深水多功能八角形生产平台总体结构强度分析

呼文佳，王世圣，赵晶瑞

（中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

0 引 言

深水多功能八角形平台是一种集钻、采、储于一体的新型浮式生产平台。设计要求平台能长期在环境条件恶劣的南海海域生产、作业，平台除总体性能满足设计要求外，必须具有足够的结构强度。本文以新型多功能八角形平台为研究对象，开展了平台总体结构强度分析。

深水平台在位期间，受到的环境载荷包括风、浪、流载荷，其中波浪载荷具有随机性，最为复杂。为简化计算，一般规范推荐采用设计波法，即假定平台承受规则波浪作用，把瞬时作用在平台上的最大波浪载荷施加到平台上，同时考虑平台运动产生惯性力和其他载荷，认为所有外载荷保持静力平衡，从而将动态问题转化成准静态问题，采用静力结构有限元法进行结构强度分析。

设计波计算可采用长期预报和短期预报方法，Lee等采用短期预报法确定设计波，完成了半潜式平台整体强度分析［1］；刘海霞等采用短期预报法完成了半潜式平台结构强度分析中的波浪载荷计算［2］；Jun等采用长期预报设计波法［3］，对规范推荐的6种特征载荷下2种装载工况的半潜平台进行设计波计算，并完成总体结构强度分析。

由于长期预报法在随机性方法的基础上考虑了海域的真实统计信息，以及各个短期海况的概率，因此更符合实际海况，能够发现对结构最不利的波浪载荷。为此，本文采用长期预报方法进行设计波计算，利用计算获得设计波参数，对平台结构有限元模型施加波浪载荷，进行平台结构应力分析，并依据规范对新型平台的总体结构强度进行评估。

1 结构基础参数

新型多功能八角形平台的三维示意图如图1所示，由上部模块、浮体（浮体内包含储油、水等舱室）、垂荡板、系泊系统和立管系统组成。顶张紧立管通过浮体的八角形中心井将放置在甲板上的采油树与水下井口连接起来。上部浮体和垂荡板通过带有旋转接头的钢管（伸缩立柱）连接。该平台技术创新是通过垂荡板设计将平台垂荡幅值减小到一定范围，使平台能满足干式采油要求。主尺度参数如表1所示。

图1 新型多功能八角形平台三维示意图Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the new multifunctional octagonal platform

表1 新型多功能八角形平台主尺度参数Tab.1 Main dimensions of the new multifunctional octagonal platform

依据总体设计确定的平台主尺度参数，按照规范确定八角形船体、垂荡板和伸缩立柱的结构尺寸。八角形船体和垂荡板结构设计包括内外舱壁，径向壁板，桁材和骨材布置，以及尺寸的确定。

2 设计波计算

深水平台在位期间承受波浪载荷作用，其结构内力大小受波浪参数影响，同时也与平台整体结构形式有关，对于柱稳式半潜式平台的内力计算已有推荐做法。新型平台结构形式与其他传统式深水浮式平台不同，新型平台类似Spar平台，上船体高度为47 m，伸缩立柱长度为100 m，垂荡板厚度为3 m，总高为150 m。根据其结构特征，设置14个剖面，应用SESAM-HydroD进行剖面内力计算，通过计算得到：在水线面位置处，上船体水平剪切最大，在垂荡周期接近平台固有垂荡周期时垂向加速度最大，同时连接钢管的拉力也达到最大值，伸缩立柱所受的拉力最大值出现在伸缩立柱和下垂荡板相交处。

根据上述结果，选定4种载荷情况进行长期统计分析，确定设计波参数。环境条件为百年一遇的生存环境，其波浪参数如表2所示。

表2 波浪参数Tab.2 Environmental parameters

在长期统计分析中，假设平台遭遇每个浪向角的概率相等，即1/13；波浪谱同样采用JONSWAP谱，谱峰因子为2.4，随机海况采用南海波浪散布图。

设计波计算考虑2种装载工况：①在位无储油（压载工况）；②在位100%储油（满载工况）。通过长期预报获得的设计波的参数如表3和表4所示。

表3 压载工况下设计波参数Tab.3 Design wave parameters under ballast conditions

表4 满载工况下设计波参数Tab.4 Design wave parameters under full load conditions

3 总体结构强度评估

3.1 有限元结构模型建立

新型平台结构包括三部分：上船体、伸缩立柱和垂荡板。上船体外周为压载水舱，内周为油舱，组成结构包括外壁板、内壁板和径向壁板，以及水平平台，各类壁板、平台采用板架结构，即采用桁材和骨材加强的平板。此外，还有一些附加结构。伸缩立柱是两端带有接头的钢管，垂荡板为八角形箱体结构。由于平台结构复杂，在建立总体结构有限元模型时，为提高计算效率，在建模过程中忽略了对总强度影响不大的结构，如楼梯间、开孔和小肘板等。建模坐标系原点设在垂荡板底部正中心位置处，x轴以原点指向船首方向为正；y轴以中纵剖面指向左舷为正；z轴自基线向上为正。

新型平台主体结构采用屈服强度为355 MPa的钢材建造，局部连接区域采用550 MPa、686 MPa钢材建造，所有钢级材料杨氏弹性模量为206 000 MPa。

新型平台采用纵框架结构，主体结构包括板、桁材和骨材，依据结构设计图纸建立有限元结构模型。计算模型中板材及桁材腹板采用板单元模拟，骨材、伸缩立柱采用梁单元模拟。在高应力区和高应力变化区尽可能避免使用三角形单元，而采用四边形单元。经过有限元网格划分，结构共602 346个单元，337 019个节点。平台整体结构有限元模型如图2所示。在分析中，各方向的惯性力、重力和浮力是平衡的，在理论上不需要边界条件。但在结构计算中需要约束平台结构的6个刚体自由度，限制其刚体位移。结构分析主要关注船体水线面以下结构整体应力分布情况，为避免约束点在主船体可能由于应力集中产生的误差，将边界条件设置在主甲板强横梁与纵骨相交位置处，沿着周向设置3个约束点，限制结构模型的6个自由度［4］。

图2 结构有限元模型Fig.2 Structural finite element model

平台结构模型重量的校核是通过调整部分结构的材料密度来完成的，保证总重量与浮力的误差不大于总排水量的0.01%。

在建立总体结构有限元模型，以及施加约束后，按照表3和表4给定的各种工况下的设计波参数，利用SESAM水动力分析模块Wadam计算水动力载荷，然后将等效规则设计波产生的水动压力传递到有限元结构模型上。舱室内部液体产生的水动压力由软件自动施加，在完成所有载荷传递后，应用SESAM-Sestra模块进行结构应力分析。

3.2 应力分析与强度评估

3.2.1 应力许用标准

平台结构强度评估参考中国船级社《海上移动平台入级规范（2020）》要求［5］，其规定的许用应力标准为

式中：F为许用应力；Fy为结构材料的屈服应力；F.S为材料的安全系数。根据不同的组合工况选取参数，如表5所示。

表5 许用应力衡准Tab.5 Allowable stress criteria

对于板壳结构，板材的等效应力σeqv不能超过表5所示的许用应力F，等效应力σeqv表达式为

式中：σx、σy、σz为板壳沿3个x、y、z方向上的面内应力；τxy为板壳沿x、y方向上的面内剪应力。

3.2.2 应力分析与强度评估

通过有限结构计算获得结构应力响应。不同工况下，平台的结构应力分布、等效应力可由软件后处理得到。对每一种工况每一个单元的等效应力进行统计分析。可以得到所有计算工况下的等效应力结果的最大值。

在压载工况下，对于LC1、LC2、LC3工况，平台各部分结构应力均小于许用应力。LC4工况有局部位置出现高应力。在百年一遇海况下，LC4工况平台上船体结构的应力分布如图3所示。

图3 百年一遇压载工况应力云图Fig.3 Stress cloud diagram of ballast condition in 100-year return period

依据图3所示的应力分布图，上部结构应力小于下部结构应力，应力水平随吃水增加而变大。上船体外板的最大应力为280.08 MPa，外底板最大应力为202.59 MPa，上船体内底板应力为242.23 MPa。平台绝大部分区域应力结果满足规范要求。在局部区域，如图3所示，上船体径向舱壁板和环向舱壁板相交处最大应力为379.51 MPa，不满足规范要求。主要是压载工况油舱是空舱，压载舱内压载水分布在浮体外周，在垂荡运动中压载水对舱壁作用增加。另外，这也是水动力载荷较大的位置。高应力区域如图3所示，上船体裙板与外板交界处的最大应力为291.87 MPa。在裙板和舷侧外板连接区域有局部应力过大现象，主要是裙板的弯曲在连接处产生应力集中。另外在上船体底部非水密舱壁的开孔处以及连接钢管与浮体外板连接节点处也有应力集中现象，出现高应力。上船体应力分布对比圆筒形FPSO应力分布，两者应力分布趋势基本一致［6-7］。上船体径向舱壁板和环向舱壁板相交处的最大应力超过许用应力，可能是由于模型简化假设或网格质量限制。通过对局部有限元网格调整，以及对该位置骨材稍稍加强，经结构有限元分析表明该位置应力明显下降，其他区域变化不大，均能满足规范要求。

在满载工况下，LC8工况下，局部出现高应力。上船体非水密舱壁最大应力为295.957 MPa，垂荡板上底板最大应力为257.2 MPa，均能满足规范要求。在满载工况下，油舱充满原油，原油储存在舱室内对舱壁有加强作用，在一定程度上减轻了外部水压的作用，所以总体应力水平较压载工况低。

垂荡板整体应力水平均满足规范要求。在不同工况下，垂荡板上下表面所受水压力相差不多，说明垂荡板所在深度，波浪激励力的作用已经弱化很多，垂荡板主要承受的外力以该位置深度的外部静压以及内部的液体压力为主，因此垂荡板上的应力分布比较均匀。

伸缩立柱连接平台与垂荡板，是平台的重要组成部分，对平台系统的失效起到关键作用。依据表1设计参数：立柱直径为1.12 m，壁厚为0.038 m。通过计算获得伸缩立柱在百年一遇的最大截面应力为293.19 MPa，依照API-RP-2T规范［8］，满足规范要求。

4 结 语

（1）依据新型平台的结构形式，沿纵向设置剖面，通过计算筛选出平台结构剖面载荷最大的剖面，用于设计波参数的统计分析。

（2）设计波参数计算采用长期预报法，获得对结构最不利波浪载荷，将设计波施加在平台结构模型上进行结构应力计算，为平台的结构安全评估提供保障。

（3）通过有限元分析，得出各工况下上船体、垂荡板结构应力分布，结果表明平台应力分析结果满足规范要求，立柱最大拉力也在允许范围内。平台总体结构设计基本合理。