張力腿平臺總強度分析關(guān)鍵技術(shù)研究

王一江 夏侯命勝 羅東紅 楊東亞 楊 玥 沈玉琦

（1.中海石油深海開發(fā)有限公司 珠海518000；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240）

引 言

張力腿平臺是一種半順應(yīng)式半剛性平臺［1］，主要由平臺上體、立柱、浮箱、張力腿和錨固基礎(chǔ)這五部分組成。由于該類平臺不僅垂蕩運動較小，而且控制方向的張力對非控制方向的運動具有牽制作用，所以漂移搖擺的幅度也比一般半潛式平臺小，在波浪中具有較好的運動性能，很好地解決了傳統(tǒng)移動式平臺運動性能和定位難以滿足深水作業(yè)需求的問題，還具有造價低，干濕采油樹均可布置等優(yōu)點，被越來越廣泛地應(yīng)用于深海油氣開發(fā)領(lǐng)域［2-3］。

張力腿平臺主要承受復(fù)雜多變的風(fēng)、浪、流載荷以及浮體、立管和張力腿系統(tǒng)的動力載荷。為滿足功能與安全性要求，需要對張力腿平臺進行結(jié)構(gòu)強度研究，主要包含總強度分析和局部強度分析（關(guān)鍵連接部位）兩部分。本文根據(jù)API、ABS和DNV等設(shè)計規(guī)范，針對某張力腿平臺在LIUHUA邊際油田海域環(huán)境條件下，進行張力腿平臺總強度計算分析和研究；并根據(jù)張力腿平臺獨有的結(jié)構(gòu)及功能特點，深入探討其總強度分析工況及載荷，基于波陡理論的隨機海況波浪條件下設(shè)計波的確定，計算不同階段張力筋腱的模擬和各計算工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的選取。本文旨在研究張力腿平臺結(jié)構(gòu)的承載能力及載荷傳遞路徑，為類似平臺設(shè)計提供參考。

1 平臺總體結(jié)構(gòu)型式特點

張力腿平臺主體結(jié)構(gòu)主要由浮箱、立柱和上部組塊（或上部模塊主框架）結(jié)構(gòu)三個部分組成，各個部分自成一體又相互連接，以抵抗不同設(shè)計狀態(tài)下的自重、功能載荷以及環(huán)境載荷，其整體示意圖如圖1所示。由于張力腿平臺的構(gòu)造特點，其主要承載構(gòu)件間的連接必然存在形狀突變，易產(chǎn)生應(yīng)力集中及疲勞問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須針對該類結(jié)構(gòu)進行重點分析。因此，上述總強度載荷傳遞路徑上的結(jié)構(gòu)合理設(shè)計是平臺結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵保證，需嚴格按照船級社規(guī)范要求，充分考慮設(shè)計參數(shù)敏感性的載荷直接預(yù)報以及有限元分析的校核和驗證。

圖1 張力腿平臺（TLP）總體示意圖

2 分析工況及載荷

張力腿平臺與單體式的船形浮體不同，總強度分析存在擠壓、分離力、剪切、扭矩、彎曲和慣性加速度等多個主控載荷模式［4］，通過浮箱、立柱與上部組塊（或上部模塊主框架）間保持連續(xù)關(guān)系的主要承載構(gòu)件，將上部組塊的各種功能載荷、水線以下結(jié)構(gòu)承受的波浪載荷及張力筋腱載荷等順利傳遞、擴散至整個平臺。其總強度分析一般包括一年一遇作業(yè)工況、百年一遇極限工況以及千年一遇自存工況。各工況載荷均按照最不利的方向進行組合，如表1所示。

表1 鉆臺設(shè)計載荷及工況組合

環(huán)境載荷方向及坐標系定義見圖2所示。其中，淹沒力（Inundation load） 是指靜水線面以上的波浪壓力，主要反映了非線性波浪爬升的影響［5］。該載荷可通過CFD方法進行精確計算，但相對其他載荷，除對水線處局部構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果產(chǎn)生影響外，對平臺總強度影響較小。因此，工程上單根立柱上的淹沒力大小一般取該立柱總的波浪壓力的10%，并以節(jié)點力的形式施加于立柱水線面位置。

圖2 環(huán)境載荷方向及坐標系定義示意圖

3 張力筋腱的模擬

雖然張力腿平臺主體結(jié)構(gòu)與一般半潛平臺結(jié)構(gòu)類似，但是在張力筋腱的高預(yù)張力作用下，不僅影響了平臺的運動響應(yīng)［6］，還導(dǎo)致平臺受力模式及計算力學(xué)模型模擬方法（尤其是考慮張力筋腱作用下的邊界條件）與其他半潛平臺有較大區(qū)別。為合理模擬張力筋腱對平臺的約束及載荷作用，本文在張力腿平臺水動力計算模型中，通過選取Morison模型中的Tendon單元模擬張力筋腱，以便在水動力求解時模擬其預(yù)張力及剛度；同時通過水動力求解，得到張力筋腱上各向張力的傳遞函數(shù)，用于目標設(shè)計波的確定以及進一步張力筋腱抱緊器基座結(jié)構(gòu)強度分析。在總強度計算模型中，通過張力筋腱模型與結(jié)構(gòu)模型合并處理方法，將張力筋腱的張力載荷通過Tendon單元傳遞至張力筋腱基座，從而更準確反映平臺受力傳遞途徑。同時，為更加準確模擬張力筋腱對平臺的約束作用，一般在張力筋腱基座處施加x、y、z三個方向的彈性約束（如圖3所示）。

圖3 張力腿平臺總強度計算邊界條件示意圖

水動力計算中得到的張力筋腱動態(tài)張力也可以通過該彈性單元傳遞。彈性單元三個方向剛度計算如下［5］：

軸向剛度：Kz= EA/L= 7.651E+04 （N/m）；

水平剛度：Kx=Ky=T/L= 53.049 （N/m）；式中：A為張力筋腱最小剖面面積（張力筋腱截面示意圖見圖4）；L為張力筋腱長度；T為張力筋腱預(yù)張力。

圖4 張力筋腱截面示意圖

4 腐蝕余量及安全系數(shù)的選取

張力腿平臺總強度分析另一關(guān)鍵因素是腐蝕余量及安全系數(shù)的選取。其中，各船級社對于腐蝕余量的規(guī)定對比［5-9］如表2所示。實際工程計算時，考慮到平臺結(jié)構(gòu)質(zhì)量對平臺總體性能的影響敏感，且對于整個平臺的防腐系統(tǒng)的設(shè)計一般能對平臺整個生產(chǎn)運營周期進行保護，因此在進行總強度計算分析時（結(jié)構(gòu)疲勞分析除外）可以不考慮腐蝕余量。

表2 各船級社規(guī)范關(guān)于腐蝕余量的規(guī)定

強度校核許用應(yīng)力的確定，關(guān)鍵在于各工況下安全系數(shù)的選取。由于本目標平臺為生產(chǎn)平臺，相對于作業(yè)周期較短的鉆井平臺（如“981半潛式鉆井平臺”），不僅計算工況更細（增加“千年一遇”海況）且衡準更高（見表3）。本文應(yīng)力衡準主要采用《美國海上浮式生產(chǎn)裝置入級與建造規(guī)范》（ABS FPI），該規(guī)范中對平臺構(gòu)件（GR345B鋼，F(xiàn)y= 345 MPa） 的許用相當應(yīng)力安全系數(shù)規(guī)定參見表3。［4］屈曲強度安全系數(shù)參見表4。

表3 各海況下的屈服許用應(yīng)力及相應(yīng)安全系數(shù)（ABS FPI）

表4 各海況下的屈曲強度安全系數(shù)

5 平臺總強度控制工況研究

為研究張力腿平臺總強度控制工況及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，本文研究的目標平臺主體由四邊形桁架式平臺上部組塊、4個圓形立柱和方形浮箱組成的下浮體構(gòu)成，其主要參數(shù)如下：

5.1 平臺設(shè)計波的確定

水動力模型包括濕表面模型、質(zhì)量模型和張力筋腱Morison模型，參見圖5。

圖5 平臺水動力模型

其中濕表面模型單元采用三角形單元和四邊形單元，通過三維繞射理論計算平臺典型剖面載荷，獲得各工況下載荷分量的傳遞函數(shù)，最后根據(jù)波浪散布圖和波浪譜完成典型剖面載荷的短期及長期預(yù)報，確定目標平臺設(shè)計波。在設(shè)置水動力相關(guān)參數(shù)時，由于張力腿平臺各剖面載荷分量的波浪周期敏感區(qū)域約為3～20 s，故選取周期3～50 s，步長取1.0 s（其中10～20 s的步長取0.5 s），選取中國南海一年一遇、百年一遇和千年一遇的海況條件進行設(shè)計分析。波浪載荷長期預(yù)報時選用的波浪散布圖為中國南海夏季波浪散布圖，波浪譜為JONSWAP譜。各海況波浪譜參數(shù)如圖6 -圖8所示。

圖6 一年一遇波浪譜

圖7 百年一遇波浪譜

圖8 千年一遇波浪譜

為確定強度計算最危險海況，提高計算精度，本文在波浪載荷預(yù)報分析時，對平臺的目標波浪載荷進行基于波陡理論的隨機海況波浪條件下的周期敏感性分析。首先根據(jù)南海海況資料的“千年一遇”海況，在4～20 s周期下進行目標載荷周期敏感性分析，結(jié)合波陡限制找到目標載荷響應(yīng)最危險的短期海況周期和最危險的目標載荷。在此基礎(chǔ)上確定平臺設(shè)計波參數(shù)的，其中千年一遇自存工況下的設(shè)計波參數(shù)參見下頁表5，典型波浪載荷響應(yīng)傳遞函數(shù)參見下頁圖9 -圖16。

表5 平臺千年一遇自存工況設(shè)計波參數(shù)

圖9 LC1-平臺縱向分離力傳遞函數(shù)

圖10 LC2-平臺垂向剪力傳遞函數(shù)

圖11 LC3-浮箱扭矩傳遞函數(shù)

圖12 LC4-浮箱彎矩傳遞函數(shù)

圖13 LC5-平臺彎矩傳遞函數(shù)

圖14 LC6-平臺水平剪力傳遞函數(shù)

圖15 LC7-平臺加速度傳遞函數(shù)

圖16 LC8-平臺對角線分離力傳遞函數(shù)

5.2 平臺總強度模型

張力腿平臺相對半潛平臺上部組塊一般為桁架式結(jié)構(gòu)，且與下浮體連接為嵌入式，該型式與滑動式（如FPSO的Topside滑動支墩）的主要區(qū)別在于上部組塊結(jié)構(gòu)本身參與平臺的總強度。為準確地反映上部組塊在平臺總強度計算時的剛度及載荷傳遞作用，本文采用梁單元對該結(jié)構(gòu)進行實際尺寸模擬，在Sesam相關(guān)結(jié)構(gòu)分析模塊中建立的平臺有限元模型可參見圖17。平臺下浮體結(jié)構(gòu)甲板、艙壁等主要構(gòu)件以四節(jié)點或三節(jié)點板單元模擬，網(wǎng)格大小約0.6 m，部分關(guān)鍵連接區(qū)域處局部網(wǎng)格適當加密。另外，為獲得相對精確的應(yīng)力分布，總模型中也包含張力筋腱抱緊器基座（Tendon Porch）以及立柱與上部組塊的對接短柱（Mating Post）等局部結(jié)構(gòu)的建模。

圖 17 總強度計算有限元模型及板厚示意圖

5.3 總強度控制工況分析

通過計算，目標平臺主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果參見表6，平臺下浮體外圍壁及內(nèi)艙壁應(yīng)力分布參見圖18 -圖19。

表6 目標平臺各海況下的屈服強度校核結(jié)果MPa

圖18 下浮體外圍壁應(yīng)力分布云圖

圖 19 下浮體內(nèi)艙壁應(yīng)力分布云圖

通過上述結(jié)果可知，從“一年一遇”到“千年一遇”，平臺整體應(yīng)力水平隨所受波浪載荷變大而逐步增加。高應(yīng)力區(qū)位于立柱外板張力筋腱抱緊器基座區(qū)域，主要由張力筋腱載荷引起；而浮箱與立柱連接肘板以及立柱與上部組塊的對接立柱處，則主要因波浪載荷作用下船體變形所致。

下浮體（包括立柱及浮箱）外圍壁結(jié)構(gòu)的控制工況為千年一遇自存工況，而其內(nèi)艙壁及平臺構(gòu)件的控制工況為一年一遇作業(yè)工況（與其他作業(yè)海況相比，在應(yīng)力水平相當?shù)那闆r下，其安全系數(shù)較高導(dǎo)致）?？刂戚d荷工況主要是LC3-浮箱最大扭矩及LC8-平臺最大對角線分離力。

由于本平臺立柱為圓柱形，浮箱為方形，因此本平臺屈曲校核分為平板屈曲和曲面板屈曲強度校核，其中曲面板屈曲強度校核結(jié)果參見表7。

表7 目標平臺各海況下的曲面板屈曲強度校核結(jié)果

6 結(jié) 論

由于張力筋腱系統(tǒng)的作用，使張力腿平臺總強度計算分析相對于常規(guī)半潛平臺有所區(qū)別，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中對結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計載荷、總強度以及疲勞分析都提出更高要求。通過本文研究得出以下結(jié)論：

（1）張力筋腱的模擬，是張力腿平臺總強度分析的關(guān)鍵。在水動力分析時應(yīng)通過選取Morison模型中的Tendon單元模擬張力筋腱，以便在水動力求解時模擬其預(yù)張力及剛度，同時求解出各工況最終的張力載荷?？倧姸扔嬎銜r應(yīng)注意采取合理的方法將張力筋腱的張力載荷映射到結(jié)構(gòu)模型中，并通過設(shè)置合理的彈性剛度模擬張力筋腱對平臺的約束作用。

（2）載荷傳遞路徑，從強度計算應(yīng)力分布不難發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)力區(qū)主要發(fā)生在浮箱與立柱連接肘板，張力筋腱抱緊器基座（Tendon Porch）及立柱與上部組塊的對接短柱（Mating Post）區(qū)域，因此不難判斷張力腿平臺主要載荷是波浪載荷、張力筋腱載荷及上部組塊重力及功能載荷。這些主要載荷通過以上關(guān)鍵區(qū)域在桁架式上部組塊，4個圓形立柱和方形浮箱間進行相互傳遞，且主要承載構(gòu)件為立柱與浮箱的外圍壁及相交內(nèi)艙壁，因此在設(shè)計相關(guān)構(gòu)件時應(yīng)給予重點關(guān)注。

（3）總強度控制工況，雖然平臺整體應(yīng)力水平從“一年一遇”到“千年一遇”，隨著所受波浪載荷變大而逐漸增加，但是綜合考慮各工況安全系數(shù)后，發(fā)現(xiàn)下浮體（包括立柱及浮箱）外圍壁結(jié)構(gòu)的控制工況為“千年一遇”自存工況，而其內(nèi)艙壁及平臺構(gòu)件的控制工況為“一年一遇”作業(yè)工況。因此，在進行類似平臺設(shè)計時，在考慮極端工況下主要構(gòu)件強度的同時，對正常作業(yè)工況下的內(nèi)艙壁相關(guān)構(gòu)件同樣應(yīng)給予足夠重視。

［參考文獻］

［1］谷家揚. 張力腿平臺復(fù)雜動力響應(yīng)及渦激特性研究［D］. 上海：上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2013.

［2］Subrata Chakrabarti. Handbook of Offshore Engineering［S］. Elsevier，2005 ：501-536.

［3］董艷秋，胡志敏，馬馳. 深水張力腿平臺的結(jié)構(gòu)形式［J］.中國海洋平臺， 2000（1）：1-5.

［4］ABS. Rules for Building and Classing Floating Production Installations ［S］. 2014.

［5］中國船級社.張力腿平臺入級指南［S］. 2016.

［6］GADAGI M M，BENAROYA H. Dynamic Response of an Axially Loaded Tendon of a Tension Leg Platform［J］.Journal of Sound and Vibration，2006（1，2）：38-58.

［7］API. Planning，Designing，and Construting Tension Leg Platforms［S］. 2014.

［8］DNV. Offshore Standard DNV-OS-C105 Structural Design of Tlps［S］. 2005.

［9］BV. Rules for the Classification of Tension Leg Platforms（TLP）［S］. 2012.