变截面立柱张力腿平台船体结构整体强度评估

杨亮

（海洋石油工程股份有限公司设计院，天津市300451）

张力腿平台（以下简称TLP）是一种典型的深水油气开发的生产平台类型，其系泊的张力筋键结构时刻处于受拉的状态，垂向运动响应较小，可以采用干式采油树。TLP一般适用于1500 m水深范围内的油气田开发，世界范围内已经有多座TLP投入海上油气生产，但TLP的相关技术一直被国外公司掌握并垄断，在我国还未有建造和应用实例，因此依托国内施工资源，自主开发适合我国南海油气田开发的TLP船型并开展工程化应用设计迫在眉睫。

传统型TLP在目前已经投入使用的平台中数量最多且没有专利限制，其多采用方形或圆形截面立柱（COLUMN）[1]。以传统型TLP为基础，进行适当创新，是开发适合我国南海油气田且可以在国内独立建造TLP的最适合方法。

国内船厂及海洋工程建造场地码头和航道水深较浅，为了满足TLP建造要求，需要保证TLP自浮吃水不大于7.5 m，因此在本项研究中通过在立柱底部做“方转圆”变截面结构，将浮箱（PONTOON）设计得更宽而增加底部浮力并改善自浮稳性，既可以减小立柱尺寸，同时又可以减轻平台重量，来满足码头及航道吃水要求。保留圆形立柱截面还可以减少环境力，有利于平台的偏移和受力，从而改善TLP的在位性能。合理的结构设计并满足使用要求是TLP方案可行的重要前提，因此需要对TLP的结构进行规划布置并开展强度分析工作。

1 变截面立柱TLP结构形式

本文研究的变截面立柱TLP为四个圆形截面立柱结构，通过连接节点结构（NODE）与四边形截面浮箱（PONTOON）连接，其中COLUMN底部为特殊的“方转圆”变截面形状。在立柱顶部通过连接支柱（DECK POST）[2]与上部组块（TOPSIDE）相连接。采用板壳结构，外板及舱壁板采用H36高强钢，骨材为球扁钢并沿COLUMN及PONTOON纵向布置，桁材为钢板拼接T型材结构并沿环向布置

浮箱的截面为长方形，其尺寸为7.5m×12m，立柱为直径18.4m圆形截面，节点为方形倒角结构，并通过一定范围“圆转方”过渡与圆柱形立柱连接。

TLP平台设计吃水为26m，其船体主要结构形式如图1所示。

图1 变截面立柱TLP主要结构形式

2 结构设计基础与计算流程

2.1 载荷与工况

用于TLP整体结构分析的载荷包括静载荷和动载荷，其中静载荷包括固定载荷、功能性载荷与浮力载荷，动载荷主要指环境载荷，对结构影响最大的环境载荷是波浪载荷。水动力载荷和张力筋腱（TENDON）反力可由水动力计算分析得到。

在整体结构分析中需要考虑建造、运输、在位、意外等多种工况，根据项目经验，百年一遇环境条件下的极端工况多为船体结构设计的控制工况，因此本文对百年一遇工况下的船体结构开展分析工作。TLP的重量及分布信息是结构分析的基础，本文中变截面TLP重量信息如表1所示。

表1 用于结构强度分析的平台重量信息

2.2 环境条件

本文计算选用中国南海某油田百年一遇的环境条件，波浪参数有义波高Hs = 13.5m，谱峰周期Tp=15.2s。

2.3 计算流程

对TLP开展整体结构强度分析采用SESAM软件，其流程如下：

1）采用SESAM/WADAM 程序来计算波浪载荷传递函数。首先建立水动力模型，计算TLP平台所受的波浪外载荷，从而获得各特征载荷响应的传递函数。然后，根据确定的波浪工况确定设计波参数。

2）采用SESAM/GENIE建立整体有限元分析模型，将各典型波浪工况的湿表面水动压力、静水压力以及惯性加速度施加到整体有限元模型上，采用SESAM/SESTRA 程序进行准静态的有限元分析，最后根据规范要求对平台主体结构的应力水平进行强度校核。

2.4 强度判别标准

依据ABS FPI RULE[3]，采用等效应力结果进行结构强度判别。本文TLP结构使用钢材等级为H36，其屈服强度为355MPa。

通过整体结构强度分析得到的不同位置结构的等效应力不允许超过

式中Fy为材料屈服强度；F.S为安全系数，对于组合工况，F.S取1.11。

所以在本文中，结构许用应力应为320MPa。

3 计算模型

3.1 概述

整体结构强度分析采用SESAM软件。其中模型建立采用GENIE模块。

有限元模型以平台中心与基平面交点作为坐标原点，X 轴沿船体纵向并且指向首部为正；Y轴从右舷指向左舷为正；Z 轴垂直向上为正，如图3所示。

应用于TLP整体强度分析的计算模型包括水动力模型，结构模型和质量模型。

3.2 水动力模型

水动力模型包括湿表面模型（PANEL）与莫里森（MORISION）模型（图2）。PANEL模型用板单元建立，用于在WADAM中采用3D势流理论进行水动力计算；MORISION单元采用杆件单元建立，用于计算水的粘性效应，采用较小的杆件直径与放大的拖曳力系数进行模拟。

图2 TLP水动力模型

3.3 结构模型

结构模型用于获取总体强度分析的结果，模型包括内外板、舱壁板、桁材等主要结构，对于次要结构及总体分析不关注的结构则采用简化模拟进行处理。

对于船体（HULL）结构，外板、舱壁板、水平甲板板、强框架腹板等采用壳单元，扶强材与强框架面板采用梁单元。整体上采用粗网格单元，大小取为骨材间距。对于关键连接结构则进行网格细化，以便取得更真实的应力结果。船体除压载水以外的附属结构重量平均到结构模型中，压载水则以质量点的形式按照实际重量及重心位置进行加载。

对于上部组块（TOPSIDE）则采用杆件单元进行模拟，在计算中只模拟主梁结构，次梁结构及设备重量按照位置信息以质量点的形式进行添加，作为TOPSIDE的质量校准。

用于总体强度分析的结构模型如图3所示。

图3 变截面立柱TLP结构模型

3.4 质量模型

质量模型用于模拟TLP的质量分布，以便获取更精确的波浪载荷对结构强度的影响。

船体板壳结构通过材料密度设置进行质量校准并与重控数据保持一致；张力筋键在WADAM中采用特殊的单元进行模拟，此单元也可用于结构模型。顶张紧立管（TTR）则按照预张力以载荷的形式进行模拟。TOPSIDE重量按照2.1节描述进行设置及模拟。

在本文中，对结构模型进行质量校准及模拟，作为精确质量模型使用。

3.5 边界条件

在总体结构模型中，边界条件施加在8个张力筋键基座结构处，用线性弹簧单元模拟张力筋腱，并作为总体强度分析的边界条件，对每个弹簧单元的三个平动方向的刚度由式（2）和式（3）求得：

式中P 为张力筋键预张力，L 为张力筋键长度。

式中E 为弹性模量，A 为张力筋键横截面积，L 为张力筋键长度。

4 设计波的选取

4.1 典型波浪工况的确定

TLP最主要的环境载荷是由波浪引起的，用于强度分析的结构模型通常较大，计算时间较长，因此在进行总体强度分析中通常采用设计波法，只考虑对TLP总体结构影响最大的几个控制工况来获得结构应力分布，来考核结构是否满足要求。

TLP在波浪中所受载荷与平台的装载工况、波浪的波高、周期和相位、以及浪向角都有密切的关系，而且在平台的使用过程中，这些因素有多种不同的组合状态。所以，进行平台强度校核时，需要对平台的多种受力状态进行分析，并从中选取出最危险的工况。本文计算采用谱分析方法，首先计算TLP在各典型波浪工况下载荷响应的短期极值，并结合各载荷响应的传递函数确定设计波参数。

根据API 2T[4][5]建议和TLP的特点，由于TLP船体布置的中心对称性，本文计算的典型波浪工况包括：

1. 斜向挤压-分离力 （FsD）

2. X向挤压-分离力（FsL）

3. Y向挤压-分离力（FsT）

4. 绕X轴最大扭转（MOMTORL）

5. 绕Y轴最大扭转（MOMTORT）

6. X向最大剪力（FL）

7. Y向最大剪力（FT）

8. X向最大加速度（ACCLONG）

9. Y向最大加速度（ACCTRAN）

10. Z向最大加速度（ACCVER）

11. X向PONTOON最大弯矩 （MOMVERL）

12. Y向PONTOON最大弯矩（MOMVERT）

4.2 水动力计算

在水动力计算分析中，因为结构的对称性，选取波浪入射角度为0-180°，每隔15°为一个入射角，共15个波浪方向；选取波浪周期为3-30s，间隔1s，共28个周期。

总体响应水动力计算模型包括3.2节提到的PANEL与MORISION组合成的模型。质量模型按照实际工况质量分布进行校准并作为计算输入，用于获取4.1节中所要考察的不同典型波浪工况的截面载荷。

4.3 设计波选取结果

通过水动力分析，获得了4.1节中所述各典型工况下的波浪载荷的传递函数和短期极值，进而确定了不同工况的设计波参数，如表2所示。

表2 用于整体结构强度分析的设计波参数

5 结构强度分析

在确定了不同波浪工况的设计波参数之后，用WADAM将平台在不同设计波下的水动压力和惯性加速度求解出来，并输出生成载荷文件，施加到结构有限元模型上，进行在位工况下船体结构总强度计算。

采用准静态方法，利用SESAM/SESTRA 对船体结构进行有限元分析，得到结构所有部位在各设计波工况下最大Von Mises应力结果，各组构件最大应力结果及对应的工况和利用系数见表3。典型的主体结构不同位置结构的最大应力云图如图4至图6所示。

图4 Column-外板应力结果分布图

图5 Deck Post应力结果分布图

图6 Node骨材应力结果分布图

表3 不同部位结构的应力结果及利用系数

6 结语

本文通过对变截面立柱这种新型的TLP平台结构特征及适应性进行了阐述，并对结构布置规划及整体强度分析开展相关工作，得到了一些结论：

1）与业界已投产使用的传统型TLP相比，本文对TLP设置变截面立柱可以兼顾平台所受环境载荷、结构强度与重量控制，同时满足国内航道的拖航要求，是一种适合国内应用的新型张力腿平台形式。

2）通过采用设计波法完成TLP在中国南海百年一遇环境条件下总体结构强度分析，其各结构部件应力结果均在设计的许用范围内，证明此种TLP结构设计形式满足极端工况的要求。

3）节点与浮箱、船体与组块等关键连接位置等应力结果较大，张力筋键支撑结构复杂，建议可进一步开展局部结构细化并进行强度与疲劳分析。

4）建议后续继续开展TLP的合拢、运输、操作、生存等工况的整体分析工作，最终确定满足所有设计工况的结构形式。