北海惡劣海況下半潛鉆井平臺(tái)總體屈服及屈曲強(qiáng)度分析

郭勤靜，李 磊，陳書敏，李德江

(中集海洋工程研究院，山東煙臺(tái)264000)

北海惡劣海況下半潛鉆井平臺(tái)總體屈服及屈曲強(qiáng)度分析

郭勤靜，李 磊，陳書敏，李德江

(中集海洋工程研究院，山東煙臺(tái)264000)

針對在北極及北極圈極寒惡劣海域工作的半潛式鉆井平臺(tái)總體強(qiáng)度問題,利用DNV專業(yè)軟件SESAM對國內(nèi)首座入級DNV船級社的自主研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)項(xiàng)目——半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行總體強(qiáng)度分析。計(jì)算結(jié)果表明:平臺(tái)總體強(qiáng)度情況滿足要求,需要對局部連接處進(jìn)行細(xì)化分析,根據(jù)強(qiáng)度利用率認(rèn)為局部結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步優(yōu)化。

半潛鉆井平臺(tái);維京龍;SESAM;總體強(qiáng)度分析;強(qiáng)度利用率;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

北海及北極圈海域極寒氣候和惡劣海況對海工裝備的性能要求苛刻,在這種海況下工作的半潛式鉆井平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就顯得極為重要。平臺(tái)在總體強(qiáng)度分析通過船級社審核后才可以進(jìn)行其他的設(shè)計(jì)建造工作,因此,其總體強(qiáng)度分析成為半潛平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與送審過程中的重要技術(shù)內(nèi)容［1］。文中就國內(nèi)首例自主研發(fā)并入級DNV的半潛鉆井平臺(tái),采用DNV船級社開發(fā)的專業(yè)設(shè)計(jì)分析軟件SESAM進(jìn)行總體強(qiáng)度分析。

1 半潛式鉆井平臺(tái)簡介

半潛式鉆井平臺(tái)North Drangon(維京龍)采用GM4-D設(shè)計(jì),基礎(chǔ)設(shè)計(jì)由Global Maritime與煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司共同承擔(dān),后者負(fù)責(zé)所有基礎(chǔ)設(shè)計(jì)圖紙及總體分析報(bào)告的完成及送審DNV,完成全部詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì),并基于設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn),對該平臺(tái)進(jìn)行升級優(yōu)化。North Dragon滿足冰區(qū)拖航要求,可在北極圈附近海域作業(yè),能夠抵御北海百年一遇的風(fēng)暴。

North Dragon最大工作水深500 m,最大鉆井深度8 000 m,服務(wù)溫度-25℃,滿足冰級要求。

該平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)尺度見表1。

表1 平臺(tái)主尺度 m

該平臺(tái)配置DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)和8點(diǎn)系泊系統(tǒng),滿足挪威海事局(NMD)要求和挪威海上工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NORSOK),入級挪威船級社(DNV)。North Dragon是國內(nèi)首次由承建方總包建造并自主設(shè)計(jì)的半潛式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目。

2 總體有限元模型

采用SESAM進(jìn)行總體強(qiáng)度分析計(jì)算,通常需要準(zhǔn)備總體質(zhì)量模型和莫里森模型［2］。

2.1 總體質(zhì)量模型

總體質(zhì)量模型是一個(gè)板梁結(jié)組合的模型,主要的板結(jié)構(gòu)以殼單元模擬,而一般的筋、框架面板、環(huán)形筋及甲板上小的型材等用梁單元模擬,梁單元等效考慮其軸向及彎曲剛度,以非偏心梁的方式考慮。平臺(tái)剛度分布情況見圖1。采用SESAM軟件GENIE建模模塊多人協(xié)作建模方法完成的總體質(zhì)量模型,見圖2。在總體有限元模型中經(jīng)過加載(主要是永久載荷)、調(diào)平(由于模型簡化帶來的質(zhì)量分布不均衡)后計(jì)算總體質(zhì)量矩陣。

2.2 莫里森模型

為保證水動(dòng)力載荷順利傳遞到總體分析模型上,需要?jiǎng)?chuàng)建與水動(dòng)力計(jì)算相同的濕表面及莫里森模型。莫里森模型將以超節(jié)點(diǎn)方式在總體質(zhì)量模型中橫撐上設(shè)置相同的超節(jié)點(diǎn),對莫里森梁模型屬性材質(zhì)進(jìn)行一定設(shè)置,用以保證莫里森模型能夠完全將水動(dòng)力載荷傳遞到平臺(tái)總體模型上。自存工況下創(chuàng)建的莫里森模型見圖3,總體質(zhì)量模型中對應(yīng)莫里森模型的橫撐中超節(jié)點(diǎn)設(shè)置見圖4,濕表面模型見圖5,邊界條件見圖6。

圖1 半潛平臺(tái)剛度分布

圖2 半潛平臺(tái)總體有限元模型

圖3 自存工況下的莫里森模型

3 平臺(tái)所受載荷及計(jì)算方法

作用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的各種載荷可分為:永久載荷、可變載荷、環(huán)境載荷、意外載荷和變形載荷等［3］。在對平臺(tái)進(jìn)行總體強(qiáng)度評估時(shí)只考慮永久載荷和環(huán)境載荷。永久載荷總體上包括鋼結(jié)構(gòu)自身重量、各種設(shè)備重量和壓載艙壓載重量等。環(huán)境載荷主要包括由于波浪和流產(chǎn)生的水動(dòng)力荷載、慣性力、風(fēng)載荷以及雪冰等。由于風(fēng)和流的載荷相對于波浪載荷對平臺(tái)的影響很小,因此波浪載荷是所有環(huán)境載荷中對平臺(tái)結(jié)構(gòu)影響最為顯著的也是主要考慮的載荷。通常選擇百年一遇的波浪進(jìn)行波浪載荷分析,采用設(shè)計(jì)波法完成波浪載荷的分析計(jì)算,并確定產(chǎn)生最大波浪誘導(dǎo)載荷的波浪高度、周期和相位等特征要素,自存工況下典型設(shè)計(jì)波的具體情況見表2。

圖4 總體質(zhì)量模型中橫撐超節(jié)點(diǎn)設(shè)置

圖5 半潛平臺(tái)濕表面

圖6 邊界條件

4 總體強(qiáng)度分析計(jì)算及校核

4.1 總體屈服屈曲強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

平臺(tái)總體強(qiáng)度分析主要包括總體屈服強(qiáng)度、總體屈曲強(qiáng)度和總體疲勞強(qiáng)度分析,其實(shí)際計(jì)算過程主要是通過船級社專業(yè)的計(jì)算包或者自行開發(fā)的后處理程序批量處理計(jì)算完成整個(gè)后處理計(jì)算校核。對于入級DNV船級社的平臺(tái)來說,一般屈服屈曲強(qiáng)度校核主要根據(jù)DNV規(guī)范規(guī)定。針對板殼結(jié)構(gòu),總體屈服屈曲強(qiáng)度校核準(zhǔn)則如下［4-5］。

表2 風(fēng)暴自存工況下的典型設(shè)計(jì)波

1)總體屈服強(qiáng)度校核準(zhǔn)則。

式中:σx,Sd,σy,Sd,τSd——總體單元應(yīng)力分量;

σj,Sd——Von-Mises應(yīng)力;

σj——材料許用屈服應(yīng)力(對于常用材料, σj=355 MPa)。

考慮材料系數(shù)1.15,許用屈服應(yīng)力校核為σj,Sd≤σj/1.15=355 MPa/1.15=309 MPa。

2)總體屈曲強(qiáng)度校核準(zhǔn)則。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明,對于以板格為屈曲校核對象時(shí),極限強(qiáng)度狀態(tài)下是必須要校核的,并且在極限強(qiáng)度滿足的情況下,一定的屈曲是允許的。

非加筋板(unstiffened plate)屈曲校核根據(jù)如下公式。

式中:σx,Rd,σy,Rd,τRd——板格縱向、橫向單軸向力下的極限強(qiáng)度、邊緣剪切下的極限強(qiáng)度;

Ci——強(qiáng)度作用系數(shù)。

加筋板(stiffened plate)屈曲校核根據(jù)側(cè)向壓力在板一側(cè)還是筋一側(cè)分布滿足如下公式。

側(cè)向壓力在板側(cè):

側(cè)向壓力在筋側(cè):

4.2 總體屈服屈曲強(qiáng)度計(jì)算校核及結(jié)果分析

總體質(zhì)量模型完成以后,對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分的網(wǎng)格盡量均勻規(guī)則,根據(jù)DNV規(guī)范規(guī)定的邊界加載方式,即3-2-1的邊界加載方式。針對不同的工況進(jìn)行加載,采用LRFD方法,在SESTRA計(jì)算模塊完成總體強(qiáng)度的計(jì)算,在XTRACT結(jié)果后處理模塊中,考慮靜態(tài)系數(shù)與環(huán)境載荷動(dòng)態(tài)系數(shù)見表3。

表3 LRFD方法下的載荷系數(shù)

進(jìn)行各種工況的組合疊加及應(yīng)力搜索,得到Survival,Operation工況下總體強(qiáng)度結(jié)果見圖7。根據(jù)DNV規(guī)范RP-C103關(guān)于總體屈服屈曲后處理規(guī)定［6］,需要疊加總體強(qiáng)度分析結(jié)果與局部分析結(jié)果(框架強(qiáng)度分析)采用PULS表格完成總體屈服及屈曲校核。

圖7 總體屈服強(qiáng)度ULS自存及操作工況

圖7兩種工況下的屈服強(qiáng)度結(jié)果表明,平臺(tái)的總體強(qiáng)度基本滿足規(guī)范要求,在局部連接處存在應(yīng)力水平偏高的情況,特別是連接處的內(nèi)側(cè),包括立柱與甲板的連接處,立柱浮筒與橫撐的連接處,這主要是由于各斜浪工況下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩及分離力對整個(gè)平臺(tái)造成的影響,而針對這幾個(gè)局部連接處,需要進(jìn)行細(xì)化分析,用子模型的方法進(jìn)行細(xì)部強(qiáng)度包括屈服及疲勞強(qiáng)度分析計(jì)算,對細(xì)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。同時(shí),根據(jù)強(qiáng)度結(jié)果,通過設(shè)置許用強(qiáng)度值,可以考察整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有效利用率,根據(jù)整體應(yīng)力傳遞趨勢及強(qiáng)度有效利用率,進(jìn)行部分結(jié)構(gòu)的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì),降低板厚或者減小型材尺寸等,達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化及減重的目的［7-8］。

5 結(jié)論

1)采用SESAM有限元分析軟件對半潛式平臺(tái)進(jìn)行的總體屈服屈曲強(qiáng)度分析方法正確,結(jié)果合理,平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體屈服屈曲強(qiáng)度滿足船級社的要求。

2)該平臺(tái)上船體連接處內(nèi)側(cè)部分、下船體立柱與浮筒和橫撐部分屈服強(qiáng)度較差,這與規(guī)范及結(jié)構(gòu)力學(xué)所揭示的原理一致,由于半潛平臺(tái)的分離力及轉(zhuǎn)矩等不同受力的影響,容易導(dǎo)致平臺(tái)抗扭強(qiáng)度較差,證明連接處是平臺(tái)總體強(qiáng)度分析的關(guān)鍵位置,需要后續(xù)進(jìn)行連接處的屈服屈曲子模型分析計(jì)算,進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

3)總體分析前處理過程中的模型處理方法與之前項(xiàng)目的處理方式有所不同,但都可以得出合理的結(jié)果,對于利用SESAM軟件進(jìn)行前處理的方法還需要研究細(xì)化,對于總體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度利用率較低區(qū)域的結(jié)構(gòu)考慮適當(dāng)降低板厚和型材尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4)根據(jù)總體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度利用率,對平臺(tái)整體剛度配置優(yōu)化,并優(yōu)化船型,設(shè)計(jì)系列化船型。

5)通過本次實(shí)際項(xiàng)目的使用以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步地結(jié)構(gòu)優(yōu)化及減重,陸續(xù)改進(jìn),設(shè)計(jì)出半潛平臺(tái)的船型GM4D-2#,GM4D-3#,逐漸形成了系列化深水半潛鉆井平臺(tái)項(xiàng)目,為國內(nèi)進(jìn)行北海惡劣海況下深水半潛鉆井平臺(tái)的研究和建造積累了經(jīng)驗(yàn)。

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

［2］挪威船級社.SESAM用戶手冊［S］.2011.

［3］挪威船級社.DNV RP-C103 Column-stabilized units［S］.2012.

［4］挪威船級社.DNV RP-C201 Column-stabilized units［S］.2012.

［5］美國船級社.ABSRules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit［S］.2008.

［6］挪威船級社.DNV OS-C101 Offshore Steel Structures, General(LRFD Method)［S］.2012.

［7］高學(xué)靜.自升式鉆井平臺(tái)中鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究［J］.船海工程,2013(6):174-176.

［8］張本偉,楊清峽,梁園華.半潛鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位與錨泊混合定位控制能力分析方法研究［J］.船海工程,2013(6):146-149.

Research on Global Strength and Buckling Analysis of the Semi-submersible Drilling Rig

GUO Qin-jing,LI Lei,CHEN Shu-m in,LIDe-jiang
(Research Department,CIMC Offshore Engineering Institute Ltd.,Yantai Shandong 264000,China)

The global strength plays an important role for the safety of the semisubmersible drilling rig.The global strength analysis of the North Dragon semi-submersible drilling rig servicing on northern sea and nearby,which is the first basic design project that carried out by Yantai CIMC Raffles,is processed strictly by SESAM software.The numerical results prove that the global and buckling strength ofmost of the platform structuralmembers can fulfill the requirements except for some local connection areas;and structural optimization and weight reduction could be carried out according to the global strength result.

semi-submersible drilling rig;SESAM;global strength analysis;strength utilization ratio;structural optimization

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.025

U674.38

A

1671-7953(2015)03-0105-05

2014-10-24

修回日期:2014-12-29

泰山學(xué)者藍(lán)色產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍專家專項(xiàng)

郭勤靜(1982-),男,碩士,工程師

研究方向:海洋平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與總體強(qiáng)度分析

E-mail:guoqinjing@hotmail.com