張立腿平臺浮箱框架結構強度分析方法研究

姜 哲，崔維成，李 陽，時忠民

(1. 上海海洋大學 深淵科學與技術研究中心(上海深淵科學工程技術研究中心)，上海 201306；2. 中海油研究總院，北京 100028)

張立腿平臺浮箱框架結構強度分析方法研究

姜 哲1，崔維成1，李 陽2，時忠民2

(1. 上海海洋大學 深淵科學與技術研究中心(上海深淵科學工程技術研究中心)，上海 201306；2. 中海油研究總院，北京 100028)

浮箱是張力腿平臺主體結構的組成部分之一，它承受著由平臺甲板和立柱傳遞來的總體載荷以及局部靜水載荷。不同的浮箱結構型式會對荷載路徑和受力大小產生影響，不同的設計需求會帶來不同的結構型式設計。本文介紹 TLP 平臺浮箱框架的典型結構型式以及基于有限元的強度分析方法，并通過浮箱橫向框架有支柱和無支柱 2 種不同型式的浮箱框架結構案例分析予以闡述。

張立腿平臺；浮箱框架；基于有限元的結構強度分析

0 引 言

隨著南海深水油氣田勘探開發(fā)的不斷推進，近年來多個深水或超深水油氣田陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，包括流花油田群（平均水深約 300～400m）和陵水氣田群（平均水深約 1 300～1 500m）等。隨著水深的增加，浮式平臺成為了重要的油氣田開發(fā)依托設施之一。張立腿平臺（Tension Leg Platform，TLP）以其優(yōu)良的運動性能以及可適應干樹和濕樹采油等優(yōu)點[1]，成為了這 2 個油氣田開發(fā)的重點方案。張力腿平臺目前在世界主要石油產區(qū)海域均有應用，已建成 24 座，在役 22 座，集中在墨西哥灣（16 座）。目前正在設計、建造的 TLP平臺還有 10 座。

TLP 平臺主要有傳統(tǒng)型 TLP、延伸式 TLP（E-TLP）、Seastar TLP 和mOSES TLP 幾種類型，其中傳統(tǒng)型 TLP應用最為廣泛。傳統(tǒng)型 TLP 主體結構包括上部組塊、立柱和浮箱，并通過張立腿將平臺系泊于海上。

目前，國內尚沒有 TLP 平臺工程應用，廣泛的研究開始于 2000 年后，主要集中在其水動力特性（包括總體運動響應[2-4]、高頻運動響應[5-6]、內波影響[7]）、張力腿性能[8]、頂張緊式立管[9]等方面的研究，對其結構性能的研究有限。2013 年，“流花”油田前期開發(fā)項目首次將張力腿平臺作為依托平臺方案，又帶動了國內對張力腿平臺的研究熱潮。為適應工程項目需要，研究領域也變得更加廣泛，從側重于水動力學研究，拓展到結構、安裝、運輸?shù)榷囝I域研究。在結構方面，例如采用設計波法開展傳統(tǒng)型張力腿平臺的整體總強度研究[10-11]，金苗[12]采用載荷抗力系數(shù)法對延伸式 TLP 進行了整體強度校核；對于局部結構，重點針對 TLP 關鍵連接節(jié)點，包括船體與上部組塊、立柱與浮箱、立柱與張力腿以及上部組塊與立管間的連接節(jié)點等研究；梁瑜[13]對 TLP 船體與上部組塊的連接立柱開展了局部強度研究；邵景華等[14]對張力腿平臺立柱與浮箱間連接節(jié)點開展了結構可靠度分析；余建星等[15]人采用基于累積損傷的疲勞壽命譜分析方法，對 8 個關鍵節(jié)點進行了疲勞可靠性分析。上述研究工作側重于連接結構研究，對于非連接區(qū)域，例如立柱、浮箱、上部組塊等，同樣應予以重視。

本文將采用基于有限元的結構強度分析方法，針對橫向框架有支柱和無支柱 2 種 TLP 浮箱框架型式開展結構強度研究。

1 基于有限元的浮箱框架強度分析方法

1.1 分析對象

本研究以傳統(tǒng)型 TLP 平臺浮箱結構為分析對象。TLP 的浮箱結構為加筋板殼結構，主要結構包括水密艙壁及其縱骨、外板及其縱骨、支撐艙壁的縱向框架、艙壁與外板間的水平連接肘板以及支撐外板和縱向框架的橫向框架。其中，根據(jù)浮箱尺寸和荷載大小的不同，橫向框架可采用有支柱和無支柱 2 種型式。

從功能上，浮箱被其中部的水密艙壁分隔成2個艙室，作為可變壓載艙，浮箱艙段結構設計要承受內部的靜水壓力和外部的靜壓力和動壓力載荷，結構設計時應充分考慮包括完整與破損狀態(tài)，測試、運輸、安裝、作業(yè)、生存和極限等全生命周期要求以及各種環(huán)境組合等各種可能的載荷工況，并針對最惡劣的工況組合進行強度和屈曲校核。

1.2 分析流程與方法

浮箱框架結構強度有限元分析重點在于水密艙壁及其縱骨、水密艙壁與外板間連接肘板、支撐水密艙壁的縱向框架以及支撐外板及縱向框架的橫向框架?；谟邢拊母∠淇蚣軓姸确治隹刹捎靡韵铝鞒毯?方法：

1）建立艙段有限元模型

采用成熟的有限元軟件開展結構建模，如 Ansys、DNV GENI 等。結構模型以水密艙壁為中心，包含兩側各延伸至 5～6 個框架距離內的結構，所有結構皆采用板單元模擬。

2）設置邊界條件

浮箱框架結構強度分析一般僅針對水密艙壁兩側3 個橫向框架距離以內的結構單元進行強度校核。為了不影響有限元分析結果，約束邊界設置在距水密艙壁有一定距離（例如 5～6 個框架外）的艙室端部，并約束節(jié)點的水平位移。

3）確定載荷及工況組合

設計載荷主要包括浮箱內外的靜水壓力和由環(huán)境力引起的動壓力，一般靜水壓力可以用水壓頭來表示；對于動壓力，同樣可用等量的水壓頭形式來表示。對于工況組合，一般要考慮以下幾方面：

①環(huán)境工況組合，即一年一遇、百年一遇、千年一遇等；

②完整與破損；

③裝載情況，包括單艙裝載、雙艙裝載等；

④平臺全生命周期的各個階段，包括打壓測試、運輸、安裝、在位以及棄置等。

在考慮以上各種工況下的載荷情況后，結合不同工況對許用應力要求的不同，針對可能的最危險載荷工況組合開展有限元分析。

4）有限元分析及校核。

分別對結構的 Von-Mises 應力、軸向力和剪切應力進行校核。根據(jù)規(guī)范[16-17]，對于一年一遇完整工況，Von-Mises 應力、軸向力和剪切應力的許用應力分別為屈服應力的 70%，60% 和 40%；而對于百年一遇、一年一遇破損和打壓測試工況，Von-Mises 應力、剪切應力和軸向力的許用應力分別為屈服應力的90%，80% 和 53%。

2 案例分析

2.1 無支柱浮箱框架強度有限元分析

本節(jié)所研究的張立腿平臺是傳統(tǒng)型式 TLP，作業(yè)海區(qū)為墨西哥灣，設計作業(yè)水深 1 350m，設計排水量約 60 200 t，吃水 27.4m。其浮箱為近似矩形截面結構，高 10.36m，寬 10.36m。

采用 DNV Geni 模塊進行有限元建模，全部結構采用板單元。模型包括水密艙壁及其縱骨、浮箱外板及其縱骨、支撐艙壁的 4 個縱向框架、艙壁與外板的連接肘板以及支撐外板和縱向框架的橫向框架。橫向框架中部無支柱支撐，有限元模型如圖1 所示。坐標原點位于整個模型的對稱中心，即水密艙壁與底板相交線的中點，X 軸方向與水密艙壁呈正交，Y 軸延水密艙壁指向舷外側，Z 軸指向頂板。整個艙段被水密艙壁分隔成兩半，分別定義為艙（X +）和艙（X -）。

為避免約束邊界對計算結果的影響，艙壁兩側各取 6 個橫向框架的距離，但僅校核靠近水密艙壁的 3個橫向框架以內的結構，橫向框架間距 1.905m。在艙段兩側分別進行邊界約束，約束節(jié)點三方向的水平位移，即 Ux=0，Uy=0，Uz=0，如圖1 所示。

圖1 浮箱艙段有限元模型Fig. 1 Pontoon structures FEMmodel and boundary setting

在考慮了各種可能載荷工況后，對 3 種危險工況進行有限元分析，包括過載打壓測試工況、一年一遇操作/完整工況和一年一遇破損工況。全部結構的屈服應力皆為 345mPa，各工況的載荷和許用應力如表1所示，其中 LC1-1 和 LC1-3 的載荷施加如圖2 和圖3所示。

表1 各工況的載荷（水壓頭）和許用應力Tab. 1 Load cases（pressure head，m） and allowable stresses（MPa）

圖2 十年一遇作業(yè)工況（LC1-1）載荷設置Fig. 2 Load case LC1-1 setting

圖3 打壓測試（艙 X +）（LC1-3）工況載荷設置Fig. 3 Load case LC1-3 setting

采用 DNV Sestra 模塊進行結構計算，得到各工況下的浮箱結構 Von-Mises 應力如表2 所示，工況 1-4中主要結構的 Von-Mises 應力云圖如圖4～圖7 所示（云圖坐標系基于英制單位 kips，1 kips=6.9mpa）。水密艙壁和縱向框架的軸向應力和剪切應力如表3 所示，其中，σx，σy和 σz表示三向軸向力，τ 表示剪切力。由表2 和表3 可見，浮箱框架結構強度滿足許用應力要求。表3 中標注了工況 1-工況 4（艙 X-打壓測試）為主控工況，即相比其他工況，該工況下水密艙壁和縱向框架所承受軸向力和剪切應力最大，在設計時，應以該工況作為結構設計荷載工況。

表2 浮箱框架結構 Von-Mises 應力（MPa）Tab. 2 MaximumVonmises stresses on all structural components（MPa）

表3 水密艙壁和縱向框架軸向應力和剪切應力（MPa）Tab. 3 Maximumcomponent stresses on the bulkhead and longitudinal frames（MPa）

圖4 艙壁 Von-Mises 應力云圖Fig. 4 Von-Mises stress plot of the bulkhead

圖5 縱向框架 Von-Mises 應力云圖Fig. 5 Von-Mises stress plot of longitudinal frames

圖6 橫向框架 Von-Mises 應力云圖Fig. 6 Von-Mises stress plot of transverse frames

2.2 有支柱浮箱框架強度有限元分析

本節(jié)所研究的張立腿平臺同樣為傳統(tǒng)型式 TLP，設計作業(yè)水深 1 500m，作業(yè)海域為中國南海，設計排水量約 73 000 t，吃水 30m。其中，其浮箱為近似矩形截面的結構，高 9.5m，寬 12.35m。

仍采用 DNV Geni 模塊進行有限元建模，主要結構與 2.1 節(jié)相同，艙壁兩側各取 5 個橫向框架的距離，其中僅校核靠近水密艙壁的 3 個橫向框架，橫向框架間距 1.95m。水密艙壁由 6 個縱向框架支撐。為顯示方便，去除外板的浮箱艙段如圖8 所示。橫向框架采用了有支柱的形式。

圖7 外板 Von-Mises 應力云圖Fig. 7 Von-Mises stress plot of outer shell

圖8 浮箱艙段有限元模型（除外板）Fig. 8 Pontoon structures FEMmodel（except outer shell）

同樣，在艙段兩側進行邊界約束，約束節(jié)點三方向的水平位移，即 Ux=0，Uy=0，Uz=0，如圖9 所示。坐標系定義與 2.1 節(jié)相同。

圖9 約束邊界Fig. 9 Boundary condition

在考慮了各種可能載荷工況后，對 3 種危險工況進行有限元分析，包括過載打壓測試工況、一年一遇作業(yè)工況和一年一遇破損工況。全部結構的屈服應力皆為 345mPa，各工況的載荷和許用應力如表4 所示。

表4 各工況的載荷（水壓頭）和許用應力Tab. 4 Load cases（pressure head，m） and allowable stresses（MPa）

采用 DNV Sestra 模塊進行結構計算，得到各工況浮箱結構 Von-Mises 應力如表5 所示，LC2-2 下主要結構的 Von-Mises 應力云圖如圖10～圖13 所示。水密艙壁和縱向框架的軸向應力和剪切應力如表6 所示。對于水密艙壁和縱向框架所承受軸向力和剪切應力，LC2-3（艙 X-打壓測試）為主控工況。由表5 和表6可見，浮箱框架結構強度滿足許用應力要求。由圖6和圖12 橫向框架 Von-Mises 應力云圖可見，不論是有支柱還是無支柱型式，最大應力發(fā)生在框架 4 個角隅處，而對于 2.2 節(jié)中所研究的 TLP，由于其浮箱寬度更大，需要在橫向框架間采用支柱結構以減少結構跨距，降低框架角隅處的應力。支柱的設置對于改善局部應力是有幫助的，但應特別關注支柱結構的在壓應力作用下的屈曲問題。

表5 浮箱框架結構 Von-Mises 應力（Mpa）Tab. 5 MaximumVonmises stresses on all structural components（Mpa）

表6 水密艙壁和縱向框架軸向應力和剪切應力（MPa）Tab. 6 Maximumcomponent stresses on the bulkhead and longitudinal frames（MPa）

圖10 艙壁 Von-Mises 應力云圖Fig. 10 Von-Mises stress plot of the bulkhead

圖11 縱向框架 Von-Mises 應力云圖Fig. 11 Von-Mises stress plot of longitudinal frames

圖12 橫向框架 Von-Mises 應力云圖Fig. 12 Von-Mises stress plot of transverse frames

圖13 外板 Von-Mises 應力云圖Fig. 13 Von-Mises stress plot of outer shell

3 結 語

浮箱是張力腿平臺主體結構的重要組成部分之一。本文針對 2 個 TLP 工程設計中浮箱框架校核，介紹了浮箱框架的典型結構形式以及基于有限元的浮箱框架結構強度分析方法。通過對比 2 種不同型式的浮箱設計（即橫向框架有支柱和無支柱），對不同設計型式帶來的結構應力變化進行了初步討論。

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Research on the structural strength analysismethod of tlp pontoon bulkheads

JIANG Zhe1, CUI Wei-cheng1, LI Yang2, SHI Zhong-min2
(1. Hadal Science and Technology Research Center (Shanghai Engineering Research Center of Hadal Science and Technology), Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. China National Offshore Oil Corporation General Research Institute, Beijing 100028, China)

Pontoon bulkhead structures of Tension Leg Platforms (TLPs) are designed to withstand both local and global loads. The pontoon configuration will affect the load path and stress level such that different design tasksmay result in different configurations. This paper introduced general configurations of TLP pontoon structures and elaborates the structural strength analysismethod based on the finite elementmethod by giving two engineering cases with different structural configurations, i.e. transverse frames with stanchions and without stanchions.

tension leg platform；pontoon bulkhead；structural strength analysis based on finite elementmethod

P751

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0056 - 06

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.011

2016 - 06 - 12；

2016 - 07 - 25

國家重大專項資助項目(2011ZX05026)；上海市科學技術委員會資助項目(14DZ1205500, 14DZ2250900, 15DZ1207000)；上海海洋大學博士啟動基金資助(A2-0203-00-100323)

姜哲(1982 - )，男，副研究員，研究方向為浮式平臺總體設計和水動力性能。