超深水钻井船Catwalk基座强度有限元分析

肖敬发，赵 锐

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

0 引言

Catwalk（RISER CATWALK MACHINE）是船上非常重要的设备，是由液压传动的。它的主要用途是运输钻杆外的套管，将钻杆套管运输到钻井塔下，并辅助钻杆套管竖立起来，方便吊机吊运与拼装。本船为海上超深水钻井船，配有2套Catwalk运输系统，一套是用来运输钻杆的，另一套是用来运输钻杆套管的。Catwalk运输系统在这一运输过程中所产生的力都将由基座及支撑平台来承受。同时，按照ABS（American Bureau of Shipping，美国船级社）的规范要求，Catwalk运输系统在不同环境及工况下使用，会使Catwalk基座及受力将出现多种不同的状态。在这些状态下的Catwalk基座及上层建筑甲板结构的受力情况各不相同。因此，本文将采用有限元模型分析法对Catwalk基座及加强构件进行有效的分析计算，使Catwalk基座在各种工作状态下均有足够的强度作为支撑，以确保Catwalk基座在各种工作状态下的安全性。

1 Catwalk基座的组成及布置

Catwalk基座主要由设备基座支撑平台、设备工作平台及走道平台组成，其中Catwalk设备基座支撑平台的高度距上建甲板2 267 mm，走道平台和工作平台的高度距上建甲板2 800 mm，Catwalk设备的自身重量为35.9 t，安全设计工作载荷为40 t，WL单元重量为30 t，设计纵向张力30 t，WL工具间重量为30 t（1 t=9.8 KN）。其具体分布详情如图1、图2所示。

图1 Catwalk基座分布详情

图2 Catwalk基座支撑点布置

2 三维模型及受力说明

2.1 模型的建立依据

根据ABS[1]相关规定，支撑结构和基座的强度校核中是为了较好地描述区域中的结构部件在各个方向上的受力分布情况，应尽可能采用三维有限元模型进行分析，如用交叉梁系或板梁组合模型，则模型简化应合理且趋于保守。对于三维有限元模型的范围、单元及边界条件的取用原则如下。

1）模型范围及边界条件：采用局部立体结构模型，以基座有效作用平面矩形（a×b）形心为中心，向四周分别扩展至少一倍的该矩形相对应的长、宽距离（3a×3b）；垂向从基座面扩展至甲板之下的第一个平台甲板或至少D/4处（D为型深）。

2）如按上述方法框取的模型边界上未设置结构的主要支撑构件，则模型应再延伸直至边界落在结构的主要支撑构件上，边界条件可考虑自由支持或固定支持。

3）若边界条件或模型的大小对中心区域的计算结果较为敏感，则应再适当扩大局部模型的取用范围，以不影响中心区域的计算结构为原则。

2.2 模型价绍

本模型结合上述要求，采用有限元软件对Catwalk基座所在的上层建筑结构用几何方式模拟出上层建筑的结构轮廓，在此基础上建立甲板单元，甲板、舱壁、基座、支架、大梁肘板与强肋骨框架模拟使用板单元，纵向加强筋和肋骨框架模拟使用梁单元。尤其是在关键区域、管道纵向和横向，需加强模拟使用板单元。此外，整个行走平台包括格栅使用等效的板单元模拟。基座和行走平台网格大小约为100 mm×100 mm，Catwalk基座结构的网格大小为 175 mm×175 mm，优化网格大小约为60 mm×60 mm。

2.3 受力说明

根据相关船体结构的加速度、基座加速度、结构设计位置附近的加速度等参数进行计算。此外，船舶运动应该满足ABS[1]规范。2种类型的加速度表如表1所示。

表1 惯性载荷

根据ABS-MODU[2]规范，在极限工况的最大风速为51.5 m/s。因此，风压计算式(1)为

式中：C为形状系数；Ch高度系数；Vref为风速，Vref=51.5 m/s。

表2中列出了每个Catwalk支撑点组合载荷状态下的反作用力，所以风力作用于WL单元和WL工作间的计算参数如表2所示。最严重的负载条件下的风力在表2中列出，若只考虑沿Y方向则如表3所示。

表2 风力

走道平台的甲板载荷为 0.5 t/m2，WL单元和WL工作间周围区域甲板载荷为1 t/m2。

除了API 5 l B级管屈服应力是241 MPa之外，走平台是低碳钢，其屈服强度为235 MPa，所有船体结构、基座及加强构件均为高强度钢材，最小屈服强度为355 MPa。杨氏模量是2.06×105N/mm2，泊松比为0.3，密度是7.85×10-6kg/mm3。

3 载荷工况条件

不同方向的惯性载荷和风力，将导致不同方向的反应强度，所以应考虑表3中的8个载荷工况下的条件。

表3 载荷工况条件

此外，所有载荷条件包括自重载荷、设计拉伸载荷、甲板载荷和垂直加速度。此处的重力加速度为9.81 m/s2。

4 边界条件

上层建筑边缘和 Catwalk基座的边缘节点约束了X、Y和Z的位移（见图3、图4）。走道平台的格栅沿短边约束Y向位移，沿着长边约束X向位移（见图5、图6）。

图3 上层建筑&Catwalk基座边界条件，约束X、Y、Z位移

图4 上层建筑边界条件，约束X、Y、Z位移

图5 走道平台边界条件（约束Y位移）

图6 走道平台边界条件（约束X位移）

5 分析结果

5.1 屈服应力

根据ABS-MODU[2]规范，板结构的设计根据等效应力，在组合工况下的安全系数取1.11，独立构件的安全系数取1.25。许用应力参数如表4所示。

表4 许用应力

5.2 最大屈服应力

根据ABS-MODU[2]规范，若要检测各工况下的组合结构件或单独结构件所受的最大屈服应力校核是否安全，详情见表5。计算模型如图7～图9所示。

5.3 最大/最小杆应力

根据 ABS-MODU[2]规范，各工况下的最大/最小的组合杆应力校核是否安全，详情如表6所示。计算模型如图10～图11所示。

表5 最大屈服应力

图7 最大屈服应力-高强度结构（单位：MPa）

图8 最大屈服应力-Catwalk基座平台（单位：MPa）

图9 最大屈服应力-过道平台（单位：MPa）

表6 最大/最小杆应力

图10 最大组合杆应力-Catwalk基座管支撑（单位：MPa）

图11 最小组合杆应力- Catwalk基座管支撑（单位：MPa）

5.4 位移结果

根据有限元模型计算,得出相应位移数据如表7所示[3]。

表7 位移参数

在有限元模型分析结果中，对这 8种工况下Catwalk基座及过道平台,结构的最大屈服应力、最大最小杆应力及位移做了有效分析。高强度结构件的最大屈服应力为207 MPa，过道平台的最大屈服应力为91.9 MPa，管支撑最大屈服应力为187 MPa，高强度结构件的最大杆应力为172 MPa，高强度结构件的最小杆应力为169 MPa，管支撑最大杆应力为59.8 MPa，管支撑最小杆应力为103 MPa。这8种工况下最大的位置量为17.5 mm，最小位移量为15.2 mm。通过对模型载荷及约束条件的设置，真实地模拟出了实船结构，因此根据数据显示结果显示，满足相关要求。综上所述，该Catwalk基座及过道平台的结构设计强度满足ABS规范要求。

6 结束语

本文通过有限元三维模型分析法，对 Catwalk基座及平台在模型当中的8种工况下的受力进行了加载，根据相关要求分别进行计算，并给出计算结果。计算结果显示，本次Catwalk基座及平台的设计在各种不同工况下的结构强度分析计算结果精确，更直观地说明了本船Catwalk基座及平台的相关结构均能满足结构强度的要求。