半潛平臺立柱與甲板包連接結(jié)構(gòu)設計

王永剛，王金峰，周慶，王醍

(1．中遠海運重工有限公司 設計研究院，遼寧 大連 116600；2．中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

結(jié)構(gòu)安全是保證第七代超深水半潛式鉆井平臺在惡劣海況、復雜載荷作用下正常作業(yè)、避免生命危險和環(huán)境污染的基本前提，而關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)安全則是其瓶頸所在；已發(fā)生的海工裝備海損事故表明，結(jié)構(gòu)的破壞往往是起始或發(fā)生于關(guān)鍵區(qū)域。半潛式鉆井平臺由于其獨特的結(jié)構(gòu)形式和運動特點[1]，立柱和甲板包的連接區(qū)域，尤其是立柱內(nèi)側(cè)靠近甲板包中心的垂向艙壁與甲板包底板的連接區(qū)域，存在十分嚴重的應力集中，是平臺結(jié)構(gòu)設計的關(guān)注點。

針對某3 000 m超深水第七代半潛式平臺立柱與甲板包內(nèi)角連接結(jié)構(gòu)設計，利用Genie軟件和子模型技術(shù)對目標區(qū)域內(nèi)不同的結(jié)構(gòu)形式進行強度分析，選擇相對優(yōu)化的連接形式。

1 結(jié)構(gòu)設計出發(fā)點

為保證半潛式平臺的結(jié)構(gòu)安全，ABS、DNVGL、CCS等船級社根據(jù)構(gòu)件失效對整體平臺安全性、生命和環(huán)境危險的影響程度，以及目標構(gòu)件的應力狀態(tài)、產(chǎn)生焊接變形或疲勞裂紋的可能性，將結(jié)構(gòu)分為特殊、主要和次要構(gòu)件[2-4]。其中特殊構(gòu)件如下。

1)立柱、甲板包、浮體相互連接區(qū)域的外板結(jié)構(gòu)。

2)組成箱型或工字型支承結(jié)構(gòu)且承受主要集中載荷的甲板包內(nèi)的甲板板、重型翼板和艙壁板。

3)撐桿的連接位置。

4)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接區(qū)域承受集中載荷的外部肘板、部分艙壁、平臺和骨架。

5)立柱、甲板包及浮體連接處提供適當對齊和足夠載荷傳遞的“貫穿”構(gòu)件。

6)高應力區(qū)，例如，導纜器、絞車、吊車、火炬塔等基座。

立柱與甲板包連接肘板和相鄰位置的外板結(jié)構(gòu)是一種典型的特殊構(gòu)件，其設計應滿足以下要求：①結(jié)構(gòu)形式簡單，載荷有效傳遞和應力分布均勻合理，滿足強度要求，一般采用厚度很大的高強鋼，甚至Z向鋼，具體材質(zhì)由強度分析結(jié)果，結(jié)合服務溫度、板厚和構(gòu)件類別來確定[5]；②焊接工藝和檢驗要求，如焊縫的全熔透和打磨，相鄰焊縫的間距控制，以及焊后進行IC I無損檢驗等。目標結(jié)構(gòu)的構(gòu)件等級和檢驗標準見圖1。

圖1 連接肘板結(jié)構(gòu)分類與檢驗等級

立柱外板和甲板包連接位置位于甲板包箱型梁和立柱垂向梁2根梁的端部，承受很大的載荷。同時由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，存在較大的應力集中。結(jié)合以前的半潛平臺設計經(jīng)驗[6]，在連接區(qū)域增加肘板可以改變其局部結(jié)構(gòu)剛度，有效降低應力集中。因此，針對目標平臺在立柱外板和甲板包連接位置，考慮立柱結(jié)構(gòu)“天圓地方”過渡位置到甲板包底板間距和施工方案對肘板尺寸的影響，綜合外形尺寸、板厚、材質(zhì)、趾端形式、連續(xù)形式、焊接節(jié)點等因素，確定3種肘板形式，具體參數(shù)見表1，方案1結(jié)構(gòu)形式見圖2a)，肘板采用圓弧形式，自由邊沒有面板結(jié)構(gòu)，趾端采用切割打磨的方式與垂直連接結(jié)構(gòu)平齊，方案2結(jié)構(gòu)形式見圖2b)，自由邊有面板支撐，趾端采用特殊的軟趾形式，以避免應力集中。方案3(見圖2c))在方案1基礎上進行局部優(yōu)化，自由邊采用2 400 mm×1 900 mm橢圓形拋物線形式，上部肘板長度增加，板厚降低，趾端與方案1相同。

表1 連接肘板的3種設計方案

圖2 連接肘板

2 立柱與甲板包連接肘板強度校核

連接肘板結(jié)構(gòu)形式復雜, 為真實有效分析結(jié)構(gòu)應力場分布,采用有限元方法分析靜載荷和危險波浪載荷條件下結(jié)構(gòu)的局部強度。在不同周期、浪向、相位的波浪條件下，半潛式平臺所遭受的波浪載荷差異很大，首先根據(jù)典型節(jié)點在平臺結(jié)構(gòu)中所處的位置、結(jié)構(gòu)形式、裝載工況和工作環(huán)境，分析平臺在何種波浪載荷工況時典型節(jié)點受力最大、應力水平最高。

2.1 波浪載荷

利用SESAM/POSTRESP模塊對平臺運動進行短期預報。計算中采用的波浪譜為JONSWAP譜，在自存工況下對應的設計波[7,8]進行3種節(jié)點形式的強度比較分析。

設計波參數(shù)采用譜分析方法，結(jié)合傳遞函數(shù)確定典型工況設計波周期，通過最大橫向載荷、最大縱向剪切、最大縱向轉(zhuǎn)矩及中橫剖面最大垂向彎矩等特征波浪載荷確定設計波波幅[9,10]。采用設計波參數(shù)見表2。

表2 短期預報方法篩選設計波參數(shù)(自存工況)

2.2 平臺計算模型

采用子模型方法，基于總體強度計算結(jié)果，如圖3所示，對立柱與甲板包連接肘板進行強度計算[11]。

圖3 總體強度應力云圖

3種設計方案分別建立3個子模型，網(wǎng)格密度為50 mm×50 mm，邊界條件被定義為prescribed displacements，利用SESAM中的SUBMODEL模塊可以直接從總體強度結(jié)果文件中準確地讀取子模型邊界處的六自由度位移，結(jié)合節(jié)點結(jié)構(gòu)波浪載荷計算目標位置的應力分布和應力水平，確保計算結(jié)果的準確。

總體強度分析中有限元計算模型和連接肘板細化子模型分別見圖4。

圖4 連接肘板子模型(局部)

2.3 連接肘板強度計算結(jié)果

連接肘板由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性造成較大的應力梯度，存在應力集中現(xiàn)象，使用許用應力法進行強度評估，其屈服衡準為

[σ]≤σs/SMPa

(1)

式中：[σ]為許用應力值；σs為材料的屈服強度，MPa;S為安全系數(shù)，見表3。目標結(jié)構(gòu)全部采用高強鋼，最小屈服強度為355 MPa，其許用應力見表3。

表3 安全系數(shù)和許用應力

分別針對3種設計方案進行強度計算，方案1肘板形式在所有工況下的最大組合工況下的應力水平見圖5。

圖5 連接肘板方案1應力云圖

匯總不同結(jié)構(gòu)形式下橫縱肘板在每種工況下的最大等效應力，具體數(shù)據(jù)見表4。

通過表4等效應力值對比可以看出：

1)目標平臺立柱與甲板包橫向連接肘板的主控載荷為縱向轉(zhuǎn)矩，該工況下橫向肘板的應力值明顯高于縱向肘板；縱向連接肘板的主控載荷為縱向剪切，該工況下縱向肘板的應力值明顯高于橫向肘板。

表4 不同設計方案等效應力對比 MPa

2)靜載荷工況下，立柱和甲板包橫縱向連接肘板的應力水平相當。

3)綜合所有工況，橫向肘板的應力水平略高于縱向肘板。

4)3種方案都滿足強度要求。方案1和3結(jié)構(gòu)形式相近，應力水平相當，接近于材料的許用應力，材料利用率高；方案2肘板和面板的應力值相當，遠小于材料的許用應力，主要是因為腹板和面板共同承受載荷，面板對肘板的支撐作用增加了肘板的剛度，同時在肘板趾端由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性存在一定的應力集中現(xiàn)象，見圖6。

圖6 連接肘板方案2應力云圖

2.4 連接肘板疲勞損傷計算結(jié)果

在應力分析的基礎上，分別選擇不同肘板結(jié)構(gòu)的趾端和自由邊(對方案2為面板與腹板的角焊縫)3個位置作為熱點，對熱點區(qū)域進行t×t模型細化，用子模型法進行作業(yè)工況下的疲勞損傷計算，設計壽命25年，基于S-N曲線和Miner法則計算得到的疲勞累計損傷須小于等于1，結(jié)果見表5。

表5 不同設計方案疲勞損傷對比

1)趾端處的疲勞損傷。方案1和方案3都比較低；方案2數(shù)值明顯大于其他方案，主要是由于趾端結(jié)構(gòu)突變導致局部應力集中引起的。

2)自由邊(或面板與腹板角焊縫)處的疲勞損傷。方案1的數(shù)值大于1，不滿足要求；方案2和3滿足要求，且計算結(jié)果很接近，雖然方案2面板對結(jié)構(gòu)的支撐作用導致其應力范圍低，但是針對焊縫的S-N曲線等級較高，兩者基本相互抵消。

3 結(jié)論

1)橫向肘板的應力水平高于縱向肘板，設計中應保持橫向肘板的連續(xù)性。

2)連接肘板方案2在板厚降低的前提下與方案1應力水平相當，疲勞強度好，比方案2結(jié)構(gòu)簡單，施工便利，采用上部略長的橢圓形連接肘板是一種相對優(yōu)化的連接形式。

3)連接肘板增加面板能夠有效地降低肘板應力水平，但是增加結(jié)構(gòu)復雜性，下趾端處面板與腹板之間空間小，不利于焊接和打磨，而且存在一定的應力集中，導致疲勞損傷較高，設計過程中要注意應力集中對肘板趾端的結(jié)構(gòu)形式、應力分布和疲勞損傷的影響。