超深水半潛式平臺典型節(jié)點強度分析

李境偉，竇培林，張興剛

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

海洋油氣資源開發(fā)業(yè)務不斷地向2 000 m以上的超深水復雜海域延伸，在超深水海域作業(yè)，尤其是難度極高的海底鉆井工作，半潛式海洋鉆井平臺具有絕對的優(yōu)勢。超深水半潛式鉆井平臺需要具有長期作業(yè)的能力以及抵御50年一遇甚至上百年一遇的極端惡劣海況的能力。另外，超深水海域距離海岸較遠，來回運輸平臺所需的時間比較長，并且多次組裝拆卸對于鉆井設備損耗極大，因此不能很方便地對半潛式鉆井平臺進行全方位的檢修。設計人員在總體設計過程中，會標注一些相應的關鍵位置，這些地方需要定期或不定期地檢查和維修。其實這種做法是有一定風險的，特別是在長期作業(yè)后期。一些無法定期檢查或者不容易被注意到的位置，若是結構失效就會造成非常嚴重的后果。因此，對于平臺結構的強度分析，不僅要對總體強度進行把握，還需要根據(jù)實踐積累的經(jīng)驗對一些可能發(fā)生失穩(wěn)的部位進行深入分析，以確保平臺結構的安全性和可靠性。

1 目標平臺關鍵節(jié)點強度分析流程

1.1 結構模型

超深水半潛式鉆井平臺，適用于3 000 m以上的超深水海域長期作業(yè)，總體結構龐大并且排布復雜，為使得計算結果更加真實可信，本文結構模型嚴格按照圖紙進行建立，如圖1所示。在浮筒上平面有4種板厚，分別為15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，多種厚度的板結構混合排布，致使網(wǎng)格數(shù)量巨大，最終本文結構模型網(wǎng)格劃分采用網(wǎng)格尺寸0.67 m，共有節(jié)點數(shù)237 617，網(wǎng)格數(shù)490 391。模型節(jié)點數(shù)和網(wǎng)格數(shù)遠遠超過軟件限制網(wǎng)格數(shù)，因此在Sesam軟件中計算時，要對環(huán)境變量進行修改，設置一個新的系統(tǒng)環(huán)境變量擴展虛擬緩存數(shù)據(jù)量。通過本文實際應用，此方法可行。

圖1 整體結構有限元模型Fig. 1 The overall structure finite element model

1.2 邊界條件

半潛式鉆井平臺結構有限元計算時容易出現(xiàn)六自由度的剛性位移，為消除此因素的影響，選取3個節(jié)點進行剛體位移約束，節(jié)點選取在同一水平面內(nèi)，該平面為下浮筒底面。節(jié)點1和節(jié)點2分別位于左右浮筒首尾的中縱艙壁中心線處，節(jié)點3位于左舷的下浮筒中間部位的中縱艙壁處。節(jié)點1約束x，y，z三個方向的位移約束，節(jié)點2約束y，z兩個方向的位移約束，節(jié)點3約束z方向的位移約束。

圖2 半潛式鉆井平臺邊界條件Fig. 2 Boundary conditions of semi-submersible drilling platform

2 長期預報及設計波參數(shù)的確定

2.1 典型波浪載荷工況的選取

本文采用SESAM-HydroD軟件進行半潛平臺水動力性能分析及波浪載荷長期預報。通過長期預報設計波方法進行設計波參數(shù)選取。本文主要關注的是下浮筒與立柱連接處典型十字節(jié)點結構的安全性問題，因此主要選取下列4種典型波浪載荷工況。

1）縱向剪切

半潛平臺結構所受的最大縱向剪切力是在波長為兩浮筒間對角線長度的1.5倍，并且結構受到斜浪作用時，此時不僅是半潛平臺水平橫撐受到巨大的載荷作用，對于立柱與下浮筒關鍵連接節(jié)點也會產(chǎn)生非常嚴重的應力集中，如圖3所示。另外，在產(chǎn)生巨大剪切力的同時，平臺之間的水平分離力也會與之疊加，因此在結構設計中確定危險工況時應多浪向的進行考慮，特別是對于斜浪的關注。

圖3 最大縱向剪切Fig. 3 Maximum longitudinal shear

2）縱向扭轉

當半潛式鉆井平臺受到波長等于兩浮體對角線長度的波浪時，平臺結構會受到巨大的縱向扭轉。平臺立柱結構是上平臺甲板和下浮筒的關鍵連接結構，當平臺出現(xiàn)扭轉時，由于慣性等因素的影響，立柱連接節(jié)點會受到巨大載荷出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，因此在考慮典型載荷工況時要著重關注縱向扭轉運動。

圖4 最大橫向扭矩Fig. 4 Maximum lateral torque

3）橫向分離

對于四立柱、雙浮筒型式的半潛式鉆井平臺，當結構受到橫向波浪且波長為2倍浮筒間距時，即波峰位于平臺結構中部，波谷位于兩浮筒位置附近，如圖5所示。在此波浪載荷作用下，平臺橫撐受到巨大拉力，同時造成立柱與下浮筒十字連接節(jié)點位置受到十分嚴重的剪切力，因此需要對半潛平臺橫向分離力深入分析。

4）垂向彎曲

當半潛平臺受到波長等于或大于浮體長度且遭遇浪向為0°或180°時，此時的波峰或波谷位于中橫剖面處，平臺垂向彎曲最為嚴重，如圖6所示。此時立柱與下浮筒連接關節(jié)節(jié)點處會受到巨大的拉壓應力，長期的往復運動，會對半潛平臺結構造成較為嚴重的疲勞損傷。

圖5 最大橫向受力Fig. 5 Maximum lateral force

圖6 中橫剖面最大垂向彎矩Fig. 6 The maximum vertical bending moment of the transverse section

本文在波浪載荷預報和結構強度分析中使用的是DNV船級社開發(fā)的SESAM軟件。計算流程如圖7所示。

圖7 計算流程Fig. 7 Flowchart of calculation

2.2 長期預報

進行波浪載荷的長期預報，涉及到波浪統(tǒng)計資料即波浪散布圖的選取、波浪譜的選取、概率水平、入射波浪向的選取。其中，波浪散布圖選取近似中國南海海域真實情況的波浪散布圖WS3。波浪譜選取Jonswap譜，有義波高13.8 m，跨零周期11.6 s，波譜參數(shù)中增強因子自存工況2.0，作業(yè)工況2.4，參數(shù)σA為0.07，σB為0.09，得到的波浪譜如圖8所示。概率水平計算時選取10-2，10-4，10-6，10-8，10-10；入射波浪向選取0°～90°，步長15°，共7個浪向。根據(jù)上述條件分別進行計算并對比分析。

各工況下長期預報計算結果統(tǒng)計如圖9～圖12所示。

由圖9～圖12可以得到：

圖8 Jonswap波浪譜Fig. 8 Jonswap wave spectrum

圖9 橫向分離力長期預報Fig. 9 Long-term prediction of lateral separation force

1）以對數(shù)函數(shù)表現(xiàn)形式下，不論是自存工況還是作業(yè)工況，其預報幅值均隨著超越概率的減小逐漸增大，這與預報精度越高，計算值越準確的原理一致。

2）在各典型工況中，自存工況與作業(yè)工況計算結果的離散程度不同。自存工況時，計算結果較為離散，各曲線之間的間距較小近乎形成“一簇”的形式，而作業(yè)工況計算結果則不同。根據(jù)統(tǒng)計結果不難看出，每種典型工況下大致是分成兩部分，在橫向分離、垂向彎矩、縱向剪切3種工況下，30°，45°，60°，All inc與0°，15°，75°，90°分為2個部分，在縱向扭轉工況中30°，60°，All Inc與0°，15°，45°，75°，90°形成2個部分。通過這樣的分布結果，分析得到，30°和60°的計算結果應該是所有計算結果中占有重要比例，因為其計算結果與All Inc即平均結果始終在“一簇”，即差距非常小，在設計波參數(shù)的確定中，可以參考此規(guī)律。

3）在各典型工況中，半潛式鉆井平臺無論是在自存狀態(tài)下還是在作業(yè)狀態(tài)下，最大值所在浪向均一致，這說明對于四立柱雙浮筒結構型式的半潛式鉆井平臺，壓載狀態(tài)不是決定長期預報值最大浪向的關鍵因素。

圖10 垂向彎矩長期預報Fig. 10 Long-term prediction of vertical bending moment

圖11 縱向剪切力長期預報Fig. 11 Long-term prediction of longitudinal shear force

圖12 縱向扭轉長期預報Fig. 12 Long-term prediction of longitudinal torsion

2.3 設計波參數(shù)確定

1）不同回復周期下的長期預報值

利用SESAM-Postresp軟件，基于Wadam水動力計算結果，進一步對不同回復周期下各剖面的波浪載荷進行預報，浪向角0°～90°范圍內(nèi)以15°等間隔分布，根據(jù)DNV所開發(fā)的軟件SESAM幫助文件中推薦，假定各浪向出現(xiàn)的概率分別為0.05，0.1，0.15，0.4，0.15，0.1，0.05，波浪的重現(xiàn)周期設置為1年、5年、10年、50年、100年?；谀虾：r資料進行長期預報計算，將計算結果中的最大值記錄在表1。

表1 各剖面不同重現(xiàn)期下的載荷長期預報值Tab. 1 Long-term forecast values of loads under different recurrence periods in each profile

從表1數(shù)據(jù)可以看出，各剖面載荷長期預報值與回復周期增長成正比關系，即隨著重現(xiàn)周期的增加，剖面載荷預報值也增加。根據(jù)DNV規(guī)范可知，浮式海洋結構物設計時，疲勞壽命應為設計使用壽命的3倍，本文半潛式鉆井平臺設計使用壽命為25年，因此重現(xiàn)周期選擇時，可選擇100年進行計算，確定設計波參數(shù)。

2）確定設計波參數(shù)

根據(jù)DNV規(guī)范推薦，長期預報分析時超越概率一般選取10-8。采用長期預報設計波法確定設計波參數(shù)時，需要確定2個數(shù)值，一是在剖面載荷的長期預報值，另外一個數(shù)值是對應剖面載荷傳遞函數(shù)的最大響應值。因為設計波的波幅實際是這2個數(shù)值之間的比值，即設計波波幅等于某工況下長期預報值與該工況下最大響應幅值的比值。設計規(guī)則波的浪向、周期以及相位與響應幅值最大值所對應的參數(shù)相同。通過計算，將本文半潛式鉆井平臺各典型工況下的設計波參數(shù)統(tǒng)計在表2中。

表2 典型工況下的設計波參數(shù)Tab. 2 Design wave parameters under typical operating conditions

3 關鍵節(jié)點強度分析

利用有限元軟件SESAM-Sestra進行半潛式鉆井平臺的強度計算，有限元分析模型結構龐大，細節(jié)復雜，板殼及艙壁結構采用板單元進行仿真模擬，對于梁結構采用beam單元進行模擬。所有結構的基本屬性均按照實際設計要求進行設置，盡可能使計算結構模型近似真實。

3.1 不同浪向下波浪壓力分布

根據(jù)長期預報法得到的設計波參數(shù)分析，在入射浪向為30°和60°，周期為7.6 s，7.8 s，8 s時，關鍵節(jié)點所處環(huán)境較為危險。因此本文通過進一步縮小范圍進行波浪載荷搜索，分析結構受載情況。以自存工況下平臺結構所受的波浪載荷分布圖對重點浪向及波浪周期進行分析，得到對關鍵節(jié)點影響較為嚴重的波浪參數(shù)。

圖13為水下結構在靜水作用下的壓力分布情況，從圖中可以看出平臺水下結構靜水中受載均勻，并且載荷大小主要與結構所處水深有關，水深越深，結構受到的靜水壓力越大，這與物理學中的水深與壓強的關系是一致的。

圖13 靜水壓力（自存）Fig. 13 Hydrostatic pressure（self-existing）

圖14為重點入射浪向及波浪周期下的波浪載荷分布圖，其中各圖命名組成分別為“浪向-周期”。通過6幅危險波浪載荷分布圖可以看出，入射浪向為斜浪時，波浪載荷呈對角分布。呈對角線分布的立柱與下浮筒連接位置受到較大載荷影響，從壓力分布情況反映出，本文設計波參數(shù)的選取可行。

圖14 危險波浪條件下的波浪載荷分布圖Fig. 14 Wave load distribution under dangerous wave conditions

3.2 關鍵節(jié)點應力分布分析

半潛式鉆井平臺在水中長期漂浮，從始至終靜水壓力會一直作用在半潛式結構上。圖15為靜水壓力作用下的最大主應力分布圖，可以看出，在靜水壓力作用下，平臺結構最大主應力分布在下浮筒的橫縱艙壁位置會發(fā)生突變，這種突變會對結構安全造成威脅，引發(fā)結構應力集中。

對平臺結構立柱與下浮筒連接處的關鍵節(jié)點所受應力進行分析。首先選取2浪向、4周期組合成一系列波浪條件，如表3所示。選取連接位置的多個節(jié)點如圖16所示，通過分析各波浪條件下的節(jié)點位移變化曲線如圖17所示。分析數(shù)據(jù)可以看出，節(jié)點位移最大值出現(xiàn)在靜水條件下。由此可知靜水條件的作用不僅是最基礎的作用力，而且在長期過程中，靜水壓力作用下的節(jié)點位移是結構發(fā)生變形的主要部分。因此，對靜水條件下波浪作用的各應力分量進一步分析很有必要。利用SESAM后處理模塊Xtract將節(jié)點應力分解為6部分，分別為x方向的膜應力（SIGMX）、y方向膜應力（SIGMY）、x方向的彎曲應力（SIGBX）、y方向彎曲應力（SIGBY）、xy方向的剪切膜應力（TAUMXY）、xy方向的剪切彎曲應力（TAUBXY），將各點的6個應力分量如圖18所示。

圖15 靜水壓力下最大主應力Fig. 15 Maximum principal stress under hydrostatic pressure

表3 危險波浪條件Tab. 3 Dangerous wave conditions

通過分析，圖18中各應力分量無論是在自存工況還是在作業(yè)工況均在節(jié)點5和節(jié)點6處發(fā)生應力突變，因此在連接處的中部十字節(jié)點位置很有可能發(fā)生應力集中。各應力分量之間進行對比分析，變化幅度最大的是SIGMY曲線即Y方向的膜應力。另外將各分量與等效應力進行對比，從變化趨勢及數(shù)值分析，SIGMY的絕對值與MVONMISES的數(shù)值較為接近，因此可以推測結構應力的主要影響因素是SIGMY分量，此結論對關鍵節(jié)點十字相交結構的焊接工藝分析提供指導。

圖16 連接處的節(jié)點Fig. 16 Nodes at the junction

圖17 各工況下的位移曲線（自存）Fig. 17 Displacement curve under various working conditions（self-existing）

圖18 靜水壓力下的立柱與下浮體交接處的各分解應力分布Fig. 18 Decomposition stress distribution at the junction of upright column and floating body under hydrostatic pressure

綜合膜應力和彎曲應力等因素的影響，將各節(jié)點的結構應力變化繪制成圖19所示的結構應力曲線圖。從整體上分析，無論是不同裝載工況還是不同波浪條件，在節(jié)點5和節(jié)點6位置均出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，即在立柱與下浮筒連接處的中縱艙壁位置的十字節(jié)點處。自存工況中，在各波浪條件下的計算結果之間對比，LLC00009波浪條件下的結構應力值最大，即浪向角為60°，周期為8 s時，對結構的影響最大。通過確定的設計波參數(shù)總結得到，縱向扭轉運動對立柱和下浮筒連接的十字節(jié)點位置的影響最為嚴重。從圖19（b）中發(fā)現(xiàn)作業(yè)工況下也存在類似的規(guī)律。

圖19 結構應力曲線圖Fig. 19 Structural stress curve

4 結 語

本文采用SESAM有限元軟件系列模塊，基于長期預報設計波法對超深水半潛式鉆井平臺進行長期預報，對各典型工況下的長期預報值進行分析，得到一系列危險的設計波參數(shù)。設計波參數(shù)中最危險工況為縱向扭轉，且最危險的波浪參數(shù)為有義波高11.30 m、波幅為5.65 m、周期為8 s、入射浪向60°、相位171.122，同時通過設計波參數(shù)計算結果確定了對關鍵節(jié)點結構應力影響較大的2個浪向角即30°，60°和3個波浪周期即7.6 s，7.8 s，8.0 s。

在此基礎上，對關鍵節(jié)點的結構強度進行分析，分別從不同浪向的靜水壓力分布和關鍵節(jié)點的應力分量2個角度進行分析。通過各工況下的位移量對比發(fā)現(xiàn)，靜水工況對關鍵節(jié)點的位移作用最大；分析各應力分量之間以及等效應力的對比，得到應力分量的重要組成部分是y方向的膜應力；將立柱與下浮筒連接位置多個節(jié)點的等效應力值進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在十字節(jié)點處的應力集中程度最大，并且推測此應力集中為實踐中所暴露問題的重要原因之一。