張力腿平臺(tái)鉆井設(shè)備模塊準(zhǔn)靜力分析

祖 巍 馬冬輝 李彥麗 楊肖龍

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心 天津300452）

引 言

隨著海洋石油工業(yè)向越來越深的水域的發(fā)展，傳統(tǒng)的淺海固定式平臺(tái)已經(jīng)不能適應(yīng)深水油田的開發(fā)。因此，發(fā)展適應(yīng)深水石油開發(fā)的移動(dòng)式平臺(tái)尤為重要。其中，張力腿平臺(tái)（TLP）是深水順應(yīng)式平臺(tái)的一種典型形式。張力腿平臺(tái)在20世紀(jì)80年代初獲得蓬勃發(fā)展，可看作是帶有張力系泊系統(tǒng)的半潛式平臺(tái)。張力腿平臺(tái)不僅垂蕩運(yùn)動(dòng)較?。?］，而且控制方向的張力對(duì)非控制方向的運(yùn)動(dòng)具有牽制作用，所以漂移搖擺的幅度也比一般半潛式平臺(tái)小，具有波浪中運(yùn)動(dòng)性能好、抵抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成為海洋工業(yè)深水采油平臺(tái)的主要形式。［2］由于張力腿平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來的新問題和新挑戰(zhàn)是研究的主要難點(diǎn)之一，目前我國也在積極自主研發(fā)深水張力腿平臺(tái)。

對(duì)于淺水固定式平臺(tái)上的鉆井設(shè)備模塊，大多采用靜力分析，對(duì)于張力腿平臺(tái)上的鉆井設(shè)備模塊，必須考慮平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的影響。本文使用有限元分析軟件SEASAM分析張力腿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到各個(gè)波浪頻率和不同浪向下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值（RAO）、極值加速度等水動(dòng)力參數(shù)；并在此基礎(chǔ)上，使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)TLP平臺(tái)的上部鉆井設(shè)備模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜力分析。

1 張力腿平臺(tái)極值加速度計(jì)算

張力腿平臺(tái)水動(dòng)力主要采用DNV開發(fā)的計(jì)算軟件SESAM來進(jìn)行計(jì)算，其中以使用GeniE模塊和HydroD模塊為主。GeniE模塊主要用于建立TLP的幾何模型以及進(jìn)行濕表面網(wǎng)格的劃分。HydroD模塊主要將GeniE建立的有限元模型作為輸入，建立TLP水動(dòng)力計(jì)算模型，定義TLP質(zhì)量模型，并采用Wadam模塊對(duì)船體以及海洋結(jié)構(gòu)物的波浪載荷、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析計(jì)算，［3］采用Postresp模塊對(duì)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理；從而得到張力腿平臺(tái)在不同工況下的極值加速度，并作為下一步對(duì)張力腿平臺(tái)上的鉆井設(shè)備模塊進(jìn)行準(zhǔn)靜力分析的輸入。

1.1 張力腿平臺(tái)模型

TLP平臺(tái)的船體結(jié)構(gòu)建成濕表面模型，采用Panel單元模擬，根據(jù)單位勢(shì)流理論計(jì)算波浪力；張力腿筋鍵和立管采用Morison單元模擬［4］，根據(jù)莫里森方程計(jì)算波浪力。考慮正常作業(yè)工況，不可預(yù)期作業(yè)工況和可預(yù)期極端工況三種不同的工況。各工況下平臺(tái)的船體濕表面模型、張力腿筋鍵的水動(dòng)力模型如圖1所示。

圖1 張力腿平臺(tái)水動(dòng)力模型

1.2 張力腿平臺(tái)的極值加速度

HydroD基于三維勢(shì)流理論［5］可計(jì)算得到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值RAO。結(jié)合TLP平臺(tái)RAO計(jì)算結(jié)果，可計(jì)算平臺(tái)的極值加速度，這就需要計(jì)算平臺(tái)的加速度傳遞函數(shù)，且將六個(gè)自由度方向的加速度轉(zhuǎn)化為X、Y、Z三個(gè)自由度方向的線性加速度，轉(zhuǎn)化公式（僅以Z方向自由度為例）見式（1）：

根據(jù)上述轉(zhuǎn)化公式，可得平臺(tái)三個(gè)方向的加速度傳遞函數(shù)。

TLP平臺(tái)的極值加速度采用譜方法計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得到的加速度傳遞函數(shù)， 輸入波浪譜，可計(jì)算各波浪入射角度的加速度響應(yīng)譜［6］。根據(jù)加速度響應(yīng)譜模擬3個(gè)小時(shí)的短期海況，取最大值，則為加速度極值。

各工況下TLP平臺(tái)重心位置極值加速度如表1所示。鑒于平臺(tái)及其上部鉆井設(shè)備模塊等結(jié)構(gòu)是共同發(fā)生運(yùn)動(dòng)的，極值加速度將作為下一步準(zhǔn)靜力分析的輸入數(shù)據(jù)，并以慣性載荷的形式施加于上部結(jié)構(gòu)。

表1 TLP平臺(tái)極值加速度m / s2

2 鉆井設(shè)備模塊準(zhǔn)靜力分析有限元模型

2.1 有限元模型

鉆井設(shè)備模塊包括井架、鉆井甲板和下底座。鉆井甲板有一層甲板和在甲板上縱橫分布的4根主梁。4根主梁相互交叉之處，是邊長(zhǎng)9.144 m的正方形。正方形區(qū)域內(nèi)2根主梁支撐著轉(zhuǎn)盤，另2根主梁支撐轉(zhuǎn)盤大梁。正方形區(qū)域外的懸臂梁支撐著鉆井甲板上其他主要部位。井架結(jié)構(gòu)直接坐落在正方形的四角上。鉆井甲板的大部分區(qū)域都是加筋板組成。鉆井甲板上的主梁還直接支撐西側(cè)的貓道和東側(cè)的測(cè)井平臺(tái)。下底座由上至下有四層平面，依次為東西向滑道、中層甲板、下層甲板和BOP甲板。

在ANSYS中使用Beam188單元建立主梁和其他骨材［7］，其中T型鋼屈服強(qiáng)度為345 MPa，工字型鋼結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度為355 MPa。使用shell 63單元建立所有的板結(jié)構(gòu)，其屈服強(qiáng)度為355 MPa。鉆井設(shè)備模塊上的所有設(shè)備采用MASS 21單元進(jìn)行模擬。所有單元彈性模量E= 2.06e5 MPa，泊松比μ=0.3，密度為ρ=7.85 kg/m3。鉆井設(shè)備模塊邊界處連接主甲板強(qiáng)構(gòu)件，此處剛度較大，發(fā)生的位移與整體鉆井設(shè)備模塊相比可以忽略不計(jì)，因此邊界條件取作對(duì)4根主立柱施加鉸支約束。鉆井設(shè)備模塊有限元模型如圖2所示。

圖2 鉆井設(shè)備模塊有限元模型

2.2 結(jié)構(gòu)加載

鉆井設(shè)備模塊外載分為重力載荷和環(huán)境載荷兩大類。

重力載荷包括靜載荷和活載荷。靜載荷指結(jié)構(gòu)質(zhì)量和設(shè)備干重，其中主要設(shè)備包括絞車、鎖緊裝置、管道閥門、拖鏈等?；钶d荷指大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤載荷、立根載荷、液體載荷和甲板可變載荷等。鉆井設(shè)備模塊重力載荷約重2 111 t。結(jié)構(gòu)鋼材自重是通過定義結(jié)構(gòu)幾何尺寸和鋼材密度由程序自行計(jì)算，定義結(jié)構(gòu)長(zhǎng)、寬、高以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和材料密度。設(shè)備質(zhì)量模擬成“MASS21”單元［8］。設(shè)備質(zhì)量的模擬基于設(shè)備的長(zhǎng)、寬、高和設(shè)備的重心位置，立根載荷的施加與設(shè)備質(zhì)量模擬方式類似，并按照布置圖施加到結(jié)構(gòu)上的不同位置。

環(huán)境載荷包括慣性載荷和風(fēng)載荷。

慣性載荷由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起（如表1所示），慣性載荷以加速度的形式施加于鉆井設(shè)備模塊。

風(fēng)載荷參數(shù)見表2。

表2 風(fēng)載荷參數(shù)m/s

風(fēng)載荷的計(jì)算一般基于風(fēng)壓和受風(fēng)面積。為便于分析，文中僅考慮受風(fēng)面積。風(fēng)載荷根據(jù)API 4F 8.3章節(jié)中的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。［9］按照45°的增幅計(jì)算0°～ 360°范圍內(nèi)8個(gè)方向的風(fēng)載荷，因?yàn)殂@井設(shè)備模塊是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故其他方向的風(fēng)載荷均可通過0°和90°方向風(fēng)載荷計(jì)算求得。計(jì)算求得鉆井設(shè)備模塊受到的風(fēng)載荷結(jié)果如表3所示。風(fēng)載荷以節(jié)點(diǎn)集中力的形式施加至模型受風(fēng)面的所有節(jié)點(diǎn)。

表3 風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果

3 鉆井設(shè)備模塊準(zhǔn)靜力分析

TLP平臺(tái)鉆井設(shè)備模塊鉆井甲板以上部分可根據(jù)平臺(tái)作業(yè)時(shí)鉆探井位的不同而作相應(yīng)移動(dòng)，因此準(zhǔn)靜力分析共對(duì)三種不同的模型進(jìn)行，這三種模型分別對(duì)應(yīng)東井位、中井位和西井位。對(duì)每一種井位，又分為五種工況、即正常作業(yè)工況（存在大鉤載荷）、正常作業(yè)工況（存在轉(zhuǎn)盤載荷）、不可預(yù)期作業(yè)工況、可預(yù)期極端工況（考慮液體載荷）和可預(yù)期極端工況（不考慮液體載荷）。不同工況的環(huán)境載荷及鉆井設(shè)備模塊上運(yùn)行的設(shè)備有所區(qū)別。對(duì)每一種工況，還需考慮風(fēng)載荷和波浪載荷（已通過水動(dòng)力分析轉(zhuǎn)化為慣性載荷）從不同方向作用于鉆井設(shè)備模塊上，共考慮0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共八種不同的入射角度。

綜上所述，對(duì)鉆井設(shè)備模塊共進(jìn)行120種情形下的準(zhǔn)靜力分析。為詳細(xì)描述分析結(jié)果，將整體結(jié)構(gòu)分為鉆井甲板、中層甲板和下層甲板；分別提取120個(gè)工況下各層甲板板的最大等效應(yīng)力，將鉆井設(shè)備模塊分為鉆井甲板、中層甲板、下層甲板和下底座等部分，分別提取120個(gè)工況下各部分的最大位移值。僅以其中一個(gè)工況為例描述鉆井設(shè)備模塊應(yīng)力和變形。

3.1 鉆井設(shè)備模塊板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

鉆井設(shè)備模塊等效應(yīng)力云圖參見下頁圖3。由圖3可知，下層甲板等效應(yīng)力最大，鉆井甲板次之，中層甲板最小。對(duì)比最大應(yīng)力的發(fā)生位置可知，鉆井甲板最大等效應(yīng)力發(fā)生在放置絞車的位置。絞車質(zhì)量較大，對(duì)鉆井甲板應(yīng)力分布影響較大。中層甲板等效應(yīng)力較大位置主要集中于與立柱和斜撐相連的區(qū)域，這部分結(jié)果主要是由于存在應(yīng)力集中現(xiàn)象所造成的；其次，發(fā)生在振動(dòng)篩與BOP控制單元布置的區(qū)域。除此之外，中層甲板板單元等效應(yīng)力相對(duì)較小。下層甲板的最大應(yīng)力發(fā)生在板的邊緣位置與支撐骨材相連的區(qū)域，這也是由應(yīng)力集中造成的。

考慮到應(yīng)力計(jì)算結(jié)果較大位置主要為應(yīng)力集中處，而有限元模型中對(duì)這些結(jié)構(gòu)局部細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因此結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)低于計(jì)算值，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)實(shí)際強(qiáng)度儲(chǔ)備更大一些。中層甲板可考慮適度優(yōu)化，減少用鋼。

圖3 鉆井設(shè)備模塊甲板等效應(yīng)力云圖

3.2 鉆井設(shè)備模塊梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在對(duì)鉆井設(shè)備模塊進(jìn)行準(zhǔn)靜力分析時(shí)，按照構(gòu)件截面的不同，將梁?jiǎn)卧乃袠?gòu)件分為24組，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。分析24組構(gòu)件計(jì)算結(jié)果可知，編號(hào)為T5、T5C和CO2組骨材等效應(yīng)力較大，安全裕量相對(duì)較小。

T5組骨材位于鉆井甲板上，截面形式為T型，型號(hào)為T 250×580×20×10。梁截面較小，最大等效應(yīng)力為257.22 MPa（許用應(yīng)力為276 MPa），發(fā)生位置如圖4所示。該構(gòu)件長(zhǎng)度約9 m，由于跨距大，因而其等效應(yīng)力也相對(duì)較大。

T5C組骨材位于中層甲板上，截面形式為T型，型號(hào)為T 200×494×16×10。梁截面較小，最大應(yīng)力為221.82 MPa（許用應(yīng)力為276 MPa），發(fā)生位置如圖4所示，該位置設(shè)有振動(dòng)篩。

CO2組骨材位于中層甲板和下層甲板之間，起到支撐中層甲板的作用，其截面形式為圓管，尺寸為323.9 mm×12.5 mm，最大應(yīng)力為206.83 MPa（許用應(yīng)力為232 MPa），最大應(yīng)力發(fā)生位置見圖4。

圖4 鉆井設(shè)備模塊受力較大梁結(jié)構(gòu)

位于鉆井甲板上的T5骨材，其最大等效應(yīng)力多發(fā)生于正常作業(yè)工況，這是因?yàn)樵谡Ｗ鳂I(yè)工況下，鉆井甲板上立根、可變載荷、液體載荷等較大。位于中層甲板T5C和下底座CO2骨材的最大等效應(yīng)力多發(fā)生在可預(yù)期極端工況下，其原因是環(huán)境載荷對(duì)骨材的應(yīng)力產(chǎn)生較大影響。

對(duì)于這些局部受力較大的構(gòu)件，可以適當(dāng)考慮使用截面更大的型材，或者增加構(gòu)件數(shù)量、減小部分構(gòu)件的跨距，使結(jié)構(gòu)更為安全。

3.3 鉆井設(shè)備模塊變形分析

鉆井設(shè)備模塊變形云圖參見下頁圖5 -圖6。質(zhì)量載荷對(duì)甲板位移影響較大。鉆井甲板平面Z向最大位移為2.39 cm，發(fā)生在絞車下部，這是由于絞車質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)位移產(chǎn)生了較大影響。中層甲板和下層甲板最大位移發(fā)生在跨距最長(zhǎng)的主要構(gòu)件處。中層甲板Z向最大位移為2.55 cm，下層甲板Z向最大位移為3.16 cm。由于受到風(fēng)載荷的影響，下底座X方向最大位移為2.76 cm，發(fā)生在東側(cè)和西側(cè)的橫撐上，下底座Y方向最大位移為2.51 cm，發(fā)生在南側(cè)和北側(cè)的斜撐上。由于受BOP架上設(shè)備質(zhì)量影響，下底座Z向最大位移為1.56 cm，發(fā)生在BOP架附近跨距最長(zhǎng)的構(gòu)件上。

圖5 鉆井設(shè)備模塊變形云圖

圖6 下底座框架位移云圖

4 結(jié) 論

筆者基于某深海張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)，以慣性力的形式考慮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析產(chǎn)生的影響，并對(duì)鉆井設(shè)備模塊進(jìn)行準(zhǔn)靜力分析，既避免了動(dòng)力分析的巨大計(jì)算量，也使靜力分析獲得更接近現(xiàn)實(shí)的分析結(jié)果。本文分析計(jì)算結(jié)果可為類似張力腿平臺(tái)的移動(dòng)式平臺(tái)上部設(shè)備結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析提供一定的研究思路和技術(shù)支持。

［參考文獻(xiàn)］

［1］AHM AD S K， AHMAD S. Active control of non-line-arly coupled TLP response under wind and wave environments［J］. Computers and Structures， 1994， 72 ：735-747.

［2］張智，董艷秋. 1990 年后世界 TLP 平臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r［J］.中國海洋平臺(tái)， 2004（2）：5-11.

［3］渠基順， 管義鋒， 盧燕祥. 基于 SESAM的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析［J］. 江蘇船舶， 2013（1）： 1- 5.

［4］“典型深水平臺(tái)概念設(shè)計(jì)研究”課題組.張力腿平臺(tái)水動(dòng)力響應(yīng)分析 ［J］.中國造船， 2005（s1）：477-489.

［5］NEWMANN J N.船舶流體動(dòng)力學(xué)［M］.周樹國譯. 北京：人民交通出版社，1986.

［6］CHATTERJEE P C， DAS P K. A hydro-structural analysis program for TLP ［J］. Ocean Engineering，1997（4）：313.

［7］楊樹耕，藤明清，孟昭瑛，等. 有限元分析軟件ANSYS在海洋工程中的應(yīng)用（續(xù)1） 第二講采用ANSYS程序的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元分析［J］. 中國海洋平臺(tái)，2000（5）：42-48.

［8］楊樹耕，孟昭瑛，任貴永. 有限元分析軟件ANSYS在海洋工程中的應(yīng)用［J］. 中國海洋平臺(tái)，2000（2）：41-44.

［9］API. Specification for Drilling and Well Servicing Structure［S］. Forth Edition，2013.