不同撑管结构的半潜式平台极限强度比较研究

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(江苏科技大学， 江苏 镇江 212003)

0 引言

半潜式平台具有良好的水动力、对水深适应性强、结构相对简单等优点。作为我国南海石油资源开发的主要平台，深水半潜式钻井平台经历了第一代到第六代的发展，其工作水深、结构形式、钻井效率、可变载荷等参数都在不断提高。目前，主流半潜式平台除了撑管的型式和数量有所区别外，平台的主体已经十分接近，基本上都是箱型上船体、四根立柱及两个下浮体结构。因此，以撑管结构为主要研究对象，比较分析四种不同撑管型式的半潜式平台的运动响应和极限强度。

1 计算模型

目前，半潜式平台的撑管型式主要有两种：小截面撑管和宽截面撑管。选取的四种撑管型式的平台分别为“海洋石油981”的鼓形撑管，艏尾两端各两根(如图1(a)所示)、GM4000D平台的圆形撑管，艏尾两端各一根(如图1(b)所示)、GVA7500平台的连接两下浮体的翼型撑管[1]，艏尾两端各一根(如图1(c)所示)以及无撑管的平台(如图1(d)所示)。平台结构主要参数见表1。

表1 四种半潜钻井平台主要结构参数

2 运动响应分析

选取北大西洋100年一遇的海况，作业水深为3 000 m，有效波高Hs为10 m，波峰周期Tp为12 s。通过SESAM/PatranPre建立平台的湿表面模型、质量模型和结构有限元模型，导入波浪载荷分析与响应计算模块Wadam计算载荷传递函数，其中浪向角范围为0°～90°，以15°为步长，波浪周期的范围为4 s～38 s ，以2 s为步长递增。最后利用计算结果统计后处理的交互式图形后处理程序Postresp显示计算结果，四种平台六自由度运动响应函数见表2。

比较四种平台在19 m吃水下六自由度频率响应幅值，可以看出：(1)垂荡运动时，四种平台的垂荡响应与浪向无关，但c平台的响应RAO值最小，a和b相差不大，d最大；(2)横荡和纵荡时，撑管结构变化对四种平台结构响应的影响很小，可以不予考虑；(3)横摇时，四种平台的响应整体走势相同且趋于重合，可见撑管结构对于平台的横摇响应影响较小；(4)纵摇时，c平台结构的纵摇响应值较小，d最大；(5)艏摇时，撑管结构对艏摇响应影响不大。综合来说，c平台大翼型撑管的水动力性能相对更优。

3 极限强度计算分析

平台的极限强度是指平台结构能够抵抗整体崩溃的最大承载能力，随着大量深海平台不断投入到海洋工作中，以及深海平台投入成本的不断提高，ABS[5]等规范要求平台应具有足够的极限强度和破损极限强度。如何保证平台在部分结构破损后不会造成更大的破坏甚至沉船，降低对海洋生态环境的影响，已成为近期国际海洋工程领域研究的热点之一[6]。

3.1 半潜式平台完整极限强度计算

3.1.1 半潜式平台的典型极限状态

半潜式平台典型极限状态主要有最大横向受力、最大纵向剪切、最大横向扭矩以及中横剖面最大垂向弯矩[7]。由于计算方法基本一致，因此，主要比较四种平台在最大纵向剪切和最大垂向弯矩两种工况下的极限强度。

3.1.2 约束条件

在ABAQUS中选用“准静态分析法”即ABAQUS(Explicit)，结构的加载时间分析步长设置为5 s。

(1)最大垂向弯矩工况：边界条件的设置是通过在半潜平台艏尾两端面的形心位置分别设置一个参考点RP1和RP2，艏尾两端面处的所有节点与相应的参考点利用coupling相关联。参考点RP1约束延x、y、z三个方向的线位移U1、U2、U3以及绕x、z轴的角位移UR1、UR3[3]。参考点RP2约束延y、z两个方向的线位移U2、U3以及绕x、z轴的角位移UR1，UR3。对半潜平台整体结构的加载方式是通过在两个参考点RP1、RP2上分别施加数值相等、方向相反的绕y轴的参考转角θ，使模型发生中拱或中垂破坏[4]。

(2)最大纵向剪切工况：边界条件的设置是通过在两个下浮体下端面的型心位置设置参考点RP3和RP4，下浮体底面的所有节点与相应的参考点利用coupling关联。参考点RP1约束延y、z两个方向的线位移U2、U3以及绕x、y、z轴的角位移UR1、UR2和UR3。参考点RP2约束延y、z两个方向的线位移U2、U3以及绕x、z轴的角位移UR1和UR3。平台结构的加载方式是在两个参考点上分别施加大小相等、方向相反的X方向位移，使模型发生纵向剪切破坏。

3.1.3 计算结果

计算结束后对结果进行处理，可以分别得出四种平台在垂向弯矩(中垂、中拱)和纵向剪切两种工况时的反弯矩—转角曲线和反作用力—位移曲线以及应力变形图，图2给出了四种平台在纵向剪切工况下的变形图，计算结果见表3。

图2 纵向剪切变形时应力变形图

平台型式中垂极限弯矩(N·m)中拱极限弯矩(N·m)纵向剪切力(N)a平台1.30×10101.17×10104.84×107b平台1.29×10101.19×10105.04×107c平台1.34×10101.18×10105.42×107d平台1.30×10101.17×10104.65×107

通过上面的结果可以看出：(1)平台中垂或中拱变形时，撑管的型式对整体极限强度的影响很小，可以忽略不计；(2)纵向剪切工况时，由于撑管也会抵抗部分剪切变形，因而撑管型式有一定影响，相比而言，翼型撑管平台的极限强度最大，其次是a平台和b平台，相比最小的是无撑管平台。

3.2 破损平台的剩余极限强度计算

为研究平台在部分结构破损时的极限强度，选取的模型结构为艏端撑管断裂的a平台、b平台和c平台(如图3所示)。由上一节计算结果可以发现在最大垂向弯矩时，撑管对平台极限强度的影响可以忽略不计，因此本节只分析破损平台在最大剪切工况下剩余极限强度，其约束条件和加载方式与上节所施加方法一致。

图3 三种半潜平台撑管破损示意图

计算结束后对结果进行处理，可以分别得到a平台的极限强度值为4.75×107N，b平台的为5.03×107N，c平台为5.09×107N。

3.3 结果分析

将破损平台剩余强度计算结果与完整平台的极限强度结果进行比较分析可以得出如下结论：

(1)撑管结构的型式和数量对于平台最大垂向弯矩工况时的极限强度无较大影响，可不予考虑；

(2)在最大纵向剪切工况时，平台破损结构的极限强度相比其完整时的极限强度均有一定下降，但降幅较小，可见撑管破损对平台极限强度有一定影响；

(3)比较而言，三种平台纵向剪切破损时的极限强度，c平台的值略大，可见大翼型撑管在平台的极限强度上相比其他结构型式具有一定优势；

(4)通过应力变形图可以看出，最大垂向弯矩时，下浮体和上船体是抵抗平台总纵弯曲的主要结构，下浮体中部、立柱与上船体连接处均是危险点，应适当加强。最大纵向剪切时，承受剪切力的主要是上船体和撑管，在结构设计或使用时，对于撑管与立柱、撑管与下浮体连接处以及立柱与上船体连接处均应适当加强。

4 结论

随着半潜式平台发展，平台结构不断简化，虽然减少了复杂节点的数量，取代了竖向支撑和斜撑，但是也降低了平台的极限强度，因而新型平台的极限强度计算也是很必要的。分别运用SESAM的水动力分析功能和ABAQUS的非线性有限元功能对四种撑管型式平台的运动响应和极限强度进行计算研究，有助于提前预报新型平台运动响应的不足和极限强度的危险点，便于在设计建造时对相应结构进行加强。通过比较可以发现，具有大翼型撑管的半潜式平台结构相对较优，因而从性能的角度考度，属于最优选择。但是，无撑管平台结构简单，从制造工艺和成本的角度考虑，通过局部结构加强改进后，将会是未来平台结构发展的方向之一。

[1] 王世圣, 谢彬, 冯玮, 等. 两种典型深水半潜式钻井平台运动特性和波浪载荷的计算[J]. 中国海上油气, 2008,20(5):349-352.

[2] DNV．SESAM User’s Manual—WADAM[S]．Oslo：Det Norske Veritas，2007．

[3] 李俊男.半潜式平台的极限强度分析与研究[D].哈尔滨工程大学,2011.

[4] 徐志亮. 半潜式海洋平台的结构剩余强度研究[D].上海交通大学,2011.

[5] ABS.Mobile Offshore Drilling Units/Part3 Hull Construction and Equipment[S].2008.

[6] 张剑波,曾常科,肖熙等.半潜式平台的极限强度分析研究[J].中国海洋平台,2005.

[7] Lalani M. The ultimate Limit State of offshore platforms Using Reserve and strength and Residua strength Principle[C].OTC6309，1990，353-364.