深水多功能八角形生產(chǎn)平臺總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

呼文佳，王世圣，趙晶瑞

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引 言

深水多功能八角形平臺是一種集鉆、采、儲于一體的新型浮式生產(chǎn)平臺。設(shè)計要求平臺能長期在環(huán)境條件惡劣的南海海域生產(chǎn)、作業(yè)，平臺除總體性能滿足設(shè)計要求外，必須具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文以新型多功能八角形平臺為研究對象，開展了平臺總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

深水平臺在位期間，受到的環(huán)境載荷包括風(fēng)、浪、流載荷，其中波浪載荷具有隨機(jī)性，最為復(fù)雜。為簡化計算，一般規(guī)范推薦采用設(shè)計波法，即假定平臺承受規(guī)則波浪作用，把瞬時作用在平臺上的最大波浪載荷施加到平臺上，同時考慮平臺運(yùn)動產(chǎn)生慣性力和其他載荷，認(rèn)為所有外載荷保持靜力平衡，從而將動態(tài)問題轉(zhuǎn)化成準(zhǔn)靜態(tài)問題，采用靜力結(jié)構(gòu)有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

設(shè)計波計算可采用長期預(yù)報和短期預(yù)報方法，Lee等采用短期預(yù)報法確定設(shè)計波，完成了半潛式平臺整體強(qiáng)度分析［1］；劉海霞等采用短期預(yù)報法完成了半潛式平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中的波浪載荷計算［2］；Jun等采用長期預(yù)報設(shè)計波法［3］，對規(guī)范推薦的6種特征載荷下2種裝載工況的半潛平臺進(jìn)行設(shè)計波計算，并完成總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

由于長期預(yù)報法在隨機(jī)性方法的基礎(chǔ)上考慮了海域的真實(shí)統(tǒng)計信息，以及各個短期海況的概率，因此更符合實(shí)際海況，能夠發(fā)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)最不利的波浪載荷。為此，本文采用長期預(yù)報方法進(jìn)行設(shè)計波計算，利用計算獲得設(shè)計波參數(shù)，對平臺結(jié)構(gòu)有限元模型施加波浪載荷，進(jìn)行平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，并依據(jù)規(guī)范對新型平臺的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評估。

1 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)參數(shù)

新型多功能八角形平臺的三維示意圖如圖1所示，由上部模塊、浮體（浮體內(nèi)包含儲油、水等艙室）、垂蕩板、系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)組成。頂張緊立管通過浮體的八角形中心井將放置在甲板上的采油樹與水下井口連接起來。上部浮體和垂蕩板通過帶有旋轉(zhuǎn)接頭的鋼管（伸縮立柱）連接。該平臺技術(shù)創(chuàng)新是通過垂蕩板設(shè)計將平臺垂蕩幅值減小到一定范圍，使平臺能滿足干式采油要求。主尺度參數(shù)如表1所示。

圖1 新型多功能八角形平臺三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the new multifunctional octagonal platform

表1 新型多功能八角形平臺主尺度參數(shù)Tab.1 Main dimensions of the new multifunctional octagonal platform

依據(jù)總體設(shè)計確定的平臺主尺度參數(shù)，按照規(guī)范確定八角形船體、垂蕩板和伸縮立柱的結(jié)構(gòu)尺寸。八角形船體和垂蕩板結(jié)構(gòu)設(shè)計包括內(nèi)外艙壁，徑向壁板，桁材和骨材布置，以及尺寸的確定。

2 設(shè)計波計算

深水平臺在位期間承受波浪載荷作用，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小受波浪參數(shù)影響，同時也與平臺整體結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，對于柱穩(wěn)式半潛式平臺的內(nèi)力計算已有推薦做法。新型平臺結(jié)構(gòu)形式與其他傳統(tǒng)式深水浮式平臺不同，新型平臺類似Spar平臺，上船體高度為47 m，伸縮立柱長度為100 m，垂蕩板厚度為3 m，總高為150 m。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，設(shè)置14個剖面，應(yīng)用SESAM-HydroD進(jìn)行剖面內(nèi)力計算，通過計算得到：在水線面位置處，上船體水平剪切最大，在垂蕩周期接近平臺固有垂蕩周期時垂向加速度最大，同時連接鋼管的拉力也達(dá)到最大值，伸縮立柱所受的拉力最大值出現(xiàn)在伸縮立柱和下垂蕩板相交處。

根據(jù)上述結(jié)果，選定4種載荷情況進(jìn)行長期統(tǒng)計分析，確定設(shè)計波參數(shù)。環(huán)境條件為百年一遇的生存環(huán)境，其波浪參數(shù)如表2所示。

表2 波浪參數(shù)Tab.2 Environmental parameters

在長期統(tǒng)計分析中，假設(shè)平臺遭遇每個浪向角的概率相等，即1/13；波浪譜同樣采用JONSWAP譜，譜峰因子為2.4，隨機(jī)海況采用南海波浪散布圖。

設(shè)計波計算考慮2種裝載工況：①在位無儲油（壓載工況）；②在位100%儲油（滿載工況）。通過長期預(yù)報獲得的設(shè)計波的參數(shù)如表3和表4所示。

表3 壓載工況下設(shè)計波參數(shù)Tab.3 Design wave parameters under ballast conditions

表4 滿載工況下設(shè)計波參數(shù)Tab.4 Design wave parameters under full load conditions

3 總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

3.1 有限元結(jié)構(gòu)模型建立

新型平臺結(jié)構(gòu)包括三部分：上船體、伸縮立柱和垂蕩板。上船體外周為壓載水艙，內(nèi)周為油艙，組成結(jié)構(gòu)包括外壁板、內(nèi)壁板和徑向壁板，以及水平平臺，各類壁板、平臺采用板架結(jié)構(gòu)，即采用桁材和骨材加強(qiáng)的平板。此外，還有一些附加結(jié)構(gòu)。伸縮立柱是兩端帶有接頭的鋼管，垂蕩板為八角形箱體結(jié)構(gòu)。由于平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建立總體結(jié)構(gòu)有限元模型時，為提高計算效率，在建模過程中忽略了對總強(qiáng)度影響不大的結(jié)構(gòu)，如樓梯間、開孔和小肘板等。建模坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在垂蕩板底部正中心位置處，x軸以原點(diǎn)指向船首方向?yàn)檎粂軸以中縱剖面指向左舷為正；z軸自基線向上為正。

新型平臺主體結(jié)構(gòu)采用屈服強(qiáng)度為355 MPa的鋼材建造，局部連接區(qū)域采用550 MPa、686 MPa鋼材建造，所有鋼級材料楊氏彈性模量為206 000 MPa。

新型平臺采用縱框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)包括板、桁材和骨材，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙建立有限元結(jié)構(gòu)模型。計算模型中板材及桁材腹板采用板單元模擬，骨材、伸縮立柱采用梁單元模擬。在高應(yīng)力區(qū)和高應(yīng)力變化區(qū)盡可能避免使用三角形單元，而采用四邊形單元。經(jīng)過有限元網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)共602 346個單元，337 019個節(jié)點(diǎn)。平臺整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。在分析中，各方向的慣性力、重力和浮力是平衡的，在理論上不需要邊界條件。但在結(jié)構(gòu)計算中需要約束平臺結(jié)構(gòu)的6個剛體自由度，限制其剛體位移。結(jié)構(gòu)分析主要關(guān)注船體水線面以下結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布情況，為避免約束點(diǎn)在主船體可能由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的誤差，將邊界條件設(shè)置在主甲板強(qiáng)橫梁與縱骨相交位置處，沿著周向設(shè)置3個約束點(diǎn)，限制結(jié)構(gòu)模型的6個自由度［4］。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Structural finite element model

平臺結(jié)構(gòu)模型重量的校核是通過調(diào)整部分結(jié)構(gòu)的材料密度來完成的，保證總重量與浮力的誤差不大于總排水量的0.01%。

在建立總體結(jié)構(gòu)有限元模型，以及施加約束后，按照表3和表4給定的各種工況下的設(shè)計波參數(shù)，利用SESAM水動力分析模塊Wadam計算水動力載荷，然后將等效規(guī)則設(shè)計波產(chǎn)生的水動壓力傳遞到有限元結(jié)構(gòu)模型上。艙室內(nèi)部液體產(chǎn)生的水動壓力由軟件自動施加，在完成所有載荷傳遞后，應(yīng)用SESAM-Sestra模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

3.2 應(yīng)力分析與強(qiáng)度評估

3.2.1 應(yīng)力許用標(biāo)準(zhǔn)

平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估參考中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范（2020）》要求［5］，其規(guī)定的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)為

式中：F為許用應(yīng)力；Fy為結(jié)構(gòu)材料的屈服應(yīng)力；F.S為材料的安全系數(shù)。根據(jù)不同的組合工況選取參數(shù)，如表5所示。

表5 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)Tab.5 Allowable stress criteria

對于板殼結(jié)構(gòu)，板材的等效應(yīng)力σeqv不能超過表5所示的許用應(yīng)力F，等效應(yīng)力σeqv表達(dá)式為

式中：σx、σy、σz為板殼沿3個x、y、z方向上的面內(nèi)應(yīng)力；τxy為板殼沿x、y方向上的面內(nèi)剪應(yīng)力。

3.2.2 應(yīng)力分析與強(qiáng)度評估

通過有限結(jié)構(gòu)計算獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)。不同工況下，平臺的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、等效應(yīng)力可由軟件后處理得到。對每一種工況每一個單元的等效應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計分析?？梢缘玫剿杏嬎愎r下的等效應(yīng)力結(jié)果的最大值。

在壓載工況下，對于LC1、LC2、LC3工況，平臺各部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。LC4工況有局部位置出現(xiàn)高應(yīng)力。在百年一遇海況下，LC4工況平臺上船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 百年一遇壓載工況應(yīng)力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of ballast condition in 100-year return period

依據(jù)圖3所示的應(yīng)力分布圖，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于下部結(jié)構(gòu)應(yīng)力，應(yīng)力水平隨吃水增加而變大。上船體外板的最大應(yīng)力為280.08 MPa，外底板最大應(yīng)力為202.59 MPa，上船體內(nèi)底板應(yīng)力為242.23 MPa。平臺絕大部分區(qū)域應(yīng)力結(jié)果滿足規(guī)范要求。在局部區(qū)域，如圖3所示，上船體徑向艙壁板和環(huán)向艙壁板相交處最大應(yīng)力為379.51 MPa，不滿足規(guī)范要求。主要是壓載工況油艙是空艙，壓載艙內(nèi)壓載水分布在浮體外周，在垂蕩運(yùn)動中壓載水對艙壁作用增加。另外，這也是水動力載荷較大的位置。高應(yīng)力區(qū)域如圖3所示，上船體裙板與外板交界處的最大應(yīng)力為291.87 MPa。在裙板和舷側(cè)外板連接區(qū)域有局部應(yīng)力過大現(xiàn)象，主要是裙板的彎曲在連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中。另外在上船體底部非水密艙壁的開孔處以及連接鋼管與浮體外板連接節(jié)點(diǎn)處也有應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)高應(yīng)力。上船體應(yīng)力分布對比圓筒形FPSO應(yīng)力分布，兩者應(yīng)力分布趨勢基本一致［6-7］。上船體徑向艙壁板和環(huán)向艙壁板相交處的最大應(yīng)力超過許用應(yīng)力，可能是由于模型簡化假設(shè)或網(wǎng)格質(zhì)量限制。通過對局部有限元網(wǎng)格調(diào)整，以及對該位置骨材稍稍加強(qiáng)，經(jīng)結(jié)構(gòu)有限元分析表明該位置應(yīng)力明顯下降，其他區(qū)域變化不大，均能滿足規(guī)范要求。

在滿載工況下，LC8工況下，局部出現(xiàn)高應(yīng)力。上船體非水密艙壁最大應(yīng)力為295.957 MPa，垂蕩板上底板最大應(yīng)力為257.2 MPa，均能滿足規(guī)范要求。在滿載工況下，油艙充滿原油，原油儲存在艙室內(nèi)對艙壁有加強(qiáng)作用，在一定程度上減輕了外部水壓的作用，所以總體應(yīng)力水平較壓載工況低。

垂蕩板整體應(yīng)力水平均滿足規(guī)范要求。在不同工況下，垂蕩板上下表面所受水壓力相差不多，說明垂蕩板所在深度，波浪激勵力的作用已經(jīng)弱化很多，垂蕩板主要承受的外力以該位置深度的外部靜壓以及內(nèi)部的液體壓力為主，因此垂蕩板上的應(yīng)力分布比較均勻。

伸縮立柱連接平臺與垂蕩板，是平臺的重要組成部分，對平臺系統(tǒng)的失效起到關(guān)鍵作用。依據(jù)表1設(shè)計參數(shù)：立柱直徑為1.12 m，壁厚為0.038 m。通過計算獲得伸縮立柱在百年一遇的最大截面應(yīng)力為293.19 MPa，依照API-RP-2T規(guī)范［8］，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

（1）依據(jù)新型平臺的結(jié)構(gòu)形式，沿縱向設(shè)置剖面，通過計算篩選出平臺結(jié)構(gòu)剖面載荷最大的剖面，用于設(shè)計波參數(shù)的統(tǒng)計分析。

（2）設(shè)計波參數(shù)計算采用長期預(yù)報法，獲得對結(jié)構(gòu)最不利波浪載荷，將設(shè)計波施加在平臺結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算，為平臺的結(jié)構(gòu)安全評估提供保障。

（3）通過有限元分析，得出各工況下上船體、垂蕩板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，結(jié)果表明平臺應(yīng)力分析結(jié)果滿足規(guī)范要求，立柱最大拉力也在允許范圍內(nèi)。平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計基本合理。