某400 ft自升式鉆井平臺(tái)主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

楊 勇，曾 驥，袁洪濤

(上海外高橋造船海洋工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200137)

某400 ft自升式鉆井平臺(tái)主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

楊 勇，曾 驥，袁洪濤

(上海外高橋造船海洋工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200137)

考慮到某400 ft自升式鉆井平臺(tái)在水深91.4 m作業(yè)工況下固有周期與波浪周期相近，動(dòng)態(tài)放大因子較大，作業(yè)工況下懸臂梁-鉆臺(tái)系統(tǒng)具有最大工作載荷，針對(duì)該工況分析主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，介紹主船體強(qiáng)度分析中模型建立和載荷施加的注意點(diǎn)與細(xì)節(jié)處理，確定主船體高應(yīng)力區(qū)域，為自升式鉆井平臺(tái)的主船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核提供參考。

自升式鉆井平臺(tái)；主船體；模型建立；載荷施加；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元方法

某400 ft(121.92 m)自升式鉆井平臺(tái)在作業(yè)水深91.4 m的作業(yè)工況下其平臺(tái)周期會(huì)與工作海域的波浪周期遭遇,導(dǎo)致動(dòng)力放大系數(shù)很高。因此，以該工況為例，利用有限元軟件MSC Patran/Nastran，參照ABS MODU規(guī)范對(duì)主船體進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與校核，重點(diǎn)是主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法與關(guān)鍵點(diǎn)的討論。

1 有限元模型

1.1 模型概述

總體坐標(biāo)系以指向船艏為+X方向，指向左舷為+Y方向，垂直向上為+Z方向。目標(biāo)平臺(tái)為獨(dú)立三桁架樁腿式平臺(tái)，平臺(tái)主船體為三角形箱型結(jié)構(gòu)，型長(zhǎng)70 m，型寬68 m，型深9.5 m。主船體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用空間板梁組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，板結(jié)構(gòu)采用板殼單元模擬，骨材與加強(qiáng)筋采用梁?jiǎn)卧M，大的型材采用板殼單元與梁?jiǎn)卧餐M。建模中對(duì)于大的開(kāi)孔，需將相應(yīng)位置處的單元進(jìn)行刪除并模擬開(kāi)孔形狀，忽略小的開(kāi)孔[1]。鑒于有限元模型僅僅是針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，與平臺(tái)實(shí)際情況有一定區(qū)別，重量與重心位置與實(shí)際情況不可能完全一致，因此需要采用加載質(zhì)量點(diǎn)或是集中質(zhì)量的方式來(lái)調(diào)節(jié)模型的重量與重心，使其與裝載計(jì)算書(shū)相一致，并且應(yīng)該注意質(zhì)量單元的質(zhì)量設(shè)置盡量不要超過(guò)500 kg。主船體結(jié)構(gòu)采用ABS AH36級(jí)鋼，其屈服強(qiáng)度為355 MPa。平臺(tái)整體及主船體有限元模型見(jiàn)圖1。

1.2 邊界條件及樁腿與主船體的連接

邊界條件采用海底泥面3 m以下鉸支約束，該約束方式偏于保守，因?yàn)閷?shí)際海底對(duì)于樁腿具有轉(zhuǎn)動(dòng)約束作用，這一作用會(huì)減少樁腿與主船體連接處的彎矩值。平臺(tái)樁腿與主船體的連接接觸主要存在于鎖緊裝置和上、下導(dǎo)向裝置處，可采用MPC多點(diǎn)約束進(jìn)行模擬，鎖緊裝置處約束為位移相同，上、下導(dǎo)向處約束為水平位移相同[2-3]。

2 載荷分析

2.1 固定載荷

固定載荷主要包括平臺(tái)自重和設(shè)備重量，可參考裝載計(jì)算書(shū)和重量控制報(bào)告。在結(jié)構(gòu)有限元模型中，雖然對(duì)主船體進(jìn)行實(shí)際建?？梢宰畲蟪潭葴?zhǔn)確反映其結(jié)構(gòu)自重，但是對(duì)于舾裝件、管系等的重量無(wú)法確定，因此還需利用質(zhì)量點(diǎn)單元對(duì)模型進(jìn)行重量與重心調(diào)節(jié)，以達(dá)到與裝載計(jì)算書(shū)相一致的結(jié)果。自升式鉆井平臺(tái)上設(shè)備眾多，不可能將所有設(shè)備均進(jìn)行考慮，對(duì)于重量不足1 t的設(shè)備可以忽略其影響，其余設(shè)備通過(guò)MPC方式施加到有限元模型中。

2.2 可變載荷、組合載荷與壓載水載荷

這三種載荷均可以在裝載計(jì)算書(shū)中進(jìn)行查詢(xún)，參考其提供的重量與重心位置，根據(jù)載荷性質(zhì)選擇合理的方式進(jìn)行加載?？勺冚d荷主要包括儲(chǔ)藏室、液態(tài)艙室(包括泥漿艙、燃油艙等，僅具有壓載水功用的液態(tài)艙室除外)以及人員影響。組合載荷主要是指平臺(tái)作業(yè)相關(guān)載荷，包括大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤(pán)載荷及鉆臺(tái)載荷，等。壓載水載荷指壓載水艙存放壓載水所產(chǎn)生的重量和水壓。對(duì)于液態(tài)艙室，在考慮其重量的基礎(chǔ)上，還需考慮水壓對(duì)艙室的影響。也可以將組合載荷和壓載水一并計(jì)入可變載荷之內(nèi)[4]。

2.3 慣性載荷

慣性載荷通過(guò)對(duì)自升式平臺(tái)進(jìn)行波浪作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析得到，主要方法包括時(shí)域分析、頻域分析和單自由度法。時(shí)域分析與頻域分析耗時(shí)長(zhǎng)、較為復(fù)雜，單自由度法相對(duì)簡(jiǎn)單，建議使用該方法進(jìn)行慣性載荷的計(jì)算[5]。在單自由度法中，動(dòng)態(tài)放大因子fDAF為[6]

(1)

式中：Ω——自升式平臺(tái)一階固有周期與波浪周期比值；

ζ——阻尼比，取為0.07。

利用SESAM/GeniE軟件對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行固有周期計(jì)算,一階固有振型圖(橫蕩)見(jiàn)圖2a)，一階固有周期為12.263 s，與該工況下波浪周期13 s十分接近。對(duì)于作業(yè)工況其他水深和風(fēng)暴自存工況，固有周期與波浪周期相距較遠(yuǎn)，以91.4 m水深風(fēng)暴自存工況為例，該工況下平臺(tái)一階固有周期為11.255 s，與該工況下16 s的波浪周期相差較大，產(chǎn)生共振響應(yīng)的概率很小，具體結(jié)果見(jiàn)圖2b)。

在得到動(dòng)態(tài)放大因子后，慣性載荷FI為[6]

(2)

式中：Fw·a=0.5×(最大波浪與流載荷-最小波浪與流載荷)。

將利用式(2)所求得的慣性載荷以集中力的形式施加在有限元模型的船體質(zhì)心處。

2.4 波浪載荷與流載荷

波浪載荷與流載荷作用在樁腿上，對(duì)于該類(lèi)小尺度構(gòu)件(構(gòu)件截面特征尺度/波長(zhǎng)≤0.2)，同時(shí)其為波浪和流作用下的固定結(jié)構(gòu)物(考慮自升式鉆井平臺(tái)為站樁情況)，利用莫里森方程進(jìn)行載荷計(jì)算[7]。

(3)

式中：ρ——海水密度；CD——拖曳力系數(shù)；CM——慣性力系數(shù)；D——構(gòu)件截面直徑；A——構(gòu)件截面面積；V——垂直于構(gòu)件軸向方向的水質(zhì)點(diǎn)(考慮波速和流速)速度。

實(shí)際計(jì)算中，將波浪方向與海流方向考慮為一致，將計(jì)算出來(lái)的載荷以集中力的形式加載到相應(yīng)樁腿的單元節(jié)點(diǎn)上[8]。

2.5 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷主要作用在主船體及其上層建筑上，由于粘性作用，風(fēng)速隨著與海平面距離的升高而增大，一些規(guī)范以速度分布的形式進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算，參考文獻(xiàn)[9]則根據(jù)高度系數(shù)來(lái)進(jìn)行風(fēng)速區(qū)分，這種離散式的處理方式較為方便，較多地被工程設(shè)計(jì)人員所采用，風(fēng)壓pw和風(fēng)力Fw為

pw=0.611V2CHCS

(4)

Fw=pwA

(5)

式中： V——風(fēng)速； GH——高度系數(shù)； CS——形狀系數(shù)； A——受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積。

風(fēng)載荷的施加方式主要有兩種，較為傳統(tǒng)的方式是將風(fēng)載荷以壓力的形式直接施加在主船體表面，對(duì)于主船體之上的上層建筑，例如，生活樓、井架等，由于沒(méi)有必要進(jìn)行詳細(xì)建模，可以根據(jù)其受風(fēng)面積和風(fēng)速計(jì)算出風(fēng)力載荷，以力的形式施加于其等效質(zhì)量點(diǎn)上[10]。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為風(fēng)載荷的變化對(duì)主船體強(qiáng)度的影響不大。

2.6P-Δ效應(yīng)

自升式鉆井平臺(tái)在外部環(huán)境載荷的作用下產(chǎn)生側(cè)向位移，平臺(tái)自身重力將對(duì)樁腿產(chǎn)生附加彎矩作用。P-Δ效應(yīng)按下式計(jì)算。

(6)

式中：δs——主船體一階線(xiàn)彈性側(cè)向位移；P——樁腿平均受壓載荷；PE——整個(gè)樁腿彈性臨界力。

二次彎矩M和等效二次力F分別為

(7)

(8)

式中：H——海底面與主船體半高處的垂直距離。

計(jì)算得到等效二次力之后，以力的形式施加于主船體型深半高位置高度上的水平面形心上，并通過(guò)MPC的方式關(guān)聯(lián)到該平面的節(jié)點(diǎn)上。

2.7 模型載荷施加

根據(jù)2.1～2.6所述，進(jìn)行載荷的計(jì)算與施加。該工況下所有載荷施加于模型,見(jiàn)圖3。

圖3 載荷施加

3 結(jié)果與討論

3.1 計(jì)算結(jié)果

主船體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為302 MPa，小于許用應(yīng)力320 MPa(屈服應(yīng)力355 MPa)，該共振工況下屈服強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，但是UC值達(dá)到0.944，對(duì)于大應(yīng)力區(qū)域還是應(yīng)該進(jìn)行加強(qiáng)。

主船體的整體應(yīng)力分布見(jiàn)圖4。

圖4 整體應(yīng)力分布

3.2 結(jié)果討論

應(yīng)力相對(duì)較大區(qū)域是懸臂梁底座下主船體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)、后部?jī)蓸锻葒逯g橫艙壁以及相連接主要縱艙壁(見(jiàn)圖6)。

圖5 懸臂梁底座下部局部應(yīng)力

圖6 后部?jī)蓸锻葒逯g主艙壁局部應(yīng)力

對(duì)于以上區(qū)域在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，并做出適當(dāng)加強(qiáng)。懸臂梁處于最大伸出狀態(tài)，并且其自身包括鉆臺(tái)、井架在內(nèi)的結(jié)構(gòu)重量很大，工作載荷也較高，因此導(dǎo)致其底座下主船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大；后部?jī)蓸锻葒逯g的橫艙壁和縱艙壁是主要傳力構(gòu)件，對(duì)平臺(tái)的抗傾性能較為重要，因此該橫、縱艙壁連接部位應(yīng)力也較高。

應(yīng)力集中區(qū)域是圍阱區(qū)域板與板連接角隅處(見(jiàn)圖7)、泥漿艙底部板與板連接角隅處(見(jiàn)圖8)，在這些位置需設(shè)立肘板，以減少應(yīng)力集中。圍阱區(qū)域受到力的傳遞的影響加之其結(jié)構(gòu)特征，部分區(qū)域應(yīng)力集中；泥漿艙中所裝載的泥漿密度較大，并且加上近乎滿(mǎn)載，因此底部壓力較大。

圖7 圍阱區(qū)域連接角隅處局部應(yīng)力

圖8 泥漿艙底部連接角隅處局部應(yīng)力

4 結(jié)論

1)該工況下，雖然平臺(tái)周期與波浪周期遭遇，產(chǎn)生共振響應(yīng)，同時(shí)，懸臂梁處于最大伸出位置并有最大工作載荷，但在該工況下主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)注意區(qū)域是懸臂梁底座下主船體結(jié)構(gòu)，后部?jī)蓸锻葒逯g橫艙壁以及相連接主要縱艙壁，圍阱區(qū)域板與板連接角隅處以及泥漿艙底部板與板連接角隅處。

[1] 趙開(kāi)龍，張大偉，姚志廣.自升式平臺(tái)主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].中國(guó)造船，2009，50(S)：250-254.

[2] 林鐘明，陳瑞峰，姚艷萍.自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].中國(guó)造船，2005，46(S)：308-313.

[3] 楊曙光.自升式平臺(tái)強(qiáng)度評(píng)估若干問(wèn)題研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[4] 李紅濤,李曄.自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2010，25(2)：28-33.

[5] 李紅濤.自升式移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2011，26(3)：12-16.

[6] ABS.Guide nodes on dynamic analysis procedure for self-elevating units [S].ABS，2014.

[7] DNV.Environmental Conditions and Environmental Loads[S].DNV，2014.

[8] 馮國(guó)慶,李曉宇,于 昊,等.300 ft 自升式平臺(tái)極限工況強(qiáng)度評(píng)估[J].船海工程，2011，40(5)：160-163.

[9] ABS.Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S].ABS，2014.

[10] 黃 一，欒林昌，張 崎.自升式平臺(tái)主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].船海工程，2011，40(6)：125-128.

[11] 徐興平，暢元江.勝利九號(hào)鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2005，20(5)：39-41.

Structural strength analysis of a 400 ft self-elevating drilling unit main hull

YANG Yong, ZENG Ji, YUAN Hong-Tao

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding and Offshore Engineering Design Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

The natural period of the 400 ft self-elevating drilling unit in operational condition with 91.4 m water depth is close to the wave period which leads to a high dynamic amplification factor, and the combined loading of cantilever-drill floor system is maximum in the operation condition. The structural strength of the main hull in this load case is analyzed by FEM. The key points of modeling and loads applying methods in structural strength analysis of the main hull are studied in detail. The high-stress areas are found and it provides reference for the structural design and strength assessment of the main hull.

self-elevating drilling unit; main hull; modeling; applied loads; structural strength; finite element method

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.032

2015-07-06

楊 勇(1988-)，男，碩士，助理工程師

P751，U674.38

A

1671-7953(2015)06 -0137-04

修回日期：2015-07-31

研究方向:海洋工程水動(dòng)力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

E-mail: yycjx19881030@126.com