變截面立柱張力腿平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度評(píng)估

楊亮

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院，天津市300451）

張力腿平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱TLP）是一種典型的深水油氣開發(fā)的生產(chǎn)平臺(tái)類型，其系泊的張力筋鍵結(jié)構(gòu)時(shí)刻處于受拉的狀態(tài)，垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，可以采用干式采油樹。TLP一般適用于1500 m水深范圍內(nèi)的油氣田開發(fā)，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多座TLP投入海上油氣生產(chǎn)，但TLP的相關(guān)技術(shù)一直被國(guó)外公司掌握并壟斷，在我國(guó)還未有建造和應(yīng)用實(shí)例，因此依托國(guó)內(nèi)施工資源，自主開發(fā)適合我國(guó)南海油氣田開發(fā)的TLP船型并開展工程化應(yīng)用設(shè)計(jì)迫在眉睫。

傳統(tǒng)型TLP在目前已經(jīng)投入使用的平臺(tái)中數(shù)量最多且沒有專利限制，其多采用方形或圓形截面立柱（COLUMN）[1]。以傳統(tǒng)型TLP為基礎(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)創(chuàng)新，是開發(fā)適合我國(guó)南海油氣田且可以在國(guó)內(nèi)獨(dú)立建造TLP的最適合方法。

國(guó)內(nèi)船廠及海洋工程建造場(chǎng)地碼頭和航道水深較淺，為了滿足TLP建造要求，需要保證TLP自浮吃水不大于7.5 m，因此在本項(xiàng)研究中通過在立柱底部做“方轉(zhuǎn)圓”變截面結(jié)構(gòu)，將浮箱（PONTOON）設(shè)計(jì)得更寬而增加底部浮力并改善自浮穩(wěn)性，既可以減小立柱尺寸，同時(shí)又可以減輕平臺(tái)重量，來(lái)滿足碼頭及航道吃水要求。保留圓形立柱截面還可以減少環(huán)境力，有利于平臺(tái)的偏移和受力，從而改善TLP的在位性能。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并滿足使用要求是TLP方案可行的重要前提，因此需要對(duì)TLP的結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃布置并開展強(qiáng)度分析工作。

1 變截面立柱TLP結(jié)構(gòu)形式

本文研究的變截面立柱TLP為四個(gè)圓形截面立柱結(jié)構(gòu)，通過連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)（NODE）與四邊形截面浮箱（PONTOON）連接，其中COLUMN底部為特殊的“方轉(zhuǎn)圓”變截面形狀。在立柱頂部通過連接支柱（DECK POST）[2]與上部組塊（TOPSIDE）相連接。采用板殼結(jié)構(gòu)，外板及艙壁板采用H36高強(qiáng)鋼，骨材為球扁鋼并沿COLUMN及PONTOON縱向布置，桁材為鋼板拼接T型材結(jié)構(gòu)并沿環(huán)向布置

浮箱的截面為長(zhǎng)方形，其尺寸為7.5m×12m，立柱為直徑18.4m圓形截面，節(jié)點(diǎn)為方形倒角結(jié)構(gòu)，并通過一定范圍“圓轉(zhuǎn)方”過渡與圓柱形立柱連接。

TLP平臺(tái)設(shè)計(jì)吃水為26m，其船體主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 變截面立柱TLP主要結(jié)構(gòu)形式

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與計(jì)算流程

2.1 載荷與工況

用于TLP整體結(jié)構(gòu)分析的載荷包括靜載荷和動(dòng)載荷，其中靜載荷包括固定載荷、功能性載荷與浮力載荷，動(dòng)載荷主要指環(huán)境載荷，對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大的環(huán)境載荷是波浪載荷。水動(dòng)力載荷和張力筋腱（TENDON）反力可由水動(dòng)力計(jì)算分析得到。

在整體結(jié)構(gòu)分析中需要考慮建造、運(yùn)輸、在位、意外等多種工況，根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，百年一遇環(huán)境條件下的極端工況多為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制工況，因此本文對(duì)百年一遇工況下的船體結(jié)構(gòu)開展分析工作。TLP的重量及分布信息是結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，本文中變截面TLP重量信息如表1所示。

表1 用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的平臺(tái)重量信息

2.2 環(huán)境條件

本文計(jì)算選用中國(guó)南海某油田百年一遇的環(huán)境條件，波浪參數(shù)有義波高Hs = 13.5m，譜峰周期Tp=15.2s。

2.3 計(jì)算流程

對(duì)TLP開展整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析采用SESAM軟件，其流程如下：

1）采用SESAM/WADAM 程序來(lái)計(jì)算波浪載荷傳遞函數(shù)。首先建立水動(dòng)力模型，計(jì)算TLP平臺(tái)所受的波浪外載荷，從而獲得各特征載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)。然后，根據(jù)確定的波浪工況確定設(shè)計(jì)波參數(shù)。

2）采用SESAM/GENIE建立整體有限元分析模型，將各典型波浪工況的濕表面水動(dòng)壓力、靜水壓力以及慣性加速度施加到整體有限元模型上，采用SESAM/SESTRA 程序進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)的有限元分析，最后根據(jù)規(guī)范要求對(duì)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.4 強(qiáng)度判別標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)ABS FPI RULE[3]，采用等效應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度判別。本文TLP結(jié)構(gòu)使用鋼材等級(jí)為H36，其屈服強(qiáng)度為355MPa。

通過整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析得到的不同位置結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力不允許超過

式中Fy為材料屈服強(qiáng)度；F.S為安全系數(shù)，對(duì)于組合工況，F(xiàn).S取1.11。

所以在本文中，結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力應(yīng)為320MPa。

3 計(jì)算模型

3.1 概述

整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析采用SESAM軟件。其中模型建立采用GENIE模塊。

有限元模型以平臺(tái)中心與基平面交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，X 軸沿船體縱向并且指向首部為正；Y軸從右舷指向左舷為正；Z 軸垂直向上為正，如圖3所示。

應(yīng)用于TLP整體強(qiáng)度分析的計(jì)算模型包括水動(dòng)力模型，結(jié)構(gòu)模型和質(zhì)量模型。

3.2 水動(dòng)力模型

水動(dòng)力模型包括濕表面模型（PANEL）與莫里森（MORISION）模型（圖2）。PANEL模型用板單元建立，用于在WADAM中采用3D勢(shì)流理論進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算；MORISION單元采用桿件單元建立，用于計(jì)算水的粘性效應(yīng)，采用較小的桿件直徑與放大的拖曳力系數(shù)進(jìn)行模擬。

圖2 TLP水動(dòng)力模型

3.3 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型用于獲取總體強(qiáng)度分析的結(jié)果，模型包括內(nèi)外板、艙壁板、桁材等主要結(jié)構(gòu)，對(duì)于次要結(jié)構(gòu)及總體分析不關(guān)注的結(jié)構(gòu)則采用簡(jiǎn)化模擬進(jìn)行處理。

對(duì)于船體（HULL）結(jié)構(gòu)，外板、艙壁板、水平甲板板、強(qiáng)框架腹板等采用殼單元，扶強(qiáng)材與強(qiáng)框架面板采用梁?jiǎn)卧Ｕw上采用粗網(wǎng)格單元，大小取為骨材間距。對(duì)于關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)則進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以便取得更真實(shí)的應(yīng)力結(jié)果。船體除壓載水以外的附屬結(jié)構(gòu)重量平均到結(jié)構(gòu)模型中，壓載水則以質(zhì)量點(diǎn)的形式按照實(shí)際重量及重心位置進(jìn)行加載。

對(duì)于上部組塊（TOPSIDE）則采用桿件單元進(jìn)行模擬，在計(jì)算中只模擬主梁結(jié)構(gòu)，次梁結(jié)構(gòu)及設(shè)備重量按照位置信息以質(zhì)量點(diǎn)的形式進(jìn)行添加，作為TOPSIDE的質(zhì)量校準(zhǔn)。

用于總體強(qiáng)度分析的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 變截面立柱TLP結(jié)構(gòu)模型

3.4 質(zhì)量模型

質(zhì)量模型用于模擬TLP的質(zhì)量分布，以便獲取更精確的波浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

船體板殼結(jié)構(gòu)通過材料密度設(shè)置進(jìn)行質(zhì)量校準(zhǔn)并與重控?cái)?shù)據(jù)保持一致；張力筋鍵在WADAM中采用特殊的單元進(jìn)行模擬，此單元也可用于結(jié)構(gòu)模型。頂張緊立管（TTR）則按照預(yù)張力以載荷的形式進(jìn)行模擬。TOPSIDE重量按照2.1節(jié)描述進(jìn)行設(shè)置及模擬。

在本文中，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行質(zhì)量校準(zhǔn)及模擬，作為精確質(zhì)量模型使用。

3.5 邊界條件

在總體結(jié)構(gòu)模型中，邊界條件施加在8個(gè)張力筋鍵基座結(jié)構(gòu)處，用線性彈簧單元模擬張力筋腱，并作為總體強(qiáng)度分析的邊界條件，對(duì)每個(gè)彈簧單元的三個(gè)平動(dòng)方向的剛度由式（2）和式（3）求得：

式中P 為張力筋鍵預(yù)張力，L 為張力筋鍵長(zhǎng)度。

式中E 為彈性模量，A 為張力筋鍵橫截面積，L 為張力筋鍵長(zhǎng)度。

4 設(shè)計(jì)波的選取

4.1 典型波浪工況的確定

TLP最主要的環(huán)境載荷是由波浪引起的，用于強(qiáng)度分析的結(jié)構(gòu)模型通常較大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，因此在進(jìn)行總體強(qiáng)度分析中通常采用設(shè)計(jì)波法，只考慮對(duì)TLP總體結(jié)構(gòu)影響最大的幾個(gè)控制工況來(lái)獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，來(lái)考核結(jié)構(gòu)是否滿足要求。

TLP在波浪中所受載荷與平臺(tái)的裝載工況、波浪的波高、周期和相位、以及浪向角都有密切的關(guān)系，而且在平臺(tái)的使用過程中，這些因素有多種不同的組合狀態(tài)。所以，進(jìn)行平臺(tái)強(qiáng)度校核時(shí)，需要對(duì)平臺(tái)的多種受力狀態(tài)進(jìn)行分析，并從中選取出最危險(xiǎn)的工況。本文計(jì)算采用譜分析方法，首先計(jì)算TLP在各典型波浪工況下載荷響應(yīng)的短期極值，并結(jié)合各載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)確定設(shè)計(jì)波參數(shù)。

根據(jù)API 2T[4][5]建議和TLP的特點(diǎn)，由于TLP船體布置的中心對(duì)稱性，本文計(jì)算的典型波浪工況包括：

1. 斜向擠壓-分離力 （FsD）

2. X向擠壓-分離力（FsL）

3. Y向擠壓-分離力（FsT）

4. 繞X軸最大扭轉(zhuǎn)（MOMTORL）

5. 繞Y軸最大扭轉(zhuǎn)（MOMTORT）

6. X向最大剪力（FL）

7. Y向最大剪力（FT）

8. X向最大加速度（ACCLONG）

9. Y向最大加速度（ACCTRAN）

10. Z向最大加速度（ACCVER）

11. X向PONTOON最大彎矩 （MOMVERL）

12. Y向PONTOON最大彎矩（MOMVERT）

4.2 水動(dòng)力計(jì)算

在水動(dòng)力計(jì)算分析中，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選取波浪入射角度為0-180°，每隔15°為一個(gè)入射角，共15個(gè)波浪方向；選取波浪周期為3-30s，間隔1s，共28個(gè)周期。

總體響應(yīng)水動(dòng)力計(jì)算模型包括3.2節(jié)提到的PANEL與MORISION組合成的模型。質(zhì)量模型按照實(shí)際工況質(zhì)量分布進(jìn)行校準(zhǔn)并作為計(jì)算輸入，用于獲取4.1節(jié)中所要考察的不同典型波浪工況的截面載荷。

4.3 設(shè)計(jì)波選取結(jié)果

通過水動(dòng)力分析，獲得了4.1節(jié)中所述各典型工況下的波浪載荷的傳遞函數(shù)和短期極值，進(jìn)而確定了不同工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)，如表2所示。

表2 用于整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的設(shè)計(jì)波參數(shù)

5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在確定了不同波浪工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)之后，用WADAM將平臺(tái)在不同設(shè)計(jì)波下的水動(dòng)壓力和慣性加速度求解出來(lái)，并輸出生成載荷文件，施加到結(jié)構(gòu)有限元模型上，進(jìn)行在位工況下船體結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度計(jì)算。

采用準(zhǔn)靜態(tài)方法，利用SESAM/SESTRA 對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到結(jié)構(gòu)所有部位在各設(shè)計(jì)波工況下最大Von Mises應(yīng)力結(jié)果，各組構(gòu)件最大應(yīng)力結(jié)果及對(duì)應(yīng)的工況和利用系數(shù)見表3。典型的主體結(jié)構(gòu)不同位置結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力云圖如圖4至圖6所示。

圖4 Column-外板應(yīng)力結(jié)果分布圖

圖5 Deck Post應(yīng)力結(jié)果分布圖

圖6 Node骨材應(yīng)力結(jié)果分布圖

表3 不同部位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果及利用系數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)變截面立柱這種新型的TLP平臺(tái)結(jié)構(gòu)特征及適應(yīng)性進(jìn)行了闡述，并對(duì)結(jié)構(gòu)布置規(guī)劃及整體強(qiáng)度分析開展相關(guān)工作，得到了一些結(jié)論：

1）與業(yè)界已投產(chǎn)使用的傳統(tǒng)型TLP相比，本文對(duì)TLP設(shè)置變截面立柱可以兼顧平臺(tái)所受環(huán)境載荷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與重量控制，同時(shí)滿足國(guó)內(nèi)航道的拖航要求，是一種適合國(guó)內(nèi)應(yīng)用的新型張力腿平臺(tái)形式。

2）通過采用設(shè)計(jì)波法完成TLP在中國(guó)南海百年一遇環(huán)境條件下總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，其各結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力結(jié)果均在設(shè)計(jì)的許用范圍內(nèi)，證明此種TLP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式滿足極端工況的要求。

3）節(jié)點(diǎn)與浮箱、船體與組塊等關(guān)鍵連接位置等應(yīng)力結(jié)果較大，張力筋鍵支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建議可進(jìn)一步開展局部結(jié)構(gòu)細(xì)化并進(jìn)行強(qiáng)度與疲勞分析。

4）建議后續(xù)繼續(xù)開展TLP的合攏、運(yùn)輸、操作、生存等工況的整體分析工作，最終確定滿足所有設(shè)計(jì)工況的結(jié)構(gòu)形式。