超深水鉆井船月池艙段結(jié)構(gòu)總體強度分析

(中遠海運重工有限公司， 遼寧 大連 116600)

0 引 言

隨著海洋鉆井和開發(fā)技術(shù)的不斷進步，探明程度還很低的深水海域?qū)⑹俏磥碛蜌忾_發(fā)新的增長點。與半潛式鉆井平臺相比，鉆井船在超深水作業(yè)海域和更深鉆井深度方面擁有較明顯的優(yōu)勢，除了甲板面積和可變載荷大、儲油能力強的特點外，還附帶一定的試采和處理功能，可以在鉆完勘探井后直接對油田進行精確分析，在為采油公司提供有力資料的同時縮短工期并節(jié)約運營成本。因此，研發(fā)設(shè)計新一代兼具試采、儲存和處理能力的超深水鉆井船，具有很強的市場競爭力，有利于占領(lǐng)新一代海洋工程裝備市場先機，符合《中國制造2025》發(fā)展新興高端裝備制造業(yè)戰(zhàn)略[1-4]。

月池艙段甲板安裝鉆臺和鉆井模塊，下部敞開與海水貫通，沉重的甲板載荷和大開口結(jié)構(gòu)對整船總縱強度和局部強度都有惡劣影響[5-6]。因此，保證月池區(qū)域結(jié)構(gòu)的安全性是整船實現(xiàn)作業(yè)功能的基本保障和關(guān)鍵所在。

利用美國船級社軟件Drillship 2.0對某新型鉆井船的工字型月池區(qū)域結(jié)構(gòu)進行強度計算，分析結(jié)果并進行相應(yīng)的優(yōu)化和改進。

1 船型參數(shù)與有限元模型

1.1 船型參數(shù)

新一代超深水鉆井船具有雙井架和雙防噴器，DPS 3動力定位功能，最大鉆井深度為15 500 m，最大作業(yè)水深為3 660 m，可以在中國南海、北非等多海域作業(yè)，兼具試采、儲存和處理能力。主尺度參數(shù)如表1所示。為保證鉆井船整體緊湊性和降低重心，便于雙防噴器和采油樹的布置和作業(yè)，月池甲板采用工字型開孔。鉆井模塊支撐結(jié)構(gòu)位置如圖1所示。

表1 超深水鉆井船主尺度參數(shù)

圖1 月池艙段甲板布置圖

1.2 有限元模型的簡化模擬

工字型月池大開孔幾乎跨越整個艙段，鉆井模塊的質(zhì)量大而且重心高，3個艙段模型包含整個月池艙段、與之相鄰的泥漿艙段和隔水管艙段，以及艏艉艙段端部的橫艙壁結(jié)構(gòu)，模型范圍如圖2所示，其中整個鉆井模塊支撐結(jié)構(gòu)位于月池區(qū)域正上方。Drillship 2.0 整合Femap作為其前后處理軟件，Nastran作為求解器。使用Femap軟件進行結(jié)構(gòu)有限元建模，建模過程應(yīng)遵循以下原則：

(1) 構(gòu)件的厚度為扣除腐蝕裕量后的凈厚度。若板厚采取構(gòu)件的建造厚度，則在后處理過程中，需要對應(yīng)力進行線性轉(zhuǎn)換[7]。Drillship 2.0軟件同時支持兩種板厚的模型進行總體強度計算，所以應(yīng)用建造厚度進行建模。

(2) 板單元邊長比不能超過3，對于高應(yīng)力區(qū)，板單元邊長比應(yīng)接近1。

圖2 月池艙段有限元模型

(3) 坐標系：x軸為沿船長方向，艏向為正；y軸為沿垂直方向，向上為正;z軸為沿船寬方向，右舷為正。

月池區(qū)域結(jié)構(gòu)均使用高強鋼，最小屈服強度為3 600 kg/cm2(約355 MPa)。3個艙段有限元模型如圖2所示。模型端部施加剛體位移約束，由模型艉向端面關(guān)聯(lián)縱向構(gòu)件x方向線位移約束、兩個端面橫向構(gòu)件的z方向彈簧約束和兩個端面垂向構(gòu)件的y方向彈簧約束構(gòu)成。調(diào)節(jié)彎矩分別施加在兩個端面的關(guān)聯(lián)縱向構(gòu)件上[8]。

2 載荷與工況

2.1 載荷

結(jié)合載荷的作用對象和相對位置，將載荷分為3類：內(nèi)部載荷、外部載荷和船體梁載荷。其中，船體梁載荷包含垂向總剪力和總彎矩(波浪和靜水)、水平波浪剪力和波浪彎矩，根據(jù)以下公式得到：

Mv-total=Msw+kukcβVBMMwv

(1)

Fv-total=Fsw+kukcβVSFFwv

(2)

MHE=kukcβHBMMH

(3)

FHE=kukcβHSFFH

(4)

式(1)～式(4)中：Mv-total、MHE、Fv-total、FHE分別為垂向總彎矩、水平彎矩、垂向總剪力和水平剪力；Mwv、Msw分別為垂向波浪彎矩和靜水彎矩；Fwv、Fsw分別為垂向波浪剪力和靜水剪力；MH、FH分別為水平波浪彎矩和剪力；ku=1為載荷因數(shù)；kc為不同組合工況中船體梁載荷的修正因數(shù)[8]；βVBM、βVSF、βHBM、βHSF分別為作業(yè)海域相對于北大西洋海域關(guān)于垂向波浪彎矩、垂向波浪剪力、水平波浪彎矩和水平波浪剪力的環(huán)境烈度因子[9]。 其中，Msw、Fsw取自裝載手冊，考慮到鉆井船設(shè)備數(shù)量和種類繁多、質(zhì)量控制復(fù)雜等因素，增加一定裕量。

在Drillship 2.0軟件中，使用SEAS模塊指定鉆井船作業(yè)海域的波浪環(huán)境，通過相應(yīng)的環(huán)境烈度因子計算船體運動的加速度、幅值、波浪彎矩、外部壓力、波浪剪力、相對波面升高等載荷數(shù)據(jù)。根據(jù)不同艙室定義加載內(nèi)部載荷，結(jié)合艙室信息和構(gòu)件類型扣除結(jié)構(gòu)腐蝕裕量，對不同構(gòu)件類型使用歸一化強度因子進行強度評估[8]。

2.2 計算工況

新一代超深水鉆井船區(qū)別于常規(guī)鉆井船的3種典型運營模式[10]，具有4種運營模式:航行、鉆井、生產(chǎn)和風(fēng)暴自存，其中生產(chǎn)模式包含試采、儲油和處理作業(yè)。針對所有運營模式展開總體強度計算，裝載工況至少包含以下類別：

(1) 包含最大靜水垂向彎矩和剪力相對應(yīng)的裝載工況。對目標艙段，篩選中垂和中拱工況下絕對值最大的靜水彎矩和剪力(區(qū)分正負)，得到對應(yīng)的裝載工況[8]。

(2) 靜水艙壓試驗工況。每個艙在測試靜水壓頭時鄰近艙是空艙，吃水為1/3結(jié)構(gòu)吃水。對于雙層底中的艙，測試靜水壓頭是艙頂加透氣管高度與艙壁甲板高度中的大者；對于其他艙則為到透氣管高度與高出艙頂2.4 m中的大者[8]。

月池艙段裝載工況選擇信息如表2所示。

表2 裝載工況表

在總體強度分析中，不同的裝載工況內(nèi)，需針對不同目標控制載荷采用不同的載荷組合方式[7]。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 計算結(jié)果

在月池艙段內(nèi)結(jié)構(gòu)強度校核結(jié)果通過屈服因子和屈曲因子來呈現(xiàn)，如表3所示，屈服和屈曲因子許用值為1。

表3 月池艙段結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

通過表3可以看出：水密平臺和中縱艙壁利用率較低，這是因為該部分構(gòu)件屬于局部構(gòu)件，基本不參與總縱強度；舷側(cè)外板利用率偏低，這是為了彌補月池開孔對總縱強度的影響，對部分外板結(jié)構(gòu)進行了較大的板厚增加；其他部位構(gòu)件的使用率比較高，仍能滿足規(guī)范要求。圖3為橫向強框屈曲因子云圖以及縱向艙壁和水密構(gòu)件的屈服因子云圖。

圖3 部分結(jié)構(gòu)屈服屈曲因子云圖

3.2 鉆井模塊的內(nèi)力傳遞與加載模擬

鉆井模塊質(zhì)量大而集中，其重心垂向坐標遠高于船體的整體重心。由于船體的運動，鉆井模塊產(chǎn)生較大的慣性力，在設(shè)備商沒有提供準確的基座支反力的情況下，如何真實準確地模擬鉆井模塊及其上部設(shè)備的載荷傳遞，對計算結(jié)果有較大影響。由于Drillship 2.0軟件不能直接加載力和彎矩載荷，不考慮大鉤載荷，將鉆井模塊質(zhì)量分為立根和井架整體兩個質(zhì)量點單元，與支撐結(jié)構(gòu)的連接采用兩種不同的方式模擬并進行對比分析。加載一：通過Femap軟件中的REB 3單元連接，能夠加權(quán)分配并傳遞力和彎矩。加載二：利用剛性桿單元連接，只傳遞力不傳遞轉(zhuǎn)動彎矩。兩種加載方式如圖4所示。

圖4 鉆井模塊兩種不同的加載方式

通過圖5中的單元進行兩種加載方式的應(yīng)力對比，其中編號1為根部肘板細化區(qū)域，應(yīng)力云圖如圖6所示，選取其中的最大值進行對比，其他應(yīng)力值如表4所示。通過表4對比結(jié)果可以看出，兩種加載方式對甲板結(jié)構(gòu)基本沒有影響，如節(jié)點8。對于鉆井模塊腿部支撐結(jié)構(gòu)，加載一普遍比加載二的應(yīng)力高，最高甚至達到29%，如節(jié)點6。其原因有兩點：第一，鉆井模塊本身質(zhì)量大、重心高，當(dāng)船體處于橫浪時橫向加速度最大，鉆井模塊支撐結(jié)構(gòu)處于最危險狀態(tài)，由船體運動引起的慣性載荷在支撐結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)；第二，立根通過指梁扶持垂直堆放于鉆臺上，在跟隨船體運動時傳遞垂向載荷到鉆臺結(jié)構(gòu)，水平方向的慣性力通過指梁傳遞到井架結(jié)構(gòu)，相對鉆臺結(jié)構(gòu)沒有轉(zhuǎn)動彎矩產(chǎn)生，加載一與實際作業(yè)相比增加了立根的轉(zhuǎn)動彎矩，偏于保守，加載二則相對真實地模擬實際作業(yè)中的載荷傳遞，加載方式更合理，結(jié)果也比較準確。

圖5 鉆井模塊支持結(jié)構(gòu)局部模型 圖 6 不同加載方式肘板細化模型最大應(yīng)力云圖對比圖

項目節(jié)點編號12345678910應(yīng)力/(kg·cm-2)加載一5 034.00827.99714.63993.011 722.101 905.401 388.001 511.901 274.601 167.00加載二4 209.00938.43542.90854.501 413.601 357.401 033.501 517.30965.611 150.00應(yīng)力降低率0.16-0.130.240.140.180.290.2600.240.01

3.3 月池不規(guī)則大開孔對船體梁的宏觀、局部影響

3.3.1 總縱強度及甲板結(jié)構(gòu)

工字型月池開孔大幅減小了甲板橫截面積，最大處減小67%，影響縱向構(gòu)件的連續(xù)性，對船體梁總縱強度較為不利。通過局部增大甲板和舷側(cè)外板的板厚進行彌補，為使其總縱強度滿足規(guī)范要求，該區(qū)域甲板板厚超過其他區(qū)域甲板厚度的1～2倍。計算發(fā)現(xiàn)，自存工況下的中垂狀態(tài)最危險：工字型開孔肩部角隅是高應(yīng)力區(qū)(見圖7)，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由于開孔附近結(jié)構(gòu)向開孔內(nèi)有較大的相對變形，從而產(chǎn)生較高的壓應(yīng)力，并與總縱彎曲應(yīng)力疊加；工字型開孔腹部角隅不承受總縱彎曲應(yīng)力，端部允許自由變形，屬于低應(yīng)力區(qū)。對工字型開孔肩部角隅采用拋物線形狀圓滑過渡，采用80 mm高強鋼板進行嵌入補強，利用局部細化子模型進行計算，應(yīng)力結(jié)果如圖8所示，疲勞壽命最低為194年，均滿足規(guī)范要求。

圖7 月池區(qū)域甲板應(yīng)力與變形圖 圖8 甲板艏部月池角隅細化模型最大應(yīng)力云圖

3.3.2 縱艙壁結(jié)構(gòu)

工字型月池開孔導(dǎo)致左右舷距中7 m處各有一道縱艙壁結(jié)構(gòu)在靠近主甲板端處不連續(xù)，在不連續(xù)的位置有局部應(yīng)力集中，通過采用局部嵌入板的方式進行加強。艏部月池開孔與隔水管艙室之間的縱艙壁前后間斷，甲板端產(chǎn)生較大的變形，縱艙壁結(jié)構(gòu)承受較大的剪切應(yīng)力，需整體增加板厚。該結(jié)構(gòu)形式對強度不利，應(yīng)盡量避免。加強方式如圖9所示。

圖9 月池開孔區(qū)域縱艙壁結(jié)構(gòu)局部加強圖

3.4 水密底縱桁結(jié)構(gòu)

水密底縱桁結(jié)構(gòu)的屈服強度和屈曲強度在初始階段都不滿足規(guī)范要求，主要是因為其結(jié)構(gòu)在承受總縱彎曲應(yīng)力的同時也承受板架彎曲、縱骨彎曲和板格彎曲應(yīng)力。船體梁的中垂變形以及月池開孔對總縱強度的削弱導(dǎo)致該部分結(jié)構(gòu)總縱彎曲應(yīng)力偏高，占據(jù)總應(yīng)力的2/3，再與局部彎曲應(yīng)力疊加，易超出材料的許用范圍。通過增加板厚提升其屈服強度，通過增加板厚或增加防屈曲加強筋提升屈曲強度。修改前后計算結(jié)果對比如圖10所示。

圖10 水密底縱桁結(jié)構(gòu)修改前后屈服和屈曲強度因子對比圖

4 結(jié) 論

(1) 鉆井模塊的不同加載方式對其支撐結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有較大影響，局部區(qū)域兩種加載方式的應(yīng)力差高達29%。使用REB 3單元加載相對保守，可用于設(shè)計初期階段，初步確定對鉆臺及其支撐結(jié)構(gòu)的需求和可行性；使用剛性桿單元加載相對真實準確地模擬載荷傳遞的加載方式，可用于最終確定構(gòu)件尺寸，能有效地避免偏于保守的過盈設(shè)計。

(2) 工字型月池大開孔大幅削弱了船體梁的甲板剖面模數(shù)和總縱強度，可以通過局部增加甲板板厚的方式進行彌補。開孔肩部角隅和其他因月池開孔導(dǎo)致的縱艙壁不連續(xù)區(qū)域會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，可采用拋物線型圓滑過渡或局部嵌入板增加板厚的方法進行加強。

(3) 水密底縱桁結(jié)構(gòu)屈服和屈曲強度易失效，需要考慮整體應(yīng)力或局部應(yīng)力的疊加效應(yīng)。

(4) 該鉆井船其他3個艙段也按照此流程進行強度計算，結(jié)果相對真實準確，可為其他鉆井船提供參考。