深水半潜式钻井平台冗余强度评估

王世圣, 谢 彬, 谢文会

(中海石油研究总院,北京100027)

深水半潜式钻井平台冗余强度评估

王世圣, 谢 彬, 谢文会

(中海石油研究总院,北京100027)

为评估深水半潜式钻井平台冗余强度,应用SESAM软件,建立了深水半潜式钻井平台破损结构的有限元模型,并依据生存工况计算设计波参数,通过计算获得生存工况下六种波浪载荷。然后再将设计波浪载荷施加到结构模型上,通过结构有限元计算分析获得了总体结构的应力计算结果和应力分布趋势,通过对比完整结构与破损结构的最大应力的变化,对半潜式钻井平台的破损强度进行了评估。

深水半潜式钻井平台;结构模型;有限元;应力分布;冗余强度

0 引言

深水半潜式钻井平台作为深水油气田开发的重要设备,长期在恶劣的海洋环境中作业,不时承受着海洋环境载荷的作用。根据ABS设计规范[1]规定,深水半潜式钻井平台不仅在完整状态下具有足够的整体强度,而且在局部破损后仍能保证其整体不破坏。因此,我们不但需要对半潜式钻井平台进行总体结构强度分析,还需要进行冗余结构强度分析。由于平台的对称性,在相同的工况条件下船艏和船艉的一根横撑破断对结构的影响相差不大。一般半潜式钻井平台的冗余结构强度分析的假定条件是半潜式钻井平台船艏的一根横撑破断,冗余结构强度分析与总体结构强度分析一样,均采用有限元法进行。分析工况采用生存工况。

本文建立了深水半潜式钻井平台破损结构的有限元模型,并按照百年一遇的生存工况计算波浪载荷,然后施加到结构有限元模型上,进行结构计算,同时根据计算结果对结构冗余强度进行了评估。

1 破损结构的有限元模型的建立

深水半潜式钻井平台的主体结构由两个旁通和四根立柱与之连接一起的立柱构成,立柱截面形状多为正方形或矩形。半潜式钻井平台的壳体结构包括下浮体、立柱,它们都包含多个由纵横舱壁隔开的内部舱室,以及水密或非水密平台,且壳体、立柱和内部舱室壁板都设有很多纵、横加强筋予以加强。在建立半潜式钻井平台的结构模型时为减轻建模工作量和降低有限元网格划分的难度,在反映结构真实承载能力的前提下,须做相应的简化。在建立半潜式钻井平台的总体结构模型时,外板、舱壁、甲板等平板构件采用四节点或三节点壳单元,平台骨架(包括纵析、纵骨、横梁、肋骨等加强结构)简化为空间梁单元,但对于壳体加强骨架中尺度较大的板,为提高计算精度要用板单元模拟。横撑管由于结构尺寸较大也采用壳单元。在有限元网格划分过程中,对联结部位(如:立柱与下浮体联结处、立柱与上甲板联结处以及横撑管与立柱联结处)要注意细化网格。图1所示为半潜式钻井平台破损结构的有限元模型。

冗余结构强度分析的边界条件是在平台的下浮箱上取3个节点,节点1限制X、Y、Z向三个移动自由度,节点2限制Y、Z向三个移动自由度,节点3限制Z向三个移动自由度。理论上平台在重力、惯性力和波浪力作用下是一个自平衡体系,所有约束反力应当为零,因此要求反力足够小才能保证计算精度。一般要求约束反力小于总重量的0.1%。

图1 冗余结构强度计算模型

2 载荷组合工况

按照ABS设计规范,需要对拖航、作业/连接和生存3种状态分别进行半潜式钻井平台的总体结构冗余强度分析。但冗余强度分析的目的是要求结构在局部破损的情况下不发生整体结构失效,对比三种工况,在生存状态下,半潜式钻井平台出现局部破损时最容易发生整体结构失效,因此半潜式钻井平台的冗余强度分析只考虑生存状态。在生存状态下平台所遭受的最具危险性的水动力载荷有:

1)最大横向撕裂力;2)最大横向扭矩;3)最大纵向剪切力;4)最大垂向弯矩;5)最大纵向甲板质量加速运动引起的惯性力;6)最大横向甲板质量加速运动引起的惯性力。

根据ABS规范给定的方法,按照百年一遇的海洋环境条件对以上六种危险工况进行设计波分析,通过计算获得这些工况的设计波参数见表1。

表1 生存状态下设计波参数及水动力载荷

按照表1给定的生存状态下设计波参数,在建立冗余结构强度计算模型后,利用Sesam程序分析计算水动力载荷,并将水动力载荷直接映射到整体结构有限元模型上,应用模块Sestra进行平台的结构计算,冗余结构的有限元计算结果由Xtract输出,在Xtract模块中可以迭加静水压力和水动力共同作用的结果并以等效应力云图的方式输出计算结果。

3 许用应力

深水半潜式钻井平台浮体结构主要采用高强度钢制造,钢材的屈服极限为355 MPa,在立柱与上甲板的连接部位采用超高强度钢材,屈服极限达到550 MPa。ABSMODU规范对深水半潜式钻井平台结构各工况时规定了的许用应力标准。对于应力分量和由应力分量组合而得的应力,两者的许用应力计算公式为

式中:FY为材料屈服极限;FS为安全系数。

对于板结构,可以采用Von Mises等效应力进行校核。等效应力的许用应力见表2。

表2 等效应力的许用应力

4 计算结果与对比分析

应用Sesam程序,根据确定的设计波参数对半潜式钻井平台进行了冗余强度计算,计算结果给出了在不同工况下平台破损结构的总体应力分布,以及主要结构部分的应力分布和最大应力的作用位置,为判断结构的安全余度和改进结构提供了依据。半潜式钻井平台破损结构总体应力分布如图2～图7。

半潜式钻井平台冗余度分析的目的是通过破损结构与完整结构的计算结果对比,确定半潜式钻井平台是否具有一定冗余度。对于不同的工况,破损结构与完整结构的计算结果存在明显的差异,下面将对比六种工况下,破损结构与完整结构的计算结果,以确定这些工况的结构强度冗余度,最后确定平台结构总的强度冗余度。六种工况下破损结构与完整结构上最大应力见表3。

图6 最大纵向甲板质量加速作用工况

图7 最大横向甲板质量加速作用工况

表3 六种工况下破损结构与完整结构上最大应力

根据图2～图7六种工况下结构总体应力分布及表3给出的六种工况下破损结构与完整结构上最大应力,破损结构与完整结构的应力对比如下:

工况1在最大横向撕裂力作用下,下浮箱纵舱壁最大应力大于许用应力,冗余度不够,需要加强。由于前横撑破损,横向撕裂力由一根横撑承担,横撑最大应力大于许用应力,冗余度不够,需要加强。在立柱强框架上也出现了同样的问题。其他部位在同一工况下破损结构与完整结构上最大应力接近。

工况2在最大横向扭矩作用下,箱型甲板的应力大于许用应力,但破损结构与完整结构最大应力接近。由于最大横向扭矩主要由箱型甲板和横撑承担,高应力区出现在箱型甲板和横撑上,故两者均需要加强。

工况3在最大纵向剪切力作用下,使得箱型甲板与立柱连接部位,及下浮体的相关结构出现高应力区,但破损结构与完整结构最大应力差别不很大。该工况是六种工况中最危险的工况,故要求结构作总体加强。

工况4在最大垂向弯矩作用下,引起应力增加的部位是下浮箱纵舱壁,这是由于下浮箱的纵向弯曲造成的。下浮箱横舱壁和强框架,在各个工况下总是出现高应力点,这主要是由有限元网格划分不合理造成的。

工况5在最大纵向甲板质量加速运动引起的惯性力作用下,结构破损没有引起结构应力的显著增加,该工况不是结构冗余强度的控制工况。

工况6最大横向甲板质量加速运动引起的惯性力,结构破损没有引起结构应力的显著增加,该工况不是结构冗余强度的控制工况。

5 结论

(1)通过冗余强度结构分析以及与完整结构强度分析结果对比,可以看出六种计算工况中的前四种工况为冗余强度的控制工况。在这四种工况中,结构的破损(前横撑的缺失)导致结构应力分布发生明显变化,或高应力区转移,或最大应力明显增加。(2)根据计算结果,前横撑破损造成结构最大应力明显变化的主要部位包括:横撑、上甲板BHD、下浮箱纵舱壁、立柱强框架和立柱外板。这些部位需要加强结构强度。(3)在有限元网格划分时,由于主要考虑了立柱和下浮箱的网格协调,在下浮箱横舱壁和下浮箱强框架上出现了个别不规则单元,从而造成个别高应力点的出现,但这并不能反映真实的应力,需要通过局部模型修正。(4)根据冗余强度分析结果,完整结构经过修改可以保证在生存状态下具有足够的冗余度。

[1] ABS.ABSRules for building and classing mobile offshore drilling units[S].Houston:American Bureau of Shipping,2006.

[2] ABS.ABS-Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S].2001,part 3-Hull construction&Equipment.

Study on Redundancy Strength of the Deepwater Sem i-Submersible Drilling Rig

WANG Shi-sheng, XIEBin, XIEWen-hui

(CNOOC Research Institue,Beijing 100027,China)

In order to study redundancy strength of the deepwater semi-submersible drilling rig,damaged structural model is built by SESAM softw are.Acco rding to survival condition design wave parameters,six wave loads in survival conditon are calculated,and then they are app lied to the damaged structural model.The stress and its distribution trend are go tten by finite element analysis.Through contrasting the change of maximum stress between damaged structure and comp lete structure,evaluation of redundancy strength of sem i-submersible drilling rig ismade.

deepw ater sem i-submersible drilling rig;structural model;finite element;stress distribution;redundancy structural strength

P751

A

2009-12-30

国家高技术研究发展计划(八六三)经费资助项目“深水半潜式钻井平台关键技术”(2006AA09A103)

王世圣(1962-),男,博士,从事深水海洋石油开发工程结构研究。