南海海域張力腿平臺總體和局部結構強度分析

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(中海油研究總院，北京 100028)

南海海域張力腿平臺總體和局部結構強度分析

馮加果，謝彬，王春升，謝文會，王世圣

(中海油研究總院，北京 100028)

參考國際海洋工程行業(yè)中TLP平臺總體結構強度和局部結構強度分析的經(jīng)驗和工程做法，以某TLP為例完成總體結構和局部結構強度分析，驗證該平臺結構強度滿足規(guī)范要求，但平臺結構設計尚有一定優(yōu)化空間。

張力腿平臺；結構強度分析；荷載施加；有限元

張力腿平臺(tension leg platform，TLP)是我國南海深水油氣開發(fā)所倚重的重要平臺型式之一[1-2]，其結構強度分析是確保平臺在役期間安全運營的重要環(huán)節(jié)，通過強度分析可以確定危險工況及平臺結構在相應海況環(huán)境下的響應，還可以有針對性地捕捉結構設計中的關鍵節(jié)點和部位，為下一步的詳細設計、建造、特檢等提供指導[3-5]。我國海域目前尚沒有使用TLP平臺，需要借鑒國際海洋工程行業(yè)積累的經(jīng)驗，因此，考慮基于某潛在的TLP工程項目，介紹國際海洋工程界對TLP平臺結構強度分析的經(jīng)驗做法，同時對總體結構強度和局部結構進行了分析和探討，總結TLP平臺局部結構分析的難點、重點。

1 TLP總體結構強度分析方法

根據(jù)TLP的總體尺度規(guī)劃和結構尺度規(guī)劃設計結果，建立TLP整體結構的ANSYS有限元模型，并根據(jù)重量控制報告檢查重量、重心等信息，確保TLP的整體結構模型的幾何信息、重量信息等與設計值一致，其中TLP總體結構強度分析中的水動力載荷采用設計波方法提供，下船體的結構強度分析流程圖見圖1。

圖1 下船體結構強度分析流程圖

1.1 工況及環(huán)境條件要求

根據(jù)《API-RP-2T》(2010版)[6]的推薦做法，TLP平臺強度分析考慮如下環(huán)境條件及工況。

操作工況：1年一遇臺風環(huán)境條件。

極端工況：100年一遇臺風環(huán)境條件。

生存工況：1 000年一遇臺風環(huán)境條件。

根據(jù)《ABS MODU》規(guī)范[7]的規(guī)定，平臺在操作工況、極端工況和生存工況下，需要針對以下典型工況獲取總體結構強度分析的設計波。

1)下船體間最大橫向撕裂力。

2)關于平臺水平橫向軸的最大橫向轉矩。

3)2下船體之間的最大縱向剪切力。

4)下船體最大垂向彎矩。

5)最大縱向甲板慣性力。

6)最大橫向甲板慣性力。

設計波流程及方法參見《ABS MODU規(guī)范》[7]。

1.2 校核標準

TLP總體結構強度分析的校核標準參考ABS MODU規(guī)范[7]，各工況安全系數(shù)如表1所示。

1.3 荷載施加

根據(jù)《API-RP-2T》(2010版)[6]和業(yè)界做法，TLP總體結構強度分析中需要考慮靜荷載和動荷載，其中靜荷載包括靜水壓、立管預張力、張力腿預張力、重力、偏移和沉降引起的靜水壓、風荷載，動荷載包括水動力荷載、慣性力、波浪爬升動水壓荷載等。有以下幾點需要注意。

表1 各工況安全系數(shù)表

1)為了考慮立管和張力腿的動力效應引起的TLP平臺結構荷載響應的影響，在施加立管預張力和張力腿預張力中，考慮將張力腿和立管干重的1/3作為質量考慮到結構模型中。

2)在wamit計算提供的波浪力中未考慮波浪爬升引起的波浪力，因此在結構模型中單獨考慮波浪爬升動水壓荷載，國外業(yè)界取值為：從浮箱以上到水線面的立柱波浪力的10%～14%。

3)雖然根據(jù)DNV-RP-C103 COLUMN STABILISED UNITS[8]的建議，在柱穩(wěn)性平臺的總體結構強度分析中可以忽略風力和流力，但《API-RP-2T》(2010版)[6]建議在TLP總體結構強度分析中采用1 h平均風速來考慮風荷載。

1.4 邊界條件

與其他類型的平臺不同，TLP總體結構強度分析中的邊界條件需要考慮張力腿和立管(TTR)剛度的影響，采用彈簧單元在X,Y,Z方向上模擬邊界條件，彈簧剛度采用下列公式。

Kz=EA/L

(1)

Kx=Ky=T/L

(2)

式中：Kz為軸向剛度；Kx為x方向水平剛度；Ky為y方向水平剛度；A為張力腿最小截面面積；L為張力腿長度；T為張力腿預張力；E為彈性模量。

2 TLP平臺局部結構強度分析方法

完成TLP平臺總體結構強度分析后，篩選出需要重點關注的局部結構，開展這些局部結構強度分析。局部結構強度分析采用ANSYS軟件，其模型可以從總體結構模型中獲取，也可以重新建立，但要求建立的結構模型更精細，尤其是比較關注的連接部位需要詳細建模，大梁建議采用板單元模擬。一般情況下，在ANSYS中板單元采用shell181，梁單元采用beam188，其中張力腿固定結構Tendon Porch、立柱與上部模塊連接結構Mating Post等需要采用鑄造結構Casting的部位采用solid 285實體單元。在劃分網(wǎng)格單元時，大部分網(wǎng)格可采用總體結構強度的網(wǎng)格密度，對于總體結構強度分析中應力較大的連接部位以及根據(jù)工程經(jīng)驗判斷需要關注的部位，其附近的網(wǎng)格密度為4t～8t，t為板厚。局部結構強度分析模型中的邊界遠離關注的區(qū)域，在切面上的節(jié)點X，Y，Z3個方向固定約束即可。局部結構強度分析的校核標準與總體結構強度分析相同。

3 算例

根據(jù)前述方法，采用ANSYS軟件進行某TLP平臺的結構強度分析。建立的總體結構計算模型見圖2，總體結構強度計算結果見表2。結論如下。

圖2 某TLP平臺下船體總體結構計算模型

1)船體的總體結構強度滿足規(guī)范要求；

2)平臺總體結構強度UC值大部分在0.4左右，部分在0.1左右，UC值較大部位見表2。從結果可以看出，該平臺部分構件優(yōu)化空間較大，比如立柱通道、立柱水平艙壁等。

3)該平臺的控制工況是操作工況(1年一遇)，部分位置生存工況(1 000年一遇)的UC值較大，但與操作工況相差不大，最大UC值為0.71(對應最大應力170.7 MPa)，出現(xiàn)在1年一遇工況下的Mating Post結構。

4)對比各區(qū)域UC值可知，結構應力較大的區(qū)域主要有立柱與上部模塊連接結構Mating Post、立柱與浮箱連接結構Node和張力腿固定結構Tendon Porch等，在局部結構強度分析中予以關注。

根據(jù)總體結構強度分析結果，重點針對Mating Post、Node和Tendon Porch 3個局部結構進行局部結構強度分析，這3個局部結構模型圖分別如圖3～5所示，局部結構強度分析結果分別見表3～5，從分析結果可以得到以下認識。

表2 某TLP平臺下船體總體結構強度計算結果

圖3 Mating Post局部結構模型

圖4 Node局部結構模型

圖5 Tendon Porch局部結構模型

1)Mating Post局部結構強度滿足規(guī)范要求，控制工況為1年一遇操作工況，應力較大結構為Post及Post與立柱連接的過渡肘板，最大UC值為0.78。

2)Node局部結構強度滿足規(guī)范要求，但有3處結構存在應力集中的熱點應力，分別位于肘板末端，進一步分析發(fā)現(xiàn)這3處強度超過規(guī)范要求的結構不在浮箱與立柱連接的主要傳力構件上，不會對立柱與浮箱連接局部關鍵連接位置的應力產(chǎn)生影響，只是由于這3塊肘板引起應力集中，可通過修改肘板形狀等方式予以改善。

3)Tendon Porch局部結構分析中，立柱內(nèi)部的支撐結構以及Tendon Porch與立柱連接的結構均滿足規(guī)范要求，但鑄件以及鑄件與立柱連接的大肘板上存在一些熱點應力(如圖6所示)，主要是由于連接的大肘板與鑄件連接部位產(chǎn)生應力集中，考慮通過將連接部位也采用鑄件Casting即可改善。總而言之，Tendon Porch局部結構強度薄弱位置為Casting以及Casting與立柱連接的大肘板，這是設計難點和重點，對平臺安全非常關鍵，需要在詳細設計中重點關注。另外，與其他局部結構分析工況不同，由于Tendon Porch局部結構的載荷受Tendon分析工況的影響，因此，除了所介紹的分析工況，Tendon Porch局部結構強度分析還需要考慮1根張力腿移除的相關組合工況。

圖6 Tendon Porch局部結構中鑄件和支撐的大肘板結構應力云圖

表3 Mating Post局部結構強度分析模型

表4 Node局部結構強度分析結果

表5 Tendon Porch局部結構強度分析結果

4)比較3個局部位置的結構分析結果可以看出，Tendon Porch局部結構問題最嚴重，需要進行重新設計，說明該位置的結構設計是TLP結構設計中的重點和難點。

4 結論

1)分析結果表明該TLP平臺總體結構強度滿足規(guī)范要求，控制工況主要為一年一遇操作工況，1 000年一遇生存工況對總體結構設計影響較小，Mating Post、Node和Tendon Porch是局部結構設計和強度分析的重點。

2)鑒于該TLP平臺總體結構強度分析中大部分UC值較小(0.4左右)，說明該平臺結構有優(yōu)化的空間，將UC值較小的構件適當減小尺寸，同時優(yōu)化部分肘板的弧度或尺寸，將應力集中的能量適當釋放。

3)從Tendon Porch局部結構分析結果表明，Tendon Porch結構的鑄件以及鑄件與立柱連接的大肘板存在較大的熱點應力，該位置的結構需要進行重新設計，說明該位置的結構設計是TLP結構設計中的重點和難點，建議今后加強對這一位置的研究分析。

[1] “典型深水平臺概念設計研究”課題組.張力腿平臺安裝分析[J].中國造船,2005,46(增刊):457-463.

[2] 謝彬,張愛霞,段夢蘭.中國南海深水油氣田開發(fā)工程模式及平臺選型[J].石油學報,2007,28(1):115-118.

[3] YANG Jiahui REN Michael, TLP hull structural design and analysis[J]. Engineering Sciences 2013,11(4):35-40.

[4] 姜哲,崔維成,李陽,等.張立腿平臺浮箱框架結構強度分析方法研究[J].艦船科學技術，2016(10):56-61.

[5] 梁瑜.張力腿平臺POST結構強度分析[J].船海工程，2016，45(1)：133-136.

[6] American Petroleum Institute. API-RP-2T-2010.Recommended practice for Planning, Design, and Constructing Tension Leg Platforms[S].API,2010.

[7] American Bureau of Shipping. ABS-MODU-2012. American Bureau of Shipping, “Rules for Building and Classing Mobile Offshore[S].ABS,2012.

[8] Det Norske Vertas. DNV-RP-C103. Column Stabilized Units[S].DNV,2012.

Structural Global and Local Strength Analysis of Tension Leg Platform in South China Sea

FENGJia-guo,XIEBin,WANGChun-sheng,XIEWen-hui,WANGShi-sheng

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

The experience and engineering practice of foreign industries for the global and local structure strength analysis of the TLP platform was studied. The global structural strength and local structure strength of a certain TLP was assessed. The results showed that the structural strength of the platform can meet the code requirements, but the platform structure design still has some optimization space.

tension leg platform (TLP); structural strength assessment; loading; FEM

U674.38;U661.43

A

1671-7953(2017)05-0170-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.044

2017-02-27

修回日期：2017-03-22

國家973計劃(2015CB251203)

馮加果(1985—)，男，碩士，高級工程師

研究方向：海洋工程浮式平臺