APP下载

大型半潜式生产平台桁架组块设计关键技术*
——以陵水17-2气田“深海一号”能源站为例

2021-06-18陈邦敏王忠畅文志飞

中国海上油气 2021年3期
关键词:浮式组块校核

陈邦敏 王忠畅 张 晖 赵 阔 文志飞 王 娟

(1. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028; 2. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451; 3. 海洋石油工程(青岛)有限公司 山东青岛 266555)

桁架式结构主要是指由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。其优点是杆件主要承受拉力或压力,可以充分发挥材料的作用,节约材料,减轻结构重量,尤其是在结构跨度较大时,节省材料、减轻自重和增大刚度的优点更为明显。由于桁架式结构的这些优点,其被广泛应用于陆上大型建筑,近几十年来随着海洋工程的发展,固定式海洋工程结构物(如石油平台,码头栈桥等)也开始大量采用桁架式结构[1]。

在海洋石油开发工程中,由于板壳结构与船体结构类似且刚度较大,具有较大储备浮力,因此,浮式平台组块结构多采用板壳结构的形式,但因为桁架式结构重量更小的优点,目前部分浮式平台组块也开始采用桁架式结构进行设计。陵水17-2气田半潜式平台——“深海一号”能源站是中国首个深水半潜式生产储油平台,作业水深约1 422 m,组块操作质量约24 250 t,主结构尺度为91.5 m×49.5 m。该平台所在的南海海域环境条件恶劣,百年一遇波浪波高极值达21.7 m,千年一遇极值达27.3 m,且南海台风频繁,对平台的极限强度是一项重大挑战。此外,浮式平台在海洋环境中随着波浪的运动,组块结构受到的循环载荷比固定式平台结构的更突出,导致的疲劳问题也更为明显,许多浮式平台结构在特检时均发现疲劳裂纹的存在。因此,对于在南海区域长期服役的浮式平台,其结构疲劳是平台设计时的考虑要点。由于浮式平台对重量控制的敏感性,结构设计不能通过大幅增加钢材量的方法解决疲劳设计的问题。鉴于桁架式结构能使材料应用更充分,且采用桁架式结构设计,更易获得开阔的甲板空间,紧急情况下利于油气的扩散,因此,“深海一号”能源站组块采用桁架式结构设计。该平台是世界上迄今为止桁架跨距最大的半潜式平台。

本文基于“深海一号”能源站组块设计与固定式平台组块设计的差异以及该平台组块大跨距的特点,对该平台的组块结构选材、布局规划进行了深入研究,并开展了平台的疲劳计算分析,给出了平台疲劳关键区域建造的注意事项,为“深海一号”能源站及类似平台组块设计及建造提供了参考。

1 与固定式平台组块设计的差异对比

固定式平台由于导管架是一个完整的整体,可以独立承受环境载荷,其组块仅承受重力载荷,动力载荷效应不明显,多数情况下,疲劳问题并不是固定式平台组块设计的控制工况。因此,对于在中国渤海海域服役的固定式平台,一般不需要计算其组块的疲劳强度。而“深海一号”能源站船体是敞口结构,组块可视为船体的一部分,所有船体结构所承受的环境载荷需通过组块结构进行传递,最终达到力的平衡。因此该平台组块所受载荷情况更复杂,交替载荷大,结构疲劳问题突出,部分关键结构尤其需要注重疲劳的校核。

1.1 设计计算工况差异

半潜式平台组块设计计算工况与固定式平台结构设计工况侧重点存在差异。固定式平台组块设计关键在于在位强度计算、地震计算及施工分析。其中施工分析一般包括装船、吊装或浮托等工况。由于固定式平台组块尺度通常不大,在位强度和地震计算(特别是地震活跃地带)是固定式平台组块设计的重点,而施工分析和疲劳分析在固定式平台组块结构设计中通常并不重要[2-3]。

“深海一号”能源站作为浮式平台,其组块的主要设计工况(图1)与固定式平台相比,需要关注的重点包括:①组块在位分析要考虑环境力的影响,须将组块与船体模型合并分析;②组块疲劳是最为重要的分析工况,关键部分须做详细的有限元分析;③浮式平台由于尺度较大,合龙分析是一个重要的计算工况,且合龙通常涉及到方案设计、施工资源等问题,在方案设计阶段就需要详细分析合龙工况[4-5]。

图1 “深海一号”能源站组块计算工况Fig.1 Analysis condition of topside on “Deep Sea No.1” energy station

1.2 材料选用差异

中国国内固定式平台经过近几十年的发展,结合国内钢材制造工艺的进步,目前固定式平台已形成了统一的材料应用体系,其主结构通常选用屈服强度355 MPa级别的DH36钢板,部分次要结构则选用屈服强度235 MPa的钢材。从总体趋势看,该选材既满足了固定式平台强度的要求,也兼具一定的经济性。

浮式平台与固定式平台组块相比,其组块受力形式更为复杂,不仅要承受设备的竖向力,同时还要传递较大的环境载荷,因此,浮式平台组块结构对材料的要求更高。此外,浮式平台的重量对整个平台的运动性能影响较大,对平台进行减重,将有效的可承载重量留给平台上的各种设备,也是浮式平台设计的考虑重点。因此,“深海一号”能源站平台组块在结构选材上首次采用了国产屈服强度414 MPa级别的高强钢,从而增大平台的结构刚度,满足该平台大跨距对刚度的高要求,同时可节省钢材用量约500 t,起到了良好的减重效果。

2 平台组块结构布局规划

2.1 梁格规划设计

基于浮体运动性能及施工资源等综合考虑,“深海一号”能源站平台组块主结构尺寸为91.5 m×49.5 m。组块分为生产甲板、夹层甲板、主甲板等3层,各层甲板标高分别为60.5、65.5、70.5 m。生产甲板到主甲板的间距仅10 m,考虑到设备布置及房间保温隔音的要求,甲板层高非常有限。跨度大、层高低,为该平台组块的设计带来了较大挑战。为了保证组块结构具有良好的刚度且传力路径较优,综合考虑组块的设备设施布置情况,在组块设计中采取了以下措施:

1) 在组块的宽度方向(南北方向)设置了A、B、C、D共4条主要轴线,轴线间距分别为15.25、19.00、15.25 m,在主轴线之间跨度大的区域设置了二级轴线(图2)。其中由于火炬臂载荷较大,将火炬臂坐落在西侧B轴和C轴之间,使其载荷能较好地传递到主结构中。

图2 “深海一号”能源站平台组块梁格规划Fig.2 Beam grid planning of “Deep Sea No.1” energy station platform topside

2) 在组块的长度方向(东西方向)设置了1、2、3、4、5、6共6条轴线。其中1、2、5和6轴线分别是连接船体和组块的主要轴线。吊机的载荷较大,将其分别坐落在3轴和4轴上,根据轴线的跨度情况,在其间设置了二级轴线(图2)。

3) 由于组块南北窄、东西宽的特点,在2轴和5轴上分别设置了4根拉筋连接船体立柱,组块在承受船体的动力载荷时,拉筋能通过轴向拉压,平衡船体所受的力矩,使组块在南北和东西2个方向受力较平均。

4) 考虑到层高限制,所有主框架梁均采用H1500的焊接梁,但根据受力情况分析,焊接梁采用的翼缘宽度和板厚均不相同,从而保证组块在不同的受力情况下,虽然层高一样,但仍具有承受不同载荷的能力。

通过以上措施,使“深海一号”能源站平台组块的梁格布置间隔适中,重要结构设施的传力路径清晰,且采用不同翼缘宽度的焊接梁保证了组块层高的净空,为平台总体布局提供了良好的前提条件。

2.2 梁格稳定性设计

由于“深海一号”能源站平台组块结构尺度及重量大,需要用到较大的主梁,其最大结构的梁高1 500 mm。与固定式平台组块结构不同的是,半潜式平台组块结构受到较大循环的轴压和弯曲作用,设计时需校核梁的稳定性。

组合梁受拉时不会产生屈曲问题,但在受压时要考虑屈曲失稳的情况。通常组块甲板上翼缘都是铺满甲板板,甲板板在水平方向刚度足够大,因此组合梁上翼缘受压时通常会有甲板板进行位移限制,不会产生失稳工况。而组合梁下翼缘,受压时由于小梁的支撑通常与上翼缘齐平,对下翼缘无法起到支撑作用,因此,组合梁下翼缘需要考虑稳定性问题,且这部分的计算设置须与建造实际情况一致。采用SACS软件计算时,尤其需要注意设置主梁的侧向支撑长度。在校核下翼缘的稳定性时,为保守设计,主梁侧向支撑长度取值应分2种情况,即次梁梁高大于主梁梁高1/2时,主梁侧向支撑长度取主梁杆件端点到次梁的距离(Lb);而次梁小于梁高1/2时,主梁侧向支撑长度取主梁整长(L)的1/2[6],同时还要保证支撑梁具有足够刚度以起到支撑作用。

在常规固定式平台设计时,通常采用筋板连接的方式(图3a)对主梁的下翼缘进行加强。但通常情况下,筋板的距离较短,加强的作用极其有限,在梁高差异较大时,筋板本身也容易发生局部屈曲。“深海一号”组块通过设置隅梁的方式加强主梁下翼缘(图3b)。在主梁下翼缘和水平支撑梁之间通过圆管焊接,使得隅梁、主梁下翼缘、次梁三者形成一个稳定三角形。该方式隅梁的支撑距离较长,具有较好的刚度,稳定效果明显好于筋板连接。

图3 平台组块下翼缘加强方式Fig.3 Strengthening methods of lower flange of platform topside

2.3 主桁架保护设计

半潜式平台采用桁架式组块设计,组块属于浮式平台的一部分。波浪作用在船体上的力将通过组块进行传递,使船体受力平衡。如何解决组块结构的疲劳问题,是浮式平台设计和建造的重点和难点。大量研究和工程实际表明,在焊缝位置更容易产生疲劳裂纹。其主要原因是焊缝位置在焊接熔合过程中,金属晶粒比母材区域更不均匀,更容易产生焊接缺陷,且该区域存在较大的焊接残余应力,此外,焊接位置大多设置在结构突变处,易存在应力放大等因素,导致其应力幅值更大[7-8]。

主桁架是半潜式平台组块受力的主要结构,承受的载荷较大,在桁架管节点等结构形式突变位置容易产生较大的应力集中。为了避免疲劳裂纹的产生,应尽可能减少焊接对主结构的影响,对于平台上一些附属结构应避免其影响主结构,做到主次分明。因此,针对“深海一号”能源站平台主桁架设计,采取了众多措施尽量避免主桁架上过多的焊缝。

2.3.1优化结构连接形式

对于固定式平台房间或生活楼等,组块所受的循环载荷不突出,疲劳问题不大。为了尽量提高钢材有效利用率,房间或生活楼的设计尽量利用组块结构的轴线,将房间墙皮或防爆墙结构直接焊接到组块轴线上,利用组块轴线上桁架的刚度对附属结构起到支撑作用,有利于降低平台建造难度,加快建造进度。与固定式平台不同的是,半潜式平台为了减少焊接对主结构的影响,降低建造过程中焊缝的检验级别,房间墙皮在设计过程中要有意避开主桁架,同时通过在主桁架上伸出2个短节,使夹层房间的夹层结构直接搭接在短节上获得支撑(图4)。在建造过程中,需要先设置临时支撑架搭建好夹层,再安装斜撑拉筋,最后焊接支撑短节。在结构建造完毕后撤出临时支撑架,房间直接坐落在支撑短节上。

图4 “深海一号”能源站桁架穿越夹层的设计Fig.4 Truss traversing mezzanine deck design of “Deep Sea No.1” energy station

同理,防爆墙也有意避开了主桁架800 mm的距离(图5)。防爆墙直接连接到顶部甲板和底部甲板。为了确保防爆墙结构强度满足爆炸压力的要求,与防爆墙相连的顶层甲板和底层甲板的梁需要加大。同时为了满足侧向的抗爆炸压力要求,甲板临近的梁之间需要通过筋板连接,局部形成稳定的框架结构。

图5 “深海一号”能源站防爆墙错开主桁架的设计Fig.5 Explosion-proof wall deviates from main truss design in “Deep Sea No.1” energy station

2.3.2设置不可焊接区域

为了避免焊疤对主结构关键区域的影响,组块结构在疲劳关键影响区域、关键节点位置等设置不可焊接区域(图6中网格线部分),在此区域不可焊接任何设备支架、附属结构、电缆桥架、管线支架等结构,在建造时根据需要可以焊接最低限度的临时吊点、工装构件及其他临时附件,但要确保临时附件采用的焊接程序与母材的永久性焊接程序一致。同时,所有的临时性附件必须用人工火焰清除,且人工火焰切割或气割过程中要确保母材不损伤。移除临时性附件后,剩余的焊肉应采用电动打磨工具打磨至与原材料表面平齐。表面、损伤母材区或母材划痕应焊接修复,并打磨至与原表面平齐,确保主结构的建造质量。

在主桁架上定义了非承载区域(图6中斜线部分),该区域不可焊接管支架及电缆支架。防火墙及结构墙也应偏离主桁架,不应放在桁架结构上,且计算时不考虑其对桁架结构的加强作用。但鉴于对平台设计的综合考虑,在保证支架的焊道与主结构的焊道距离大于75 mm的前提下,允许小型附件,如小挂件、电仪支架、电灯火小型设备支架可以焊接到非承载区域,但应选取合适的焊材,保证焊接质量满足主结构及母材的强度要求。

图6 “深海一号”能源站组块主结构不可焊接区和非承载区Fig.6 No weld zones and no load zones of the topside in “Deep Sea No.1” energy station

3 平台组块疲劳计算分析

3.1 疲劳校核范围

常规固定式平台疲劳校核通常只需校核管节点的疲劳强度,但浮式平台疲劳响应比较明显,因此,“深海一号”能源站组块需要校核的节点包括:常规管节点、管接长节点、组块腿与船体连接节点、组块斜撑与船体连接节点、组块梁与环板节点、管与梁节点、环板与管节点、梁与梁节点等8类。由于各类节点的结构类型不一致,在选取疲劳S-N曲线类型时,需要根据节点的受力特点选择合理的S-N曲线,在该平台组块疲劳设计中采用到了WJT、WJ1、ABS F、ABS E、AWS E’、ABS D共6条S-N曲线。常规固定式平台疲劳设计采用SACS软件就能完成所有的管节点疲劳校核,但在浮式平台疲劳校核中需用到有限元分析软件,通过模型局部校核方法来完成特殊结构的疲劳校核。

3.2 疲劳校核方法

目前结构计算中最常用的疲劳计算方法为谱分析方法。该方法基于结构应力传递函数结果,结合散布波浪谱和S-N曲线,计算节点线性累积损伤,从而得到节点的疲劳寿命[9-10]。针对管节点、管接长节点、梁与环板节点等可以通过SACS软件计算完成,部分特殊的节点需要通过有限元分析求得应力集中系数(SCF)。对于特殊的组块与船体连接的关键位置,需要在整体模型中抽取局部模型,采用载荷还原的方法,在有限元模型中详细模拟局部结构,从而使计算结果更为准确。

3.3 疲劳校核计算

“深海一号”组块疲劳计算分析采用连带船体的整体模型进行分析。其主要分析步骤可简述如下:

1) 采用ANSYS 软件AQWA模块计算16个方向的波浪作用在船体湿表面上的压力及加速度,对每个方向选择在位工况的波浪周期(表1),确定应力响应幅值;

表1 “深海一号”能源站在位工况波浪周期选取Table 1 Selection of wave period-in-place condition of“Deep Sea No.1” energy station

2) 通过转换,将第1)步得到的波浪荷载及平台加速度转入到SACS软件中,求解得到应力传递函数,用于后续求解节点疲劳损伤;

3) 利用不同浪向的波浪散布数据和适合的波浪谱作为输入,提供疲劳计算的海况条件;

4) 根据不同节点的形式,选择合理的S-N曲线;

5) 选择合理的应力集中系数(SCF),部分节点SCF需要通过有限元分析获得;

6) 由第2)~5)步确定的条件,通过SACS软件计算节点的疲劳损伤比,求得节点的疲劳寿命。

最终计算得到“深海一号”能源站平台组块8类节点的疲劳校核结果(表2),可以看出所有节点的疲劳寿命均满足平台设计要求。

表2 “深海一号”能源站组块疲劳校核结果Table 2 Results of fatigue check of topside for “Deep Sea No.1” energy station

3.4 疲劳关键区域建造注意事项

结构疲劳寿命在设计阶段已进行完整严格的计算评估,为了提高疲劳寿命的冗余度,在平台建造阶段仍可通过改善外形、打磨焊趾、锤击、氩弧焊修整等方法提高结构的疲劳寿命[11]。这几类方法中,改善外形在海洋平台导管架结构建造中应用比较普遍。“深海一号”能源站组块为了获得更大的疲劳冗余度,对于重要节点,建议在建造过程中采用较好的焊接外形控制,延长疲劳使用寿命。规范和部分研究表明:打磨焊趾、锤击或采用氩弧焊方法修整可以增加受周期载荷作用接头的许用应力范围,即沿S-N设计曲线乘以系数1.3,这相当于周期寿命提高到原来的2.2倍,S-N斜率约1/3[12],改善疲劳寿命比较明显。但该方法对建造要求较高,经济投入较大,需要更严格地控制建造质量。

“深海一号”能源站上部组块和船体之间通过8根立柱连接,立柱腿是连接组块与船体的关键结构,其所受到的外力也较大,疲劳较敏感。针对这些关键位置,立柱腿位置的加强环板(图7中标X符号处)除了要求焊缝打磨外,还特别要求自由边精加工,确保其表面粗糙度不大于6.3 μm。对于杆件自由边表面的精修,可以有效降低杆件表面的缺陷概率,同时使应力在边缘的变化更为均匀。

图7 “深海一号”能源站立柱腿加强环板自由边精修位置Fig.7 Free edge finishing position of column leg strengthening ring plate in “Deep Sea No.1” energy station

4 结论

1) 以“深海一号”能源站平台组块设计为例,对比说明了桁架式结构用于固定式平台组块设计和半潜式平台组块设计上的区别。基于“深海一号”能源站的特点和要求,首次在半潜式生产平台上采用屈服强度达414 MPa的国产高强钢,克服了大跨度下结构刚度较弱的难题,同时还为浮式平台重量控制起到了较好的减重效果。

2) 针对平台组块采用大跨距的桁架式结构的特点,充分考虑了组块总体布局的影响,提出了合理的梁格规划,保证了组块结构具有良好的刚度且传力路径较优。此外,对大型组合梁提出了采用隅梁结构作为稳定组合梁结构的方法,从而确保大梁在各种受力状态下能维持稳定。

3) 针对浮式平台疲劳响应敏感的特点,设计过程中要做到主次分明,提出了一系列关于主桁架的保护设计,如优化结构的连接形式,减少主桁架结构上的焊缝,防止主桁架受到不必要的损伤等。对平台组块各类节点开展了疲劳计算分析,证明了组块结构设计满足疲劳要求。

4) 对于大型气田开发,采用桁架式组块结构设计能提供更开阔的空间,有利于平台上有害气体的扩散,优点突出。但由于浮式平台结构受力复杂、疲劳敏感等特点,在“深海一号”能源站的组块设计中均有涉及,本文对这些难点提出的应对措施对今后大型浮式平台组块设计具有重要参考意义。

猜你喜欢

浮式组块校核
发电机进相试验失磁保护与低励限制配合关系的校核
硫磺上浮式络合铁脱硫工艺缓解溶液起泡研究
横浪作用下大型上部组块双船浮托安装动力响应特性试验研究
通行费校核分析方法探究
关于浮式防波堤消能效果及透射系数的研究
浮式LNG储存及再气化装置(FSRU)浅析及国内应用推广展望
陆丰7-2油田导管架平台上部组块低位浮托安装关键技术
全球首座浮式核电站于今年9月完工
基于Mathematica的失磁保护与低励限制配合的校核
高压电器设备选择校核技术要求