柱稳式平台结构设计标准化研究

韩 熠

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

柱稳式平台即为有立柱、有甲板、有浮箱的平台，浮箱既可以是双浮箱，也可以是环形浮箱，每一个浮箱分别支撑 2～4根垂向立柱。此外，这种平台可通过增加斜向撑杆支撑甲板和水平撑杆连接浮箱或立柱的方式，进行结构加强。

柱稳式平台主要提供生产、钻井、生活等功能，一般规划在一个特定海域作业，海域的设计条件改变会伴随吃水、压载、立管连接、系泊缆张力或距相邻平台距离等产生重大改变。通常，设计者会明确提出一系列限定的环境条件作为设计条件。这些限定条件应清晰列于设计分析和操作手册中，操作者有责任谨慎遵循这些限定条件，这样才能将它们更好地应用于设计中。

1 设计一般步骤

首先要通过尺寸规划与规范校核确定横纵交叉组合的梁结构布置，依据相应规范初步确定板材厚度、梁结构的尺寸，用于初步的重量估算及作为基础开始整体结构分析。此时根据初步选型结果开始结构图纸的设计及绘制工作。

结构设计的工作界面，要明确平台主尺度，包括各部分结构尺寸、分舱、平均吃水等信息，明确设计环境条件，主要包括设计水深、潮汐、垂荡、波高与周期等，明确上部组块设计数据及载荷，包括主要结构的尺寸及位置信息、不同工况组块的重量重心信息等，明确立管设计数据与载荷，包括数量、重量、刚度等，及与平台连接位置信息结构设计，主要涉及的专业界面如表1所示。

表1 专业界面Tab.1 Professional interface

柱稳式平台在位分析至少考虑以下3种工况：

①静力工况，强度分析包括平台空船重量、钻井包、功能性载荷、浮力载荷，顶张立管和柔性立管的预张力-筋腱张力。该工况是在平均吃水下、没有环境载荷的操作工况。

②操作工况，采用一年一遇的最大操作载荷进行分析。

③极端工况，船体用100年一遇的设计波进行分析，张力腿平台的对称性可以降低工况的分析数量。采用动力放大系数1.33确定许用应力值。

有限元中得到的等效应力、方向应力、主应力分别用于强度分析、屈曲分析和疲劳分析。按照研究对象的层级可分为整体结构分析和局部结构分析。

整体结构分析的目的是以初步确定的结构尺寸及分布为基础，通过考虑不同设计工况载荷，采用设计波法进行整体强度分析，获取结构实际应力的分布，并与许用应力进行对比，最终确定板材的厚度。

在局部关键连接结构初步设计基础上，依据总体分析的结果作为边界输入，开展不同工况局部结构的强度分析，依据其结果进行调整修改，直至满足要求。局部结构分析通常包含的部位有：立柱与组块连接区域结构；浮箱与立柱连接区域结构；典型立柱环向筋与浮箱横框架结构；其他连接结构，如立管支撑结构等。

结构分析设计流程如图1所示。

无论针对整体还是针对局部的分析，仅仅是研究对象层级的区别，局部分析的目的仅仅是针对关键区域的模型放大及细化，载荷以及关键区域的边界条件还是从总体模型中提取出来的，所以分析的实质还是要从结构破坏的一般原理出发着手。下面分别从强度、疲劳和屈曲的角度阐述结构分析流程中应考虑的因素。

图1 结构设计分析流程Fig.1 Structural design analysis process

2 强度分析

在柱稳式平台的结构设计中，总体来说平台受力包括静载荷和动载荷两部分。

作用在浮体上的静载荷包括结构重量、设备重量与作业荷载、立管重量、压载水质量、立管和系泊系统预张力以及浮力等，平均吃水下的静水压力也是结构所受整体载荷的重要部分。所有这些可以通过质量或力的形式施加在结构上。

动载荷对于柱稳式平台来说就是环境载荷，下述典型的环境载荷应予以充分考虑：

①波浪载荷，包括压力变化、惯性、波浪爬升和拍击载荷；②风载荷；③流载荷；④冰和雪载荷。

作用在结构湿表面上的动压力包括：

①入射波和散射波产生的水动压力；②由结构运动引起的六自由度辐射势产生的水动压力；③由平台偏移下沉引起的平台吃水改变造成的变静水压力的改变部分。

波浪载荷可以通过确定的设计波法或代表随机波浪的能量谱来计算。确定性方法适用于由波高与周期定义的规则波组成的海况，随机波方法适用于由不规则波组成的海况，此时海况由特征波高和谱峰周期定义的波浪能量谱表示。

用于强度分析的结构模型通常较大，计算时间较长，因此在进行总体结构强度评估时通常采用设计波法，来考核结构是否满足要求。水动力载荷需要考虑在相应工况下平台的水平偏移与下沉。

以下的特征整体响应通常会控制平台的整体强度。对于环形浮箱平台的设计也可考虑相似特征响应，横轴和纵轴应分别考虑分离力(Fs)、扭矩(Mt)和剪力(FL)。这是为了考虑环形浮箱平台的横向和纵向浮箱的响应，如图2所示，包括：

浮箱间的分离力，Fs；绕横向水平轴线的扭矩，Mt；浮箱间的纵向剪切力，FL；甲板的纵向加速度，aL；甲板的横向加速度，aT；甲板的垂直加速度，aV。

图2 波浪特征响应Fig.2 Wave characteristic response

通过设计波选取可获得产生典型控制工况所对应的浪向角，每个浪向角对应的设计波产生的波浪载荷需要通过实部与虚部分别计算；为获得最大应力，通过每隔 2°或更小的相位角间隔对实部与虚部产生的应力进行组合确定。

式中：Hd为波高；φ为相位角。

3 疲劳分析

对于疲劳分析，主要考虑长期效应，波浪散布图应划分为有限数量的海况及其出现的相应概率。总体疲劳分析需要事先按照强度分析结果，凭经验选择一定数量的热点单元用于进行疲劳寿命评估计算，圆柱壳结构设计总体疲劳分析采用谱分析方法以对不同结构进行扫描筛选来得到疲劳热点。

谱分析是要求将波浪谱分解成离散的波周期，每个周期波浪均具有一定能量以保证谱能量的完整性。对于每个波周期都要进行线性分析，并且在后处理阶段，这些分析的结果可以重新组合。针对关注点，每个周期对应的波浪可分为实部和虚部分别计算，在后处理中再对实部和虚部的应力结果进行不同相位的组合。由于结构的固有周期均小于波浪能量周期，可以将这种分析认为是准静态分析。

在谱分析中，选择波周期的时候要注意使所有的海况都包含在波浪散布数据中。FEA分析中得到的结果是每个波周期中单位波幅的波浪作用下的结果，对这些结果进行后处理，采用S-N曲线得到不同结构的疲劳寿命、Weibull形状参数和产生疲劳的应力循环次数。

谱分析中浪向角的间隔不大于45 °，同时也可以考虑结构的对称性来降低分析工况的数量。用于疲劳分析的有限元模型可以相对比较粗糙，不需要确定局部应力集中区域的精确应力分布。但是要明确出载荷传递路径以使单元长期应力分布具有合理的形状，也就是说局部应力可能计算不够精确，但是波浪谱作用下的相对应力要有足够的精度。

用于谱疲劳分析的工况选择在位时的钻机最大操作载荷，这样可以模拟平台最大载荷和最高重心位置来获得对于平台最不利的工况并进行分析。

下浮体的疲劳分析将综合以下各方面因素进行考虑：是否为疲劳热点区域；焊接方式；材料选择；建造公差；是否可进行日常检查。

焊接表面准备、容差、外轮廓、焊趾打磨等焊接细节用来确定焊接类型，焊接细节同时还被用来确定焊接类别，通过焊接类别来确定所采用的 S-N曲线。焊接细节和疲劳损伤情况可以用来对结构材料进行选择。由于任何焊接点都可能有疲劳缺陷发展，要通过合适的焊接分类和应力范围来确定结构的疲劳寿命(表2)。

表2 疲劳寿命安全系数选取Tab.2 Selection of safety coefficient of fatigue life

总体上，结构连接点应设计成光滑过度，尽量减小应力集中和复杂应力。不同位置结构的疲劳许用寿命需要在设计寿命的基础上，按照重要程度、是否可以检测等因素乘以对应的安全系数。

4 屈曲设计

承受轴向压力及外部压力的圆柱壳结构设计是一个交互的过程，需要清楚先确定哪些参数，以及之后如何进行改进修正。按照总体模型和局部模型的计算结果分别进行板和板架的屈曲校核：总体结构模型分析结果进行主要板材的屈曲校核；局部结构模型分析结果对受压的结构进行屈曲校核。

读取有限元分析结果中壳单元中间层的方向应力作为屈曲分析的输入，采用弹性折减系数和塑性折减系数进行修正。弹性折减系数是由于自身缺陷、边界条件、材料非线性及残余应力等因素导致的结构抗屈曲能力的减弱；塑性折减系数包含了圆柱壳焊接过程中产生的残余应力的影响。承受单一方向载荷得到的屈曲应力需要进行适当折减，因为若结构承受组合载荷，此时可能已经发生屈曲现象。

对于每一个单一或组合载荷工况，屈曲应力与施加的应力都应该满足层级顺序的要求，以及安全系数或利用系数的要求，即确保最严重的屈曲模式(如整体屈曲)比相对不严重的屈曲模式(如局部屈曲)有更高的临界屈曲应力的设计方法。可以通过调整环向和纵向加强筋间距、环向和纵向加强筋尺寸、板壳的板厚结构形式进行修改，使环间及整体屈曲应力至少为局部屈曲应力的1.2倍。以保证不同的屈曲模式之间，不会产生一种屈曲模式导致另一种屈曲模式发生的交互作用。

5 总结及展望

柱稳式平台类型尽管多样，但是载荷受力特点大体一致，因此针对柱稳式平台做结构方面的标准化研究对工程设计有积极意义。明确柱稳式平台结构设计的一般流程以及强度、疲劳和屈曲分析中的考虑因素，会为设计人员提供清晰的分析思路。

但需注意的是，正因为柱稳式平台类型较多，其中差异项也在所难免，比如张力腿平台(TLP)会对高频作用力有较高响应，半潜平台(SEMI)则对系泊系统受力响应不敏感。相关的差异在设计中的特殊考虑尚需要进一步探讨和研究。