半潛式生產(chǎn)平臺濕拖拖點結(jié)構(gòu)強度分析

梁 瑜， 田 鋒， 喬曉國， 楊 亮， 毛程亮

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計院， 天津 300451)

0 引 言

半潛式生產(chǎn)平臺具有適用水深范圍廣、抵御惡劣海況能力強、建造技術(shù)相對成熟等優(yōu)點，在國際上得到廣泛的應用。目前世界上約有50座半潛式生產(chǎn)平臺在役，主要分布在巴西海域、北海、墨西哥灣和西非海域[1-2]。

在深水浮式平臺設(shè)計中，拖點結(jié)構(gòu)作為拖纜與半潛式平臺連接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是平臺拖航分析中的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)強度能否滿足設(shè)計要求是整個平臺濕拖能否成功的關(guān)鍵，是確保半潛式平臺長距離濕拖萬無一失的重中之重。

目前業(yè)內(nèi)關(guān)于平臺拖航方面的研究主要集中于平臺穩(wěn)性、拖航阻力、運動性能分析等方面[3-5]，而對于深水浮式平臺拖點結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方面的研究則寥寥無幾。

排水量超10萬噸的大型浮式平臺的濕拖拖點結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析國內(nèi)尚無先例，為填補此項空白，以我國陵水17-2氣田深水半潛式生產(chǎn)平臺為例，詳細介紹大型浮式平臺濕拖拖點設(shè)計分析的過程和方法。

陵水17-2氣田作為1 500 m水深自營油氣田，采用半潛式生產(chǎn)平臺結(jié)合水下設(shè)施的模式進行開發(fā)，是深吃水、適應鋼懸鏈線立管的半潛式生產(chǎn)平臺，最大排水量超11萬t，同時也是凝析油儲存半潛式平臺[6]。

陵水17-2半潛式平臺相關(guān)信息如下：

總長為91.5 m(立柱寬度21.0 m+浮筒長度49.5 m+立柱寬度21.0 m)；

浮筒尺寸為長度49.5 m×寬度21.0 m×高度9.0 m(倒角1.0 m)；

立柱尺寸為長度21.0 m×寬度21.0 m×高度59.0 m(倒角1.7 m)；

下甲板標高為60.5 m；

空船質(zhì)量為53 007 t。

陵水17-2項目在綜合考慮項目工期、拖航時間、拖航費用、拖航程序、拖航運動與穩(wěn)性、船體強度、受臺風影響等方面后，最終采用從建造場地至陵水海域濕式拖航的運輸方式。

1 濕拖設(shè)計輸入數(shù)據(jù)

平臺濕拖的主拖采用3艘功率力拖船，系柱拖力按照300 t考慮。

平臺濕拖拖航平面布置如圖1所示。

圖1 平臺濕拖拖航平面布置圖

從卸扣規(guī)格表中選取300 t載荷的卸扣，考慮到拖點結(jié)構(gòu)的尺寸，將該卸扣鉗口寬度改為195 mm，弓高改為500 mm，需進行特殊定制。

經(jīng)與海上安裝方確認，濕拖設(shè)計輸入數(shù)據(jù)中選用卸扣的具體規(guī)格如表1所示。

表1 濕拖索具卸扣規(guī)格

2 拖點設(shè)計的載荷計算

依據(jù)挪威船級社(DNV)拖航規(guī)范DNV GL-ST-N001[7]，用于校核拖點極限強度的最大載荷FULC=2.0FBP+40 t(其中：FBP為拖船系柱拖力)。由于FBP取300 t，因此FULC為640 t。

采用線性有限元方法進行結(jié)構(gòu)分析計算，依據(jù)AISC 360-15[8]，在同樣載荷下極限強度的許用應力可比正常工作下許用應力提高三分之一。由于對拖點進行線彈性分析，因此在計算中相應地把計算載荷降低為極限強度對應載荷的0.75(1/1.33≈0.75)，但是許用應力仍為正常工作下的許用應力，即計算載荷等效為0.75FULC=480 t，將其作為計算施加載荷，用于線性有限元計算。

依據(jù)半潛式平臺濕拖運動分析結(jié)果(見表2)，濕拖過程最大橫搖角為7.04°。

表2 半潛式平臺濕拖運動分析結(jié)果 (°)

綜合考慮拖纜與水平面的夾角，拖點載荷作用方向相對于拖點平面的面外角取9°。

3 拖點結(jié)構(gòu)強度分析

基于選用卸扣的幾何尺寸信息(見表3)和拖點眼板的結(jié)構(gòu)尺寸信息(見表4)，包括開孔直徑、主板厚度、兩側(cè)貼板厚度、圓弧倒角半徑等，對拖點自身幾何形狀與卸扣匹配性進行核算，包括：卸扣鉗口寬度應大于拖點眼板總厚度、銷軸直徑應小于拖點眼板開孔直徑、卸扣鉗口寬度的間隙應為10～15 mm、拖點眼板開孔高度應大于眼板開孔最小高度要求、卸扣高度間隙應大于拖纜直徑、滿足貼板與主板之間焊縫的焊角最小要求等，具體結(jié)果如表5 所示。

表3 卸扣尺寸信息

續(xù)表4 拖點眼板尺寸信息 mm

表5 拖點幾何形狀校核結(jié)果

通過對拖點眼板的擠壓強度、剪切強度、貼板焊縫強度等進行計算校核，使拖點自身幾何尺寸和結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。拖點強度計算校核結(jié)果如表6所示。

表6 拖點強度計算校核結(jié)果

在對眼板的擠壓強度、剪切強度等進行計算校核之后，應用SESAM GeniE軟件[9]對拖點及其加強結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)有限元分析計算。

拖點結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 拖點有限元分析結(jié)構(gòu)模型

施加載荷情況如下：

點載荷：300 000 kg×9.81 m/s2×1.6=4 708 800 N；

彎矩：300 000 kg×9.81 m/s2×1.6sin 9°×0.408 5 m=300 073 N·m；

其中：300 000 kg為載荷；9.81 m/s2為重力加速度；1.6為載荷因數(shù)；9°為拖點載荷作用方向相對于拖點平面的面外角；0.408 5 m為力臂值，由卸扣弓高(500 mm)+開孔半徑(137/2 mm)-弓高半徑(160 mm)計算得到。

模型載荷加載如圖3所示。

圖3 拖點有限元分析載荷施加

4 計算結(jié)果分析與設(shè)計優(yōu)化

美國船級社(ABS)RulesforBuildingandClassing:MobileOffshoreDrillingUnits[10]針對半潛式平臺結(jié)構(gòu)分析規(guī)定了許用應力標準。對于板殼結(jié)構(gòu)，可采用等效應力進行校核。對于EH36鋼材，等效應力的許用應力為

F=Fy/fS

(1)

式中：F為許用應力；Fy為屈服極限，取355 MPa；fS為安全因數(shù)。

相應的安全因數(shù)和許用應力如表7所示。

表7 安全因數(shù)和許用應力

半潛式平臺濕拖結(jié)構(gòu)強度計算按照操作工況考慮，即許用應力為248 MPa。

對上述有限元結(jié)構(gòu)進行計算分析后，得到立柱內(nèi)側(cè)拖點附近結(jié)構(gòu)的等效應力為201 MPa，等效應力云圖如圖4所示。

圖4 立柱內(nèi)側(cè)拖點有限元分析應力結(jié)果

立柱外側(cè)拖點附近結(jié)構(gòu)的等效應力為289 MPa，等效應力云圖如圖5所示。

圖5 立柱外側(cè)拖點有限元分析應力結(jié)果

應力分析結(jié)果顯示有個別單元的等效應力超過許用應力248 MPa，具體如圖6所示。

圖6 立柱外側(cè)拖點有限元分析超過許用應力結(jié)果

雖然圖6顯示超過許用應力的單元位于應力集中部位，而且是個別單元，但為了確保平臺拖航過程的萬無一失，仍然將拖點的主板鋼材規(guī)格由原ABS EH36[11]升級為更高強度鋼材API 2Y GR.60 TYPE AX[12](屈服限為414 MPa，許用應力為290 MPa)，使拖點結(jié)構(gòu)完全滿足平臺拖航的設(shè)計要求，并對拖點圖紙進行更新。

5 結(jié) 論

浮式平臺拖航作業(yè)是關(guān)系整個工程項目成敗的關(guān)鍵，任何一點設(shè)計失誤都不能容忍，拖點的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須確保其自身及其加強結(jié)構(gòu)強度完全滿足設(shè)計要求。從拖航索具的選取、拖點計算載荷的確定、拖點自身幾何尺寸的校核，到拖點結(jié)構(gòu)強度的有限元計算分析，完成半潛式平臺濕拖拖點設(shè)計的一整套設(shè)計分析流程，給出一套切實可行便于操作的設(shè)計分析流程。由分析過程可知，拖點設(shè)計的關(guān)鍵點在于：拖點幾何尺寸與卸扣尺寸的匹配、拖點設(shè)計載荷的計算(包括設(shè)計載荷的確定、面外角的大小等)和拖點強度分析校核等。另外，所建立的半潛式平臺濕拖拖點結(jié)構(gòu)強度設(shè)計分析方法可為今后大型浮式平臺濕拖拖點的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些有益參考。