深水半潜式生产储油平台整体强度分析

(海洋石油工程股份有限公司 设计公司， 天津 300451)

0 引 言

目前，世界上运用于深水开发的浮式系统有单柱式平台、半潜式平台、浮式生产储油装置、张力腿平台等几种结构形式。半潜式生产平台具有适用水深范围广、抵御恶劣海况能力强、建造技术相对成熟等优点，在国际上得到了广泛的应用。目前全球在役的半潜式生产平台约有50座，主要分布在巴西海域、北海、墨西哥湾和西非[1-3]。

受深水油气田开发现状的制约，我国一直未有真正意义上的深水浮式生产平台投入使用。伴随着海洋强国战略的提出，油气开发必将走向深海。陵水17-2气田是中海油首个1 500 m水深自营油气田，拟采用半潜式生产平台结合水下设施的模式进行开发，该平台将是中国首个深吃水、适应SCR立管的半潜式生产平台，同时也是世界上首座半潜式凝析油储存平台。

图1 整体结构模型

该平台由上部组块和船体两部分组成，船体由4个立柱和4个浮筒组成，具有较大的甲板空间和凝析油储存能力，作业水深1 420 m。半潜式生产平台的船体结构强度是平台设计中的重要内容，也是平台在全生命周期内安全平稳运行的基础，其重要性不言而喻。

图2 整体结构有限元模型

1 整体结构模型建立

采用SESAM/GeniE[4]建立船体及上部组块整体结构模型。平台上部组块结构和下浮体结构模型分别依据结构图纸建立：舱壁、甲板、外板、强框架等采用Plate单元模拟，纵骨、扶强材和桁材面板采用Beam单元模拟，压载水采用Compartment功能模拟，各种设备采用Equipment单元模拟，上部结构重量、重心根据《上部组块重量控制报告》调整，下浮体重量、重心根据《平台重量控制报告》调整。整体结构模型如图1所示。

整体模型采用粗网格单元，网格尺度取：纵骨间距600 mm，单元数量612 488，节点数337 358，如图2所示。

2 边界条件

在本计算模型中，在立柱结构底板上选取不共线的3个节点，每个节点的位移边界条件如下：

(1) 节点a：限制z方向的位移；

(2) 节点b：限制x、z两个方向的位移；

(3) 节点c：限制x、y、z方向的位移。

边界条件如图3所示。

图3 边界条件

图4 水动力计算湿表面模型

3 设计波选取

3.1 输入参数

采用设计波法进行半潜式生产平台的整体强度分析。通过SESAM程序，从三维水动力模型中读取水动压力载荷和船体6个自由度的惯性加速度数据，然后施加到有限元模型上。用于水动力计算的湿表面模型采用1/4对称模型，导入HydroD之后双面镜像，如图4所示。依据《装载手册报告》的未来预留工况、风暴环境工况和最大装载工况设置各个液舱的装载分布，如图5所示。

图5 液舱装载分布

平台质量模型参数如表1所示。

用于进行设计波选取的水动力计算参数共包含16个浪向(浪向间隔22.5°)：0°，22.5°，45.0°，67.5°，90.0°，112.5°，135.0°，157.5°，180.0°，202.5°，225.0°，247.5°，270.0°，292.5°，315.0°，337.5°；共包含36个波浪周期：4.0 s, 4.5 s, 5.0 s, 5.5 s, 6.0 s, 6.5 s, 7.0 s, 7.5 s, 8.0 s, 8.5 s, 9.0 s, 9.5 s, 10.0 s, 10.5 s, 11.0 s, 11.5 s, 12.0 s, 12.5 s, 13.0 s, 13.5 s, 14.0 s, 14.5 s, 15.0 s, 16.0 s, 17.0 s, 18.0 s, 19.0 s, 20.0 s, 22.0 s, 24.0 s, 26.0 s, 28.0 s, 30.0 s, 32.0 s, 34.0 s, 36.0 s。

3.2 RAO计算

应用Postresp程序，对该平台的垂荡、纵摇、横摇、纵荡、横荡和艏摇的6个自由度运动RAO进行计算，计算结果如图6～图11所示。

图6 垂荡RAO 图7 纵摇RAO 图8 横摇RAO

图9 纵荡RAO 图10 横荡RAO 图11 艏摇RAO

3.3 设计波参数

根据规范要求和半潜式生产平台的结构特点，本文计算的典型波浪工况包括：最大纵向加速度状态(ax)，最大横向加速度状态(ay)，最大垂向加速度状态(az)，最大横向分离力状态(F1，F2)，最大扭转状态(T1，T2)，最大剪切力状态(Q1，Q2)，最大垂向弯矩状态(M1，M2)。

由水动力分析获得各典型波浪载荷的传递函数以及长期和短期极值，之后确定各典型波浪工况的设计波参数。根据《环境条件报告》中的各方向浪向散布图，得到长期统计的设计波如表2所示。

表2 长期统计的设计波

根据《环境条件报告》中的JONSWAP谱(有义波高Hs=13.4 m, 跨零周期Tz=11.0 s, 形状参数γ=2.4)，得到短期统计的设计波如表3所示。

表3 短期统计的设计波

由上述对比分析可知，短期统计得到的设计波的波幅大于长期统计的设计波波幅，因此选用短期统计的设计波作为结构计算所施加的波浪载荷。

4 计算结果

4.1 屈服强度计算结果

根据ABS船级社MODU[5]规范：对于板壳结构，等效应力的安全因子和许用应力值如表4所示。

表4 安全因子和许用应力

采用SESAM/SESTRA进行船体结构准静态分析，船体各主要部位的等效应力结果如表5所示，各部位的详细应力云图如图12～图16所示。

表5 船体结构各部位等效应力最大值

图12 船体整体结构应力云图 图13 船体内部结构应力云图

图14 立柱结构应力云图 图15 节点结构应力云图

图16 浮筒结构应力云图

对于半潜船体的立柱结构、节点结构和浮筒结构，船体结构全部为fy=355 MPa的钢材，许用应力为320 MPa，从表5、图12～图16可见，应力均小于许用应力320 MPa，屈服强度符合ABS船级社要求。

4.2 屈曲强度计算结果

对船体的主要受力结构，如立柱、节点、浮筒的外板及周围舱壁等进行整体屈曲强度校核。许用UC值不应大于0.8，屈曲UC值的具体分布云图如图17～图20所示。

对于半潜船体的立柱结构、节点结构和浮筒结构，从图17～图20可见，屈曲强度符合ABS船级社要求。

图17 浮筒顶板屈曲UC值分布图 图18 浮筒底板屈曲UC值分布图

图19 立柱外板屈曲UC值分布图 图20 节点外板屈曲UC值分布图

5 结 论

本文采用SESAM软件，对我国第一座新建深水半潜式生产储油平台进行了整体结构强度分析，计算结果表明：平台整体结构强度(屈服强度、屈曲强度)能够满足ABS船级社要求，具体结论如下：

(1) 从平台整体屈服强度的应力云图来看，最大应力出现在上部组块与船体连接的立柱结构和节点结构角隅处，下阶段须针对上述部位进行详细的局部结构分析。

(2) 从平台屈曲UC值分布云图得知，UC值较大部位在浮筒顶板靠近节点处的区域和节点结构的外板及底板区域。

(3) 在设计波选取的主导载荷工况中，最重要的载荷工况为水平分离力和横向扭转工况，这是由于半潜式生产平台的立柱间距比张力腿平台等平台的跨距更大，因此在上部组块与船体连接的立柱结构处和节点结构处会产生更大的分离力和扭矩，从而在这两个部位产生了最大应力。

(4) 该半潜式生产平台与“海洋石油981”等半潜式钻井平台在船体结构设计上的区别主要有以下两点：

① 与“海洋石油981”的双浮筒不同，该半潜式生产平台为环形浮筒，在设计波计算时，“海洋石油981”采用短期响应极值即可，而该平台则需要分别计算长期响应极值和短期响应极值，并取大者作为设计波参数；另外，由于环形浮筒的双对称性特点，还须将分离力、扭矩等载荷工况由东西向旋转90°，镜像至南北向。

② 与“海洋石油981”的Deck Box式上浮体不同，该半潜式生产平台的上部组块为Truss桁架式结构，上部组块与船体的连接主要靠4个立柱结构承担，该处的受力更集中，因此该连接结构也更为关键，应成为该类半潜式生产平台结构设计的重点关注部位。