典型張力腿平臺整體結(jié)構(gòu)強度分析方法研究

李 陽，時忠民，謝 彬，謝文會

(中海油研究總院，北京 100027)

典型張力腿平臺整體結(jié)構(gòu)強度分析方法研究

李 陽，時忠民，謝 彬，謝文會

(中海油研究總院，北京 100027)

重點針對一種典型張力腿平臺(TLP)進行了整體結(jié)構(gòu)強度分析研究，以驗證平臺結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計的環(huán)境能夠抵御惡劣海況的沖擊。首先，建立了一種典型張力腿平臺的整體有限元模型，平臺主體結(jié)構(gòu)按實際設(shè)計建立，上甲板結(jié)構(gòu)通過甲板及梁模型對應(yīng)簡化。通過對操作和極端條件下載荷分析，得到平臺危險波浪工況下載荷設(shè)計波參數(shù)。隨后，將波浪載荷映射到整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，將張力腿上端位置建模簡化為彈簧單元來反映包括旋轉(zhuǎn)在內(nèi)的6個自由度。最后，通過結(jié)構(gòu)有限元計算軟件得到結(jié)構(gòu)在各危險工況下的最大等效應(yīng)力及應(yīng)力分布趨勢，其中針對35個控制單元組，得到對應(yīng)每種單元組的波浪的浪向及相位。分析結(jié)果及張力腿平臺整體結(jié)構(gòu)強度分析方法可供其他海洋平臺強度分析參考。

張力腿平臺; 整體結(jié)構(gòu)強度評估; 極端工況; 有限元模型; 浪向

0 引 言

張力腿平臺(TLP)整體結(jié)構(gòu)強度分析對平臺全壽命安全運行至關(guān)重要。整體結(jié)構(gòu)強度分析的目的是確定在危險工況及環(huán)境載荷下平臺結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。根據(jù)TLP 的功能要求對其上部模塊進行總體布置設(shè)計，最終確定了上部模塊的尺寸以及質(zhì)量和質(zhì)量分布。該TLP 采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，四立柱、四旁通，立柱頂部用桁架連接。依據(jù)上部模塊尺寸質(zhì)量，對TLP殼體結(jié)構(gòu)進行總體尺度規(guī)劃，確定了平臺總體尺寸；并對結(jié)構(gòu)質(zhì)量、可變壓載質(zhì)量、固定壓載質(zhì)量和附屬構(gòu)件質(zhì)量進行估算，編制出總體質(zhì)量控制報告；同時根據(jù)平臺的處理能力以及天然氣輸送要求進行立管設(shè)計，確定出立管尺寸。張力腿作為TLP的系泊系統(tǒng)，在總體設(shè)計中要根據(jù)平臺定位要求，確定其總體尺寸[1]。

1 分析對象與方法

1.1 分析對象

本文分析研究的典型TLP主要結(jié)構(gòu)包括立柱、節(jié)點、旁通以及上甲板四部分。旁通為近似矩形截面的結(jié)構(gòu)，高9.5 m，寬12.35 m。旁通與立柱之間通過節(jié)點進行連接。4個節(jié)點是高為9.5 m、外徑為23.75 m的柱形結(jié)構(gòu)。立柱頂端高度為57.45 m。平臺的名義吃水為30 m。

平臺艙室由于其功能性可劃分為臨時艙室、永久艙室以及空艙三種類型。典型張力腿平臺各部分定義如圖1所示。

圖1 典型張力腿平臺各部分示意Fig. 1 Schematic of a typical TLP

1.2 分析方法

結(jié)構(gòu)有限元分析載荷包括了靜載、半靜載以及動載荷三部分。針對平臺六種典型的極端工況，最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩、最大縱向剪切力、最大垂向彎矩、最大甲板縱向慣性力、最大甲板橫向慣性力的設(shè)計波分析是首先計算的內(nèi)容。

采用SESAM軟件進行分析。建模中采用四節(jié)點平板單元、三節(jié)點平板單元、兩節(jié)點梁單元、質(zhì)量單元以及彈簧單元，建立平臺整體結(jié)構(gòu)有限元模型。彈簧單元用來模擬張力腿與平臺接觸位置的三維位移，剛度參考了張力腿的剛度及平臺運動阻尼。

平臺的坐標系統(tǒng)定義為：以平臺主結(jié)構(gòu)基平面幾何中心為坐標原點，X軸正向指向平臺東側(cè)，Y軸正向向北，Z軸垂直向上。圖2為平臺危險工況及坐標系示意圖[1]。

圖2 典型TLP平臺危險工況示意圖Fig. 2 Typical TLP motion nomenclature

1.3 結(jié)構(gòu)分析有限元模型

本文所研究的典型TLP采用DNV-SESAM的GeniE模塊進行建模，模型的整體坐標系與平臺坐標系統(tǒng)一致：以平臺結(jié)構(gòu)基平面幾何中心為坐標原點。進行TLP平臺總強度分析，驗證平臺浮箱、立柱及其連接結(jié)構(gòu)的屈服強度是否滿足使用要求。按照船級社要求，采用有限元方法計算平臺總強度。采用殼單元模擬平臺外板、甲板、艙壁、強框架腹板等結(jié)構(gòu)，采用梁單元模擬扶強材、桁材等結(jié)構(gòu)。水動力載荷、靜水載荷和平臺加速度基于設(shè)計波幅直接傳遞給平臺總強度有限元模型，從而驗證平臺主體結(jié)構(gòu)的屈服強度是否滿足規(guī)范要求。

模型主要包括四個立柱、環(huán)形浮箱、立柱上部橫向支撐和上部組塊桁架結(jié)構(gòu)。為保證分析結(jié)果的準確性及提高工作時效，在平臺總強度分析中只建立基本結(jié)構(gòu)的有限元模型(甲板、艙壁、大梁等)，不考慮局部集中載荷等因素所要求的局部結(jié)構(gòu)加強。建模中考慮了部分簡化處理，包括平臺主甲板結(jié)構(gòu)采用板梁組合的桁架式結(jié)構(gòu)進行建模，上部設(shè)備采用質(zhì)量點及調(diào)整板密度的形式建立，壓載水艙質(zhì)量采用調(diào)整所在艙室上下板密度方式建立。

圖3為平臺板厚分布圖，圖4為平臺整體結(jié)構(gòu)有限元模型，圖5為平臺整體結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖3 典型張力腿平臺主結(jié)構(gòu)板厚分布Fig.3 Plate thickness of TLP hull

圖4 平臺整體結(jié)構(gòu)幾何模型Fig.4 Global structural model

圖5 平臺整體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 Global TLP finite element model

1.4 假定條件

本文分析中采用了如下假設(shè)：

(1) 張力腿及頂張力立管(TTR)采用三維彈簧單元進行模擬。

(2) 非線性波浪對水線以上的結(jié)構(gòu)的作用力被假定為虛擬載荷，波浪對結(jié)構(gòu)的作用力轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)節(jié)點上的力傳遞[2]。

(3) 張力腿結(jié)構(gòu)和TTR結(jié)構(gòu)在整體運動分析中簡化為1/3的質(zhì)量點，用于模擬其運動對結(jié)構(gòu)造成的慣性力的影響。

1.5 邊界條件

整體結(jié)構(gòu)有限分析中，采用了一系列6自由度的彈簧單元來模擬Tendon porch位置結(jié)構(gòu)，彈簧的軸向剛度由實際結(jié)構(gòu)計算得出，如表1所示。圖6顯示了TLP彈簧單元模擬的示意圖。

表1 張力腿彈簧單元剛度

圖6 張力腿邊界條件設(shè)置Fig.6 Boundary conditions of tendon porch location

2 結(jié)構(gòu)強度分析

2.1 重量控制

平臺各工況重量計算是通過設(shè)計基礎(chǔ)及規(guī)格書確定的，操作工況和鉆井工況重量信息如表2及表3所示。TTR重量和上部井架通過質(zhì)量點來定義。張力腿結(jié)構(gòu)和TTR結(jié)構(gòu)在整體運動分析中簡化為1/3的質(zhì)量點，用于模擬其運動對結(jié)構(gòu)造成的慣性力的影響。本文分析的主要工況為一年一遇及100年一遇危險工況，進行結(jié)果對比分析。

表2 作業(yè)工況平臺質(zhì)量統(tǒng)計表

注：XCG,YCG,ZCG為重心坐標。繞重心旋轉(zhuǎn)半徑，X向為40.89 m，Y向為42.17 m，Z向為33.44 m。排水量73 432 t，質(zhì)量與載荷73 432 t,吃水30.00 m，浮心高(KB)為12.38 m，重心高(KG)為31.77 m，初穩(wěn)性高(GM)為4.26 m，橫穩(wěn)性高(BM)為24.0 m，自由液面修正(FSC)為0.38 m。

2.2 重量校準

通過結(jié)構(gòu)有限元軟件建立的平臺有限元模型的重量信息通常會與各工況重量有較大差別，本文采用調(diào)整結(jié)構(gòu)密度及添加質(zhì)量點的方法來進行各工況的重量校準。重量調(diào)整過程需要分步進行：首先，調(diào)整平臺整體密度以滿足目標重量信息；其次，以張力腿上表面為基準分別將平臺分割為上部和下部，用平臺坐標X軸、Y軸將平臺分為8塊，分別調(diào)整Z向坐標、X向坐標及Y向坐標。

表3 極端工況平臺質(zhì)量統(tǒng)計表

注：繞重心旋轉(zhuǎn)半徑，X向為38.81 m,Y向為39.78 m,Z向為30.85 m。排水量73 432 t，質(zhì)量與載荷73 432 t，吃水30.00 m，KB為12.38 m，KG為29.28 m, GM為7.00 m，BM為24.0 m， FSC為0.14 m。

調(diào)整后的鉆井工況及操作工況的重量校準信息如表4及表5所示。

表4 極端工況下平臺質(zhì)量校準

表5 作業(yè)工況下平臺質(zhì)量校準

2.3 控制單元設(shè)置

將平臺幾何不連續(xù)、最危險等位置取為控制單元，以便更好地分析平臺結(jié)構(gòu)各處在各不同工況、不同相位的應(yīng)力結(jié)果，該結(jié)果也可為局部分析提供基礎(chǔ)條件。圖7為選取的張力腿平臺危險控制單元示意圖。表6為本文定義的35個控制單元組。

2.4 設(shè)計波分析

TLP波浪載荷按規(guī)范規(guī)定采用設(shè)計波方法計算，分析內(nèi)容包括橫浪時的水平橫向力和最大橫向加速度、斜浪時的縱向剪力以及迎浪時的垂向彎矩和最大縱向加速度。采用設(shè)計波法計算TLP波浪載荷，需要確定各特征波浪載荷最大時的規(guī)則波周期、波幅、浪向和相位(即設(shè)計波參數(shù))，進而確定特征波浪載荷極值，并進一步做結(jié)構(gòu)分析。采用隨機方法計算設(shè)計波參數(shù)，計算所得100年一遇極端工況及一年一遇操作工況設(shè)計波結(jié)果如表7所示。

圖7 TLP平臺結(jié)構(gòu)控制單元位置示意圖Fig.7 Control groups position

整體分析中每種波浪工況包括了靜載和動載兩部分。靜載包括了水壓載荷、張力腿拉力、立管拉力等。水動力載荷通過SESTRA計算得出，為分析全面，浪向選擇方面在0°～360°間隔45°，共8個浪向。

表6 控制單元組定義

表7 平臺設(shè)計波計算結(jié)果匯總

注：L/H為波長波高比。

一年一遇的工況組合中包括了一年一遇靜載、一年一遇動載荷(實部和虛部組合)，100年一遇工況組合包括了100年一遇靜載、100年一遇動載荷(實部和虛部組合)。

計算中靜載和動載分別進行計算。在相位選擇中，以2°步長在360°范圍內(nèi)進行搜尋。波浪載荷按規(guī)范規(guī)定采用設(shè)計波方法計算，計算海況按美國船級社(ABS)規(guī)范選取極限波陡為1/10。采用設(shè)計波法計算半潛式平臺波浪載荷，需要確定各特征波浪載荷最大時的規(guī)則波周期、波幅、浪向和相位(即設(shè)計波參數(shù))，進而確定特征波浪載荷極值，并進一步做結(jié)構(gòu)分析。

采用三維勢流理論計算了平臺在單位波幅下的剖面載荷(最大橫向力、最大橫向扭矩、最大縱向剪力、最大垂向彎矩)的傳遞函數(shù)(RAO)、平臺甲板底部最大橫向和縱向加速度的傳遞函數(shù)。

靜載和動載組合得到組合載荷，具體計算通過下式進行[3]：

σcomponent=σstatic+σRecosφ+σlmsinφ·Hd/2，

(1)

式中：Hd為波高；φ為相位。

計算波浪參數(shù)如表8所示。圖8給出的是0°時的平臺波浪傳遞云圖。

表8 載荷組合

圖8 平臺波浪傳遞云圖(0°)Fig.8 Typical wave loads to the TLP (0°)

3 結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)果

SESAM結(jié)構(gòu)分析結(jié)果中包括了波高、相位、周期等信息，計算材料等效應(yīng)力為345 MPa，依據(jù)規(guī)范[1-2]，一年一遇的安全系數(shù)取為0.7，許用應(yīng)力為241.5 MPa，100年一遇的安全系數(shù)取為0.9，許用應(yīng)力為310.5 MPa。

圖9～12給出了分析所得平臺各位置在極端工況下的應(yīng)力分布。兩種工況整體結(jié)構(gòu)控制單元計算分析的結(jié)果如表9及表10所示。各部分結(jié)果匯總?cè)绫?1及表12所示。

圖9 極端工況下平臺主結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖Fig.9 Von Mises stress distribution of hull for 100-year load case

圖10 極端工況下平臺外表面應(yīng)力分布云圖Fig.10 Maximum Von Mises stress distribution of hull for 100-year load case

圖11 極端工況下平臺連接肘板等效應(yīng)力Fig.11 Von Mises stress of pontoon gussets for 100-year load case

圖12 極端工況下上甲板支撐結(jié)構(gòu)Post等效應(yīng)力Fig.12 Von Mises stress of column at upper post of 100-year load case

組號單元號等效應(yīng)力/MPa計算值允許值安全因子相位角/(°)編號CG016428868.7241.50.28416C4CG02669750.5241.50.2094C8CG036403273.9241.50.30628C4CG04671662.7241.50.26040C4CG0571515214.2241.50.88736C3CG0655155204.7241.50.84834C5CG071127763.8241.50.264178C2CG089394699.7241.50.4130C8CG094230775.4241.50.31228C4CG101133697.1241.50.40240C4CG113101781.3241.50.33730C7CG1242310123241.50.50926C7CG134360080.7241.50.33430C7CG147153458.5241.50.24228C4CG1543578123.4241.50.51136C3CG16883688.4241.50.36644C4CG175515958.0241.50.2408C8CG1856077150.7241.50.62456C6CG1921980230.2241.50.95316C4CG20918650.5241.50.20914C8CG214904050.9241.50.21144C6CG222502108.5241.50.44930D3CG236942789.3241.50.37032C5CG2411002861.6241.50.25536C3CG2578811108.3241.50.44848C5CG266714493.4241.50.38756C3CG2710214944.3241.50.18352C3CG287258797.3241.50.40338C5CG2910749625.2241.50.10444C3CG3081025116.1241.50.48156C5CG3161956358.3241.51.48440C3CG3282456229.3241.50.94942C5CG337661564.6241.50.26728C3CG347774652.4241.50.21740C7CG358173052.4241.50.21740C7

注：屈服應(yīng)力Fy=345 MPa; 安全系數(shù)為=0.9。

表10 極端工況下控制單元應(yīng)力結(jié)果匯總

注：Fy=345 MPa; 安全系數(shù)為0.9。

表11 作業(yè)工況下平臺各部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力匯總

表12 極端工況下平臺各部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力匯總

計算結(jié)果顯示：平臺主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為均勻，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，僅立柱與上部組塊、浮箱內(nèi)側(cè)與立柱外板連接處、平臺基線至9.5 m高度范圍、立柱內(nèi)艙壁與立柱內(nèi)板等連接處存在應(yīng)力集中的情況，這些連接部位由于應(yīng)力集中造成應(yīng)力計算值較大，若在基本設(shè)計中進行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計或采用較高強度鋼材即可滿足許用應(yīng)力要求。平臺在百年一遇及一年一遇工況下旁通和立柱連接過渡肘板應(yīng)力值較大。在上甲板與立柱連接的關(guān)鍵節(jié)點Post位置出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，如圖12所示。在整體有限元模型分析中，此處沒有建立局部加強構(gòu)件。此問題可以通過局部有限元模型細化進行加強分析。

4 結(jié) 論

本文重點針對一種典型TLP進行了整體結(jié)構(gòu)強度分析研究，建立了典型TLP的整體有限元模型，上甲板結(jié)構(gòu)是通過甲板及梁模型對應(yīng)簡化得到的。在操作條件和極端條件下進行載荷分析，得到平臺危險波浪工況下載荷設(shè)計波參數(shù)。將波浪載荷映射到整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，張力腿上端位置建模簡化為彈簧單元來反映包括旋轉(zhuǎn)在內(nèi)的6個自由度，得出結(jié)構(gòu)在各危險工況下的最大等效應(yīng)力及應(yīng)力分布趨勢，得到了典型張力腿平臺整體結(jié)構(gòu)強度分析方法，可供其他海洋平臺結(jié)構(gòu)強度分析參考。

主要結(jié)論如下：

(1) 基于本文針對典型TLP整體結(jié)構(gòu)強度分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計的平臺整體結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范的要求。

(2) 100年一遇波浪對平臺扭矩更大，連接肘板承受力更大；而一年一遇工況下結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力系數(shù)為0.7，所以該工況成為結(jié)構(gòu)強度的主要控制工況。

(3) 由于旁通、立柱與節(jié)點過渡的連接肘板位置的特殊性等原因，在各計算工況中應(yīng)力相對其他結(jié)構(gòu)較大，所以在設(shè)計中應(yīng)盡量增加對其結(jié)構(gòu)加強的考慮。在100年一遇工況中，由于波浪力等作用力增大，平臺旁通、立柱與節(jié)點的連接肘板應(yīng)力相對其他工況較大。

(4) 周期在10 s左右的設(shè)計波為主要控制波浪。在局部結(jié)構(gòu)強度分析中應(yīng)加強對此周期范圍的設(shè)計波分析。

[1] American Petroleum Institute. API RP 2T. Recommended practice for lanning, designing and constructing tension leg platforms[S]. Washington: American Petroleum Institute, 2010.

[2] American Petroleum Institute. API RP 2FPS. Planning, designing, and constructing floating production system[S]. Washington: American Petroleum Institute, 2010.

[3] American Bureau of Shipping. Guide for building and classing floating production, storage, and offloading systems[M]. Houston: American Bureau of Shipping, 1996.

GlobalStructuralStrengthAnalysisMethodologyofaTypicalTLP

LI Yang, SHI Zhong-min, XIE Bin, XIE Wen-hui

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China)

We focus on the global structure strength analysis of a typical tension leg platform (TLP). The objective of the TLP global structural analysis is to check the hull global structural integrity under design environmental conditions. Firstly, a global finite element model of the entire TLP is established, the hull structure is modeled in detail, whilst the deck structure is represented through a simplified deck beam model. A hydrodynamic analysis for operation and extreme conditions is conducted to get the design wave parameters for critical wave loads. After that, wave loads are mapped to the global structure finite element model, and the tendons are modeled as spring element which represents 6 degrees of freedom and rotations. Finally, the maximum stress and its distribution trends, together with the control elements, are obtained by finite element analysis according to critical wave heading, wave periods, wave heights and wave positions. Results and the TLP analysis method proposed can be used as reference for strength analysis of other offshore platforms.

tension leg platform; global structural strength analysis; extreme conditions; finite element model; wave heading

TE951

A

2095-7297(2014)01-0003-11

2014-01-22

國家科技重大專項(2011ZX05026-002)

李陽(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事深水浮式平臺結(jié)構(gòu)及水動力分析方面的研究。