基于ABAQUS和SACS軟件的“勘探三號(hào)”平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

吳永良，劉 續(xù)

基于ABAQUS和SACS軟件的“勘探三號(hào)”平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

吳永良，劉 續(xù)

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

應(yīng)用SACS海洋工程設(shè)計(jì)軟件建立“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)的SACS模型，根據(jù)各主要目標(biāo)作業(yè)海區(qū)1 500 ft（457 m）水深的海洋環(huán)境資料，選取“勘探三號(hào)”平臺(tái)在1 500 ft（457 m）作業(yè)水深的設(shè)計(jì)環(huán)境條件；應(yīng)用SACS軟件計(jì)算出“勘探三號(hào)”平臺(tái)在此設(shè)計(jì)環(huán)境條件下所承受的風(fēng)、海流和波浪力；應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件建立“勘探三號(hào)”平臺(tái)的有限元分析模型，并對“勘探三號(hào)”平臺(tái)在1 500 ft（457 m）作業(yè)水深環(huán)境載荷作用條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得出結(jié)論：在不做較大結(jié)構(gòu)改動(dòng)的前提下，通過局部的結(jié)構(gòu)改造和加強(qiáng)，“勘探三號(hào)”平臺(tái)能滿足作業(yè)水深提高到1 500 ft（457 m）時(shí)海洋環(huán)境條件對其總體強(qiáng)度的要求，為該平臺(tái)今后提高作業(yè)水深能力改造提供了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的技術(shù)依據(jù)?？蔀榻窈箢愃瓢霛撌姐@井平臺(tái)提高作業(yè)水深改造提供借鑒和參考。

半潛式鉆井平臺(tái)；ABAQUS；SACS；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；分析

“勘探三號(hào)”平臺(tái)是由“中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院”（708所）、上海船廠和原上海海洋地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合設(shè)計(jì)的非自航柱穩(wěn)半潛式海洋鉆井平臺(tái)，該平臺(tái)按ABS船級社鉆井平臺(tái)規(guī)范設(shè)計(jì)、建造并登記入級，作業(yè)水深35~200 m，鉆井能力6 000 m。它從嚴(yán)格意義上講屬于2.5代產(chǎn)品（介于第二代和第三代之間），據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球這類平臺(tái)共有22座，作業(yè)水深200~500 m，正逐漸升級改造（12座正在改造）或退出鉆井市場。在國內(nèi)13座半潛式鉆井平臺(tái)中，它的作業(yè)水深也是最淺的。而水深在100 m以內(nèi)的井，適合自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)，因此，它的作業(yè)水深范圍實(shí)際上限制在100~200 m，市場窗口很窄。作業(yè)水深能力的不足，從某種程度上制約了“勘探三號(hào)”平臺(tái)國內(nèi)外作業(yè)市場的進(jìn)一步開拓，嚴(yán)重影響了其競爭力。因此，“勘探三號(hào)”平臺(tái)提高作業(yè)水深能力改造是一個(gè)可能的選項(xiàng)。通過對“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，結(jié)合穩(wěn)定性分析、疲勞壽命分析和現(xiàn)有錨泊系統(tǒng)強(qiáng)度分析，可為該平臺(tái)今后提高作業(yè)水深能力改造提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究方法和技術(shù)思路

由于“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜和龐大，其作業(yè)水深提升改造將牽涉到平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、疲勞壽命、可變載荷、配套的設(shè)備升級改造、準(zhǔn)備投入的升級改造資金等許多問題?；诖?，從研究思路上改進(jìn)和優(yōu)化并制定出如下相應(yīng)的研究方法和技術(shù)思路。

（1）根據(jù)各主要目標(biāo)作業(yè)海區(qū)1 500 ft（457 m）水深的海洋環(huán)境資料，選取“勘探三號(hào)”平臺(tái)在1 500 ft（457 m）作業(yè)水深的設(shè)計(jì)環(huán)境條件。

（2）用SACS海洋工程設(shè)計(jì)軟件建立“勘探三號(hào)”平臺(tái)的SACS模型。

（3）通過“勘探三號(hào)”平臺(tái)的SACS模型，計(jì)算風(fēng)、浪和流作用在平臺(tái)上的載荷。

（4）使用ABAQUS有限元分析軟件建立“勘探三號(hào)”平臺(tái)ABAQUS有限元分析模型；將鉆井載荷、自身質(zhì)量和1 500 ft（457 m）作業(yè)水深SACS模型計(jì)算得到的作用在“勘探三號(hào)”平臺(tái)各個(gè)部位上的波浪和海流力以及錨鏈拉力等分別手動(dòng)加載到“勘探三號(hào)”平臺(tái)有限元分析模型相關(guān)點(diǎn)、面上。

（5）使用ABAQUS軟件進(jìn)行“勘探三號(hào)”平臺(tái)在1 500 ft（457 m）作業(yè)水深時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析（考慮腐蝕對平臺(tái)的影響）。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 1 500 ft（457 m）作業(yè)水深設(shè)計(jì)環(huán)境條件取值

針對不同水深、不同地理環(huán)境海域作業(yè)的平臺(tái)，其設(shè)計(jì)環(huán)境條件也不同?！翱碧饺?hào)”半潛式鉆井平臺(tái)改造的目標(biāo)作業(yè)水深為1 500 ft（457 m），主要作業(yè)海區(qū)為中國海域（東海、南海、黃海）、東南亞海域和俄羅斯東部海域等。通過綜合分析以上主要目標(biāo)作業(yè)海區(qū)1 500 ft（457 m）水深的風(fēng)、浪、流等環(huán)境資料[1-8]，參考“勘探三號(hào)”半潛式平臺(tái)原設(shè)計(jì)環(huán)境條件和國內(nèi)半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)境條件資料，選取“勘探三號(hào)”平臺(tái)作業(yè)水深1 500 ft（457 m）的設(shè)計(jì)環(huán)境條件如表1所示。

表1 “勘探三號(hào)”平臺(tái)作業(yè)水深1 500 ft（457 m）時(shí)的設(shè)計(jì)環(huán)境條件

2.2 1 500 ft（457 m）作業(yè)水深條件下的風(fēng)、海流和波浪力計(jì)算

2.2.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)特征

“勘探三號(hào)”平臺(tái)由兩個(gè)浮箱、六個(gè)立柱、一些桁架和一個(gè)箱型結(jié)構(gòu)的上船體組成。浮箱為細(xì)長形箱體，其艏、艉為半圓形，矩形截面，四角是5 00 mm圓角。每個(gè)浮箱內(nèi)設(shè)六道橫向水密艙壁，一道縱向水密艙壁和兩個(gè)圓筒形水密隔艙壁，將浮箱分為若干個(gè)艙室。浮箱甲板、底板和艙側(cè)壁均采用縱骨架式，水密隔艙壁采用水平梁結(jié)構(gòu)。2009年可變載荷升級改造時(shí)在原有浮箱內(nèi)側(cè)增加了一個(gè)長約80 m、寬2.5 m、高6 m的箱體。浮箱中部為壓載泵艙。平臺(tái)是一個(gè)鋼制結(jié)構(gòu)物，一般結(jié)構(gòu)使用3C型鋼材，主要結(jié)構(gòu)使用的是5C（相當(dāng)于E級鋼）型鋼材；浮箱上面是6個(gè)直徑為9 m的圓形立柱，2009年可變載荷升級改造時(shí)在艏、艉立柱外端增加8 m×3 m×29.2 m的箱體。在沉墊上方六柱間連有水平桁架，水平桁架為交叉桿型、圓形截面，橫向連桿亦為圓形，艏、艉立柱和平臺(tái)間各有兩根橫向圓形斜撐與一根圓形水平撐一起組成橫向平臺(tái)桁架，在平臺(tái)中部鉆臺(tái)四角各有一圓形斜撐，此斜撐與立柱、甲板箱梁交叉復(fù)桿一起組成空間桁架；上部平臺(tái)為雙層甲板田字形箱形結(jié)構(gòu)，由主甲板、上甲板、六道水密縱壁和六道水密橫壁組成，甲板無梁拱。

2.2.2 1 500 ft（457 m）作業(yè)水深條件下的風(fēng)、海流和波浪力計(jì)算

除了平臺(tái)自身質(zhì)重和設(shè)備質(zhì)量外，“勘探三號(hào)”平臺(tái)受外部環(huán)境影響包括海洋波浪、海流和風(fēng)，受到的外部載荷主要是波浪和海流產(chǎn)生的載荷，其中波浪產(chǎn)生的載荷最大，風(fēng)產(chǎn)生的載荷最小。風(fēng)力作用于平臺(tái)水線以上部分，與受風(fēng)構(gòu)件的正影形狀系數(shù)及高度系數(shù)有關(guān)。風(fēng)對平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大，但對平臺(tái)的穩(wěn)性影響較大。

應(yīng)用SACS海洋工程分析軟件建立“勘探三號(hào)”平臺(tái)的SACS模型如圖1所示。計(jì)算平臺(tái)所受的波浪和海流力，只需定義波浪的高度和周期以及海流的流速，得到的計(jì)算結(jié)果為海流載荷和波浪載荷的疊加。波浪載荷使用Morison方程計(jì)算，并以Stokes波浪理論計(jì)算水質(zhì)點(diǎn)速度。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)慣例，在本模型中，橫截面為圓形結(jié)構(gòu)桿件（例如支撐和立柱）的Cd和Cm值分別采用1.6和0.65，方形桿件（沉墊以及附加的端立柱）的Cd和Cm值分別采用1.65和1.45。

圖1 “勘探三號(hào)”平臺(tái)的SACS模型

波浪和海流具有方向性，選擇對平臺(tái)產(chǎn)生載荷最大的方向，即將風(fēng)浪和海流同方向作為研究方向。為了使分析計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確、全面，分別選擇0°、45°和90°三種角度作為波浪和海流的作用和分析方向，并選擇以下七種環(huán)境工況作為分析工況，如圖2所示。

分七種環(huán)境工況通過SACS軟件加載如圖3所示的環(huán)境荷載，并利用該軟件計(jì)算得出波浪和洋流作用在“勘探三號(hào)”平臺(tái)各個(gè)部位上的力（計(jì)算結(jié)構(gòu)太多，略）。

圖2 波浪和洋流作用和分析方向

圖3 1 500 ft（457 m）環(huán)境荷載

2.3 建立平臺(tái)有限元模型

根據(jù)“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)現(xiàn)有圖紙、資料，為了合理、簡化幾何建模，同時(shí)考慮 “勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)船體實(shí)際情況，建模時(shí)保留主結(jié)構(gòu)和部分附屬結(jié)構(gòu)，去除部分附屬結(jié)構(gòu)，并忽略井架、生活區(qū)等上甲板以上的結(jié)構(gòu)物。本次“勘探三號(hào)”平臺(tái)幾何建模采用殼體方式，模型坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在平臺(tái)底面的幾何中心，X方向：朝船艏為正，Y方向：朝船左舷為正，Z方向：朝上為正。建模完成后對結(jié)構(gòu)各個(gè)部分進(jìn)行材料賦值（機(jī)械性能等）、添加各個(gè)幾何體的厚度，有限元模型中的大部分構(gòu)件鋼板厚度按圖紙所標(biāo)厚度輸入。根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)，各個(gè)幾何體的厚度從10~32 mm不等，收集了“勘探三號(hào)”平臺(tái)最新（2014年7月）的測厚資料，平臺(tái)鋼板允許腐蝕量為平臺(tái)各處鋼板設(shè)計(jì)厚度的15%，而平臺(tái)各處鋼板實(shí)際腐蝕量最大為5%。根據(jù)“勘探三號(hào)”平臺(tái)最新測厚報(bào)告，在ABAQUS/PART模塊中通過SECTION命令對“勘探三號(hào)”平臺(tái)各處所用鋼板賦予其真實(shí)厚度，比較真實(shí)精確地模擬了“勘探三號(hào)”平臺(tái)的實(shí)際情況?！翱碧饺?hào)”平臺(tái)所用鋼板的材料特性：楊氏模量 E = 2.06×105N/mm2；泊松比μ = 0.3；密度ρ = 7.85×10-9t/mm3。

結(jié)構(gòu)有限元分析需要對建立的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本分析是對“勘探三號(hào)”平臺(tái)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，所以沒有對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格劃分，但這不影響總體分析結(jié)果。網(wǎng)格設(shè)置大小為0.4 m×0.4 m。

使用ABAQUS有限元分析軟件建立“勘探三號(hào)”平臺(tái)幾何模型和有限元分析模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 “勘探三號(hào)”平臺(tái)幾何模型

圖5 “勘探三號(hào)”平臺(tái)有限元分析模型

2.4 模型加載和約束邊界條件

2.4.1 模型加載

對“勘探三號(hào)”平臺(tái)幾何模型所施加的載荷分靜載荷和動(dòng)載荷，靜載荷主要為上甲板、主甲板的分布載荷、自身質(zhì)量和浮力；上甲板、主甲板的分布載荷由有關(guān)方提供，分別如圖6和圖7所示。表2所示為“勘探三號(hào)”平臺(tái)上甲板、主甲板載荷表。這些載荷分別手動(dòng)加載到“勘探三號(hào)”平臺(tái)有限元分析模型上，自身質(zhì)量由有限元分析軟件自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)生，錨鏈張力按4根大錨鏈與平臺(tái)艏艉的夾角45°方向并與立柱中心線的夾角65°方向各施加260 Mt加載。由于某些平臺(tái)的某些次要構(gòu)件和加強(qiáng)筋板在建“勘探三號(hào)”平臺(tái)有限元分析幾何模型時(shí)沒有模擬出，按乘上材料密度系數(shù)1.22處理，浮力也由有限元分析軟件自動(dòng)產(chǎn)生。動(dòng)載荷主要為風(fēng)力、海流力和波浪力，將前面使用SACS海洋工程設(shè)計(jì)軟件計(jì)算出的1 500 ft（457 m）作業(yè)水深的求生狀態(tài)下0°、45°、90°共七種情況下“勘探三號(hào)”平臺(tái)所承受的海流和波浪力分別手動(dòng)加載到“勘探三號(hào)”平臺(tái)有限元分析模型上對應(yīng)的位置；由于平臺(tái)所受到的風(fēng)力與平臺(tái)所受到的海流和波浪力相比，相對很小，所以未予加載。

圖6 上甲板載荷分布圖

圖7 主甲板載荷分布圖

表2 “勘探三號(hào)”平臺(tái)上甲板、主甲板載荷

2.4.2 約束邊界條件

海洋平臺(tái)作業(yè)時(shí)處于海水中，“勘探三號(hào)”平臺(tái)與海水之間存在著相互作用。在“勘探三號(hào)”平臺(tái)有限元分析模型中，為了更加真實(shí)地模擬海水與“勘探三號(hào)”平臺(tái)的相互作用，利用ABAQUS有限元分析軟件對“勘探三號(hào)”平臺(tái)受海水作用區(qū)域施加水彈簧作為邊界條件，水彈簧剛度系數(shù)K計(jì)算公式為：

式中：ρ為海水密度；g為重力加速度；A為海水作用區(qū)域。

2.5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

將SACS軟件計(jì)算出的“勘探三號(hào)”平臺(tái)在1 500 ft（457 m）作業(yè)水深的求生狀態(tài)下0°、45°、90°的七種組合方式的海流和波浪力和有關(guān)荷載，分別手動(dòng)加載到“勘探三號(hào)”平臺(tái)有限元分析模型上，之后進(jìn)行“勘探三號(hào)”平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如下（為了增加顯示的視覺分辨效果，將等效應(yīng)力值有意縮小，取1.000×108Pa）：

（1）波向0°、波峰在迎浪立柱中間

“勘探三號(hào)”平臺(tái)在承受波向0°、波峰在迎浪立柱中間的波浪力時(shí)的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖如圖8所示。

圖8 波向0°、波峰在迎浪立柱中間的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖

（2）波向0°、波峰在平臺(tái)中心

“勘探三號(hào)”平臺(tái)在承受波向0°、波峰在平臺(tái)中心的波浪力時(shí)的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖如圖9所示。

（3） 波向0°、波谷在平臺(tái)中心

“勘探三號(hào)”平臺(tái)在承受波向0°、波谷在平臺(tái)中心的波浪力時(shí)的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖如圖10所示。

圖9 波向0°、波峰在平臺(tái)中心的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖

圖10 波向0°、波谷在平臺(tái)中心的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖

（4） 波向45°、波峰在迎浪端立柱中間

“勘探三號(hào)”平臺(tái)在承受波向45°、波峰在迎浪端立柱中間的波浪力時(shí)的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖如圖11所示。

圖11 波向45°、波峰在迎浪端立柱中間的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖

（5）波向45°、波峰在平臺(tái)中心

“勘探三號(hào)”平臺(tái)在承受波向45°、波峰在平臺(tái)中心的波浪力時(shí)的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖如圖12所示。

圖12 波向45°、波峰在平臺(tái)中心的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖

（6）波向90°、波峰在迎浪端立柱中間

“勘探三號(hào)”平臺(tái)在承受波向90°、波峰在端立柱中間的波浪力時(shí)的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖如圖13所示。

圖13 波向90°、波峰在端立柱中間的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖

（7）波向90°、波峰在平臺(tái)中間

“勘探三號(hào)”平臺(tái)在承受波向90°、波峰在平臺(tái)中間的波浪力時(shí)的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖如圖14所示。

從圖8~圖14中可以看出，七種狀況時(shí)各部位應(yīng)力均有所不同。從以上七種狀況的von mises應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，總的來講，“勘探三號(hào)”平臺(tái)作業(yè)水深提升到1 500 ft（457 m）后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是可以滿足的，只不過有幾處局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要有以下幾處：

（1）中立柱斜撐與上箱體結(jié)合部；

（2）中立柱與水平撐及斜撐結(jié)合部；

（3）中立柱與浮箱結(jié)合部；

（4）中立柱與上箱體結(jié)合部；

（5）端立柱與上箱體結(jié)合部；

（6）端立柱斜撐與上箱體結(jié)合部；

（7）端立柱與水平撐及斜撐結(jié)合部；

（8）端立柱增加的立柱浮箱與浮箱結(jié)合部；

（9）迎浪立柱上浪部；

（10）井架底座與上箱體結(jié)合部。

一方面從“勘探三號(hào)”平臺(tái)結(jié)構(gòu)本身分析這幾處容易存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，另一方面說明這幾處確實(shí)需進(jìn)一步加強(qiáng)。

總體來講，“勘探三號(hào)”平臺(tái)作業(yè)水深提升到1 500 ft（457 m）后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是可以滿足的，只不過局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在大部分有限元網(wǎng)格劃分為0.4 m×0.4 m的密度條件下分析得出結(jié)論：在不做較大結(jié)構(gòu)改動(dòng)的前提下，通過局部的結(jié)構(gòu)改造和加強(qiáng)，能滿足作業(yè)水深提高到1 500 ft（457 m）時(shí)海洋環(huán)境條件對其總體強(qiáng)度的要求。

圖14 波向90°、波峰在平臺(tái)中間的求生狀態(tài)von mises應(yīng)力圖

3 結(jié)論

（1）由于當(dāng)時(shí)對半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)水平的局限性及對海洋環(huán)境荷載作用的認(rèn)識(shí)不足等原因，使得“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)偏于保守。

（2）在大部分有限元網(wǎng)格劃分為0.4 m×0.4 m的密度條件下分析得出結(jié)論：在不做較大結(jié)構(gòu)改動(dòng)的前提下，通過局部的結(jié)構(gòu)改造和加強(qiáng)，能滿足作業(yè)水深提高到1 500 ft（457 m）時(shí)海洋環(huán)境條件對其總體強(qiáng)度的要求。

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Analysis of the Structure Strength of “KANTAN Ⅲ”Based on ABAQUS and SACS Software

WU Yongliang, LIU Xu
（Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

SACS model of “KANTAN Ⅲ”, semi-submersible drilling platform, is established on the application of SACS. The marine environment data of some sea area with 1 500 ft depth of sea water where are the potential operation areas of “KANTAN Ⅲ”are chosen as the environment condition. The force of wind, ocean current and wave that “KANTAN Ⅲ” has to bear is calculated by SACS. The finite element analytical model for “KANTAN Ⅲ” is established by ABAQUS and the structure strength analysis of “KANTAN Ⅲ” under the environmental loading of 1 500 ft operating water depth is conducted. It can be concluded that on the premise of without large scale of change in the structure, the local restructuring and strengthening on “KANTAN Ⅲ” platform can meet the requirements of overall strength when the operating water depth is increased to 1 500 ft. This study provides the technical base of structural strength for this platform’s further restructuring to meet the requirement of operating in deeper water. It also can be used as a reference by the other similar semi-submersible drilling platform on the same purpose.

Semi-submersible drilling platform; ABAQUS; SACS; structure strength; analysis

TE951

A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.03.107

1008-2336（2016）03-00107-07

2016-05-23；改回日期：2016-06-29

吳永良，男，1963年生，高級工程師，主要從事海洋石油機(jī)械和海洋石油工程技術(shù)研究工作。

E-mail:wuyl.shhy@sinopec.com。