基于有限元方法的张力腿式平台结构强度分析

王 伟,冒 荣,许 强,王庆丰

(1.江苏新时代造船有限公司,江苏 靖江 214500;2.江苏科技大学,江苏 镇江 212000)

0 引言

随着海洋石油天然气的开发不断地向深海前进,以往常用的导管架平台和重力式平台限制于其自身的重量和工程造价,已不能满足深水油气资源开发的需求,所以对目前开展深水作业的主流平台设备——张力腿(TLP)式钻井平台的研究和开发是非常有意义的[1]。目前,对于张力腿平台的研究主要包括:结构优化设计、结构动力分析、结构建造与安装方法、平台整体的系统管理等。杨亮[2]研发了一种变截面立柱张力腿平台,通过结构强度分析证明了其设计满足国内建造场地及航道的要求。成司元等[3]采用数值模拟的时域分析方法对张力腿平台局部系泊失效下的复杂运动响应的机理进行研究。田辰玲等[4]研究了典型流向角下张力腿平台的涡激运动特性,结果表明六面体网格的模拟结果与模型试验结果的吻合度更高。胡晓峰等[5]对张力腿平台在湍流边界层分离下的升(阻)力特性进行了数值模拟,得到不同流向角对平台结构的影响。刘玉标等[6]计算了在不同波浪周期和不同浪向角下的张力腿平台的动力响应。闫功伟等[7]计算了在考虑风、浪、流作用下的张力腿平台动力响应,指出张力腿平台的动力响应主要是由波浪载荷引起的。徐骁[8]使用STAR CCM+软件模拟平台在多工况波浪参数条件下的砰击载荷,确定各种典型工况条件下极限砰击载荷的分布。以上学者大多是对张力腿式平台的总体强度进行分析,获取平台整体的结构响应或是得到不同因素下对平台结构强度的影响,没有对影响较大的区域进一步分析和校核。

对此,本文以某张力腿式平台为研究对象,首先运用三维水动力理论计算张力腿式平台的运动响应和载荷,并采用准静态方法对平台整体结构强度进行有限元分析;然后根据海洋平台结构总强度分析结果,确定关键节点区域;最后对目标张力腿式海洋平台关节区域的强度计算结果进行屈服强度和屈曲强度校核。

1 平台结构概况

1.1 有限元模型

张力腿平台有限元模型包括甲板、舱壁及梁等主要构件,主要由下浮体、立柱、上部甲板及筋腱组成。平台的主船体由4个下浮体、4个立柱及上甲板组成。张力腿平台的张力腿筋腱与立柱相连,每个立柱上有3根,共有12根。本文采用SESAM软件的GeniE模块建立目标张力腿式平台总体模型,包括平台浮体、立柱、甲板内部结构,见图1。

图1 平台内部有限元模型示意图

1.2 物理属性

该平台主体结构采用船用高强度钢AH36,屈服强度为355 MPa;上甲板与立柱连接部位局部采用EH40钢,屈服强度为390 MPa;下浮体与立柱连接部位局部采用EQ43钢,屈服强度为420 MPa。3种钢材的物理属性如下:杨氏模量2.1×105MPa,密度7 850 kg/m3,泊松比0.3。

1.3 环境载荷

目标海洋平台设计海况参数见表1。

表1 设计海况相关参数

1.4 计算工况

目标平台主要承受两类载荷:一类为平台本身的满载、钻井和其他操作状态下的静水载荷;一类为波浪载荷。波浪载荷与平台吃水、波高、波长、周期、浪向角等参数有关,因此这些参数可以组合成不同的工况,具体见表2。

表2 波浪组合工况描述

2 平台屈服强度分析

2.1 千年一遇工况

本文采用Sestra模块对静水工况和波浪载荷工况进行有限元分析。千年一遇工况下高应力区域Von Mises应力云图见图2。根据高应力位置所用钢材并考虑1.1倍安全因子进行强度校核,见表3。

表3 高应力区域计算校核结果

图2 千年一遇工况各部位应力云图

由表3可知,3处高应力位置计算结果均低于许用应力,满足规范要求。

2.2 一年一遇工况

一年一遇工况下高应力区域Von Mises应力云图见图3。根据高应力位置所用钢材并考虑1.1倍安全因子进行强度校核,见表4。

表4 高应力区域计算校核结果

图3 一年一遇工况各部位应力云图

由表4可知,3处高应力位置计算结果同样低于许用应力,满足规范要求。

3 平台屈曲强度分析

3.1 千年一遇工况

3.1.1 立柱与下浮体连接处

在屈服强度计算中,Case101工况下结构承受的压应力最大。图4为Case101工况下结构的x方向压应力分布云图。

图4 千年一遇Case101工况结构x方向压应力分布图

从图4中可以看出,x方向最大压应力出现在下浮体与立柱相交部位的板上。因此,选用API Bulletin 2V对下浮体上的板进行屈曲强度校核,此板同时长边受压、短边受压和板边受到剪切力的作用,在此最危险的状态下进行屈曲强度校核。

(1)板长边受压时屈曲强度校核如下:

(1)

式中:fsp为正常使用极限状态下的屈服应力;Fy为材料的屈服强度;f为剪切屈服系数;Fp为线性弹性极限。

经计算,fsp=388.64 MPa=fxsp。

(2)板短边受压时屈曲强度校核如下:

(2)

(3)板边受剪切力作用时屈曲强度校核如下:

(3)

经计算,fxysp=240.33 MPa。

(4)同时受力状态下的屈曲强度校核如下:

(4)

经计算,P=0.652≤1,满足屈曲强度规范中的要求。

式中:fx、fy、fxy为同一工况下,板长、短向压应力及剪切应力计算值;fxsp为x轴的屈服压应力;fysp为y轴的屈服压应力;fxysp为屈服剪应力。

3.1.2 立柱与上甲板连接处

在屈服强度计算中,Case108工况下立柱与上甲板连接处结构承受的压应力最大。图5为Case108工况下结构的y方向压应力分布云图。

图5 千年一遇Case108工况结构y方向压应力分布图

选用API Bulletin 2V对立柱上的板进行屈曲校核,此板同时长边受压、短边受压和板边受到剪切力的作用,在此最危险的状态下进行屈曲校核。

(1)板长边受压时屈曲强度校核如下:

按照式(1),经计算fxsp=337.91 MPa。

(2)板短边受压时屈曲强度校核如下:

按照式(2),经计算,fysp=260.07 MPa。

(3)板边受剪切时屈曲强度校核如下:

按照式(3),经计算,fxysp=219.87 MPa。

(4)同时受力状态下的屈曲强度校核如下:

按照式(4),经计算,P=0.379≤1,满足屈曲强度规范要求。

3.2 一年一遇工况

3.2.1 立柱与下浮体连接处

在一年一遇的所有工况中,Case201工况下的压应力最大。图6为Case201工况下结构x方向的压应力图。

图6 一年一遇Case201工况结构x方向压应力分布图

从图6中可以看出,x方向最大压应力出现在下浮体与立柱相交部位的板上。因此,选用API Bulletin 2V对下浮体上的板进行屈曲校核,此板同时长边受压、短边受压和板边受到剪切力的作用,在此最危险的状态下进行屈曲校核。

(1)板长边受压时屈曲强度校核如下:

按照式(1),经计算fxsp=388.75 MPa。

(2)板短边受压时屈曲强度校核如下:

按照式(2),经计算fysp=336.76 MPa。

(3)板边受剪切时屈曲强度校核如下:

按照式(3),经计算fxysp=240.33 MPa。

(4)同时受力状态下的屈曲强度校核如下:

按照式(4),经计算P=0.613≤1,满足屈曲强度规范要求。

3.2.2 立柱与上甲板连接处

在一年一遇的所有工况中,Case208工况下立柱与上甲板连接处结构承受的压应力最大。图7为Case208工况下结构的y方向压应力分布云图。

图7 一年一遇Case208工况结构y方向压应力分布图

选用API Bulletin 2V对立柱上的板进行屈曲校核,此板同时长边受压、短边受压和板边受到剪切力的作用,在此最危险的状态下进行屈曲校核。

(1)板长边受压时屈曲强度校核如下:

按照式(1),经计算fxsp=312.62 MPa。

(2)板短边受压时屈曲强度校核如下:

按照式(2),经计算fysp=260.11 MPa。

(3)板边受剪切时屈曲强度校核如下:

按照式(3),经计算fxysp=219.87 MPa。

(4)同时受力状态下的屈曲强度校核如下:

按照式(4),经计算P=0.379≤1,满足屈曲强度规范要求。

4 结论

(1)通过屈服强度分析,发现目标张力腿式平台在千年一遇和一年一遇环境载荷下出现高应力的位置主要为下浮体与立柱连接处、立柱与甲板连接处和立柱与筋腱连接处。其中:下浮体与立柱连接处应力水平最高;在2类工况下应力水平均达到许用值的85%左右,但仍满足规范要求。

(2)通过对目标平台2类工况下的屈曲强度进行分析,发现受到压应力最大位置的下浮体与立柱连接处的板材同时长边受压、短边受压和板边受到剪切力的最危险状态下,屈服强度校核也只达到了许用值的60%～70%,因此2类工况下的屈曲强度校核均满足要求。