深水半潜式钻井平台总体强度分析

2010-09-09白艳彬薛鸿祥唐文勇

中国海洋平台 2010年2期

关键词：潜式波浪总体

白艳彬, 刘俊, 薛鸿祥, 唐文勇

(上海交通大学,上海 200240)

深水半潜式钻井平台总体强度分析

白艳彬, 刘俊, 薛鸿祥, 唐文勇

(上海交通大学,上海 200240)

以某新型第六代深水半潜式钻井平台为分析对象,依据三维绕射理论计算波浪诱导载荷与运动,采用谱分析法确定设计波参数,进行了自存、作业等装载情况下21个波浪工况的波浪载荷预报,并建立三维有限元模型完成了平台结构总体强度分析。结合波浪载荷预报及结构分析结果,提出了计算工况选取原则及控制总体强度的关键因素,可为今后深水半潜式平台的结构设计、总体强度分析、选取疲劳强度典型节点及形式优化提供参考。

深水半潜式平台;强度;波浪载荷;工况选取

Abstract:Global strength analysis of a sixth generation deep-water semi-submersible platform is demonstrated in this paper.Wave induced loads and platform motion are calculated by means of three-dimensional diffraction method.The parameters of design wave are obtained by spectrum analysis method.Wave load prediction of 21 wave load conditions in three different situations is described.At the same time,three-dimensional FEM model is established to analyze structure general strength of the platform.Combining with wave load prediction and structure analytic results,principles of condition selection and key factors which control general strength are put forward.Such conclusions will be as some references to design,structural strength analysis,selection of typical nodes for fatigue assessment and structure optimization in the future.

Key words:deep-water semi-submersible platform;general strength;wave load;condition selection

0 引言

新型半潜式钻井平台在抗风浪能力、甲板变载能力、工作水深、钻井深度以及多功能作业(钻井、完井、试油、生产、修井、起重和铺管)等方面与另外两种主流的深水平台Spar、TLP相比,有着明显的比较优势,这使得半潜式平台成为南海油气资源勘探开发的首选。

本文的目标平台是国内在建的第一座代表世界先进水平的第六代深水半潜式平台,结构形式上采用箱式上部结构、双浮体、四立柱、双横撑的形式,无斜撑设计避免了出现复杂管节点疲劳破坏的可能性。但是箱式甲板纵向与横向的大跨度特点及无斜撑设计使平台的总体强度分析成为保证平台结构安全的首要任务。

国内建造的深水平台数量不多,但对其结构强度分析一直很受重视。文献[1,2]根据船级社规范进行了平台的结构强度校核;文献[3]提出Spar平台总体强度分析方法,但这些研究均未涉及计算工况的选取原则,船级社也未明确给出针对半潜式平台的分析工况选取原则。海洋平台总体强度分析的关键是计算波浪诱导载荷与运动,文献[4]采用三维绕射理论频域法计算了半潜式平台的波浪载荷;文献[5]应用时域格林函数法求解波浪与三维物体间的绕射与辐射问题。

本文采用可以考虑工作海域海况条件及结构水动力特性的谱分析方法确定设计波参数,进行了自存工况、两种作业工况共三种装载情况下21个波浪工况的载荷预报,并完成了平台结构总体强度三维有限元分析,在入射波与结构变形模式关系、结构应力分析的基础上提出了计算工况选取原则及控制总体强度的关键因素,这些工作可为今后深水半潜式平台的结构设计、强度分析及形式优化提供参考。

1 总体强度分析方法

由于大型海洋结构物可以严重影响入射波的流场,各船级社[6～8]推荐使用三维绕射理论计算波浪载荷。本文采用三维绕射理论计算平台湿表面的水动压力及波浪诱导的运动,基于波浪载荷频域法和谱分析的设计波法是一种综合考虑船舶与海洋结构物的水动力性能、工作海域的海况条件、波浪回复周期等因素,为结构设计和分析提供适当载荷值的载荷处理方法。

结构分析采用准静态分析方法,选择水动力预报载荷达到极值的瞬时时刻平台运动引起的惯性力、液舱对舱壁的水动压力与湿表面水压力施加到结构有限元模型进行有限元计算。

1.1 波浪载荷

深水平台对入射波流场影响大,绕射与辐射引起的绕射力与惯性力是波浪诱导载荷的重要分量。绕射理论假设流体是均匀、不可压缩、无旋的理想流体,并且不计自由表面张力(简化自由表面边界条件),在引入微幅波假设后,简化为线性绕射理论。

基本方程为

速度势分解为

式中:ΦI为入射势;ΦR为辐射势;ΦD为绕射速度势。

计算波浪载荷的波面升高使用Airy波,波高表示为

无航速入射波速度势表示为

波浪载荷计算中绕射势与辐射势满足物面条件,使用在平台湿表面布置点源形式的 Green函数来表示流场势函数。平台六个自由度运动临界阻尼系数需要根据水动力模型试验的结果进行修正,本文波浪载荷计算采用的临界阻尼系数参考文献[9]的水池模型实验进行修正,垂荡运动临界阻尼系数取2%～7%。

1.2 水动力载荷预报

平台的波浪诱导载荷在不同周期、浪向、相位的波浪条件下差异很大,需要根据结构形式、装载工况和工作环境选择合适的预报载荷以搜索出对结构最不利的波浪。水动力载荷预报的目的在于确定对结构强度影响最大的波浪。

根据半潜式平台水动力性能研究,水动力载荷预报的载荷有浮箱间的横向力、水平横向扭矩、中纵剖面垂向剪切力、甲板处纵向与横向运动引起惯性力、浮箱垂向弯矩等。本文根据甲板设备布置及平台结构特点增加中横剖面的垂向弯矩及平台垂向运动引起的惯性力的预报,以考察平台沿横向的垂向弯曲强度及重型设备放置处的结构强度。

1.3 设计波参数确定

设计波参数包括波幅、浪向、波浪频率、相位。确定设计波波幅的方法有确定性方法与谱分析方法。文献[1]采用极限波高法确定设计波波幅,但极限波高法不能考虑平台的水动力特性及工作区域的环境特点。

谱分析方法确定设计波参数主要有3个步骤:

(1)确定水动力预报载荷;

(2)计算预报载荷的幅频响应函数,确定设计波的浪向、波频及相位;

(3)确定设计波波幅,设计波波幅是载荷长期预报值与幅频响应函数幅值的比值。

2 结构分析

2.1 环境条件

2.2 计算模型

结构分析使用的计算模型包括结构模型、质量模型、水动力模型与液舱模型,如图1～图4所示。波浪载荷使用SESAM/Wadam计算,结构分析使用SESAM/Sestra。水动力模型及质量模型用来计算平台湿表面的水动压力及运动响应。液舱模型用来模拟液货对平台质量的贡献及结构计算时将液舱的水动压力映射到结构模型。

结构模型与水动力模型使用右手直角坐标系,原点取在平台中纵剖面与中横剖面相贯线与基面相交处。x轴为纵向轴,从尾部指向首部为正;y轴为横向轴,从中心线指向左舷为正;z轴为垂向轴,从基面向上为正。

2.3 位移边界条件

结构有限元计算时需要消除平台六个自由度的刚体运动,选取3个节点约束刚体位移,节点取在浮体的一个与水平面平行的平面内。节点1、2位于右舷浮箱中纵舱壁,节点3位于左舷浮箱中横舱壁。节点1:Ux=Uy=Uz=0;节点2:Uy=Uz=0;节点3:Uz=0。

2.4 设计波参数

根据工作海域的海洋环境条件,采用谱分析方法确定的自存工况及两个作业工况的设计波参数见表1～表3,相位表征入射波与结构的相对位置,作为结构分析的初始相位。

表1 自存工况设计波参数

表2 作业工况1设计波参数

表3 作业工况2设计波参数

2.5 结果分析

2.5.1 入射波与结构变形模式

引起平台甲板最大纵向惯性力、横向惯性力和最大垂向加速度的入射波为首浪和横浪。引起平台主要变形模式:纵向垂向弯曲、浮箱横向分离及扭转、纵向垂向剪切的入射波波长及相位。其与平台尺寸及位置的相对关系分别见图5～图8。2.5.2 结构应力分析

根据CCS[6]、ABS[7]规范推荐结构强度校核使用单元形心处中面等效应力。

计算工况0对应静水工况,其他计算工况是静水与波浪工况的组合工况,其设计波参数见表1～表3。计算工况编号1～7对应纵向最大垂向弯曲状态、最大横向受力状态、最大水平横向扭转状态、甲板最大横向惯性力状态、甲板最大纵向惯性力状态、平台最大垂向加速度状态、纵向最大垂向剪切状态。

图8 纵向最大垂向剪切状态

由分析结果可知21个工况下结构应力分布都较为均匀。其中自存工况的计算工况3时平台应力水平最高。计算工况3也即频率0.8 rad/s,浪向120°斜浪工况,同时该工况会发生最大水平横向扭转变形。图9是该工况下变形图与等效应力云图,可以看出结构总体应力分布均匀,除高应力区外,上部结构的总体应力水平在180 MPa以下,总体应力水平较高的构件为上部结构的上层甲板及双层底的甲板外底板;立柱、横撑、浮箱的总体应力水平在140 MPa以下。

21个计算工况平台的各主要构件最大Von Mises应力见表4,虽然大部分区域应力分布均匀,应力水平合理,但各部分也存在明显的较高应力区:

(1)上部结构:四层甲板月池角隅,位于立柱外壳板靠近月池的两侧板上方的上部结构连续纵横舱壁连接处。

(2)立柱与横撑:立柱外壳板与浮箱外壳板连接处,立柱中纵舱壁底部,立柱外壳板中靠近月池的两侧板,横撑与立柱外壳板相接处。

(3)浮箱:浮箱中纵舱壁与立柱外板相接靠近浮箱首部与尾部的连接处。

表4 各计算工况平台主要构件最大Von Mises应力单位:MPa

0 1 2 3 4 5 6 7自存工况 274.9 286.9 254.3 381.5 309.9 250.0 291.4 342.2作业工况1 299.4 307.7 277.2 341.4 268.2 268.2 299.4 352.3作业工况2 230.3 246.9 216.0 250.4 224.1 224.1 246.5 275.4

2.5.3 平台不同计算工况最大Von Mises应力变化特点

通过分析计算工况的入射波状态与结构变形模式的关系(见图5～图8,入射波状态见表1～表3),各计算工况平台高应力区分布及各部分最大Von Mises应力变化特点(见图10～图12),可以得到总体强度分析工况选取原则以及影响总强度的关键因素:

(1)对平台的总体强度要求最高的是斜浪工况中使得平台产生最大水平横向扭转状态的波浪工况,其次是横浪工况产生纵向最大垂向剪切状态的波浪工况。