪切強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)分析時(shí)也應(yīng)重點(diǎn)校核。

[1] 張海彬,沈志平,李小平.深水半潛式鉆井平臺(tái)波浪載荷預(yù)報(bào)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估[J].船舶,2007,2:33-38.

[2] 梁園華,鄭云龍等.BINGO 9 000半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2001,16(5-6):21-26.

[3] 陳鵬耀,唐文勇等.Truss Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞分析的關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2006,21(6):18-23.

[4] 劉海霞,肖熙.半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中的波浪載荷計(jì)算[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2003,18(2):1-4.

[5] 騰斌,韓凌.應(yīng)用時(shí)域格林函數(shù)方法模擬有限水深中波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用[J].水動(dòng)力研究與進(jìn)展:A輯,2006,21(2):161-170.

[6] 海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S].中國(guó)船級(jí)社,2005.

[7] Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit[S].ABS,2006.

[8] Column-stabilized Units[S].DNV,2005.

[9] 張威,楊建民等.深水半潛式平臺(tái)模型試驗(yàn)與數(shù)值分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,41(9):1429-1434.

Global Strength Analysis of A Deepwater Semi-Submersible Platform

BAI Yan-bin, LIU Jun, XUE Hong-xiang, TANG Wen-yong
(Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

U661.43

A

1001-4500(2010)02-0022-06

2009-10-09

國(guó)家(八六三)項(xiàng)目“3 000 m水深半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2006AA09A103)

白艷彬(1983-),男,碩士研究生,主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度研究。