自升式鉆井平臺結構強度分析研究

李紅濤, 李 曄

(中國船級社海工審圖中心,天津300457)

自升式鉆井平臺結構強度分析研究

李紅濤, 李 曄

(中國船級社海工審圖中心,天津300457)

闡述了自升式鉆井平臺結構強度的基本理論,提出了結合移動平臺結構特點的結構強度分析,并以一桁架樁腿自升式平臺為例,通過有限元分析和求解來說明此類移動平臺結構強度分析的過程及方法。

自升式鉆井平臺;結構強度;有限元分析;桁架式樁腿

0 引言

自升式鉆井平臺是指具有活動樁腿,且其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預定高度進行鉆井作業的平臺,此種平臺在海洋石油開發中被廣泛應用。自升式海洋平臺與導管架固定平臺相比,結構整體柔性較大,振動響應較為強烈,且隨著海洋工程向深海發展,環境越來越惡劣,載荷不確定因素增多,因此,自升式鉆井平臺的結構安全越來越受到重視,而結構強度分析自然就成為設計階段的重要研究內容[1]。

本文以自升式鉆井平臺的結構安全為目的,闡述了結構強度理論,包括屈服強度理論、屈曲強度理論和疲勞強度理論;并結合自升式鉆井平臺結構特點,提出了總體性能分析、船體強度分析及局部強度分析3個主要的結構強度分析;最后以一桁架式樁腿的自升式鉆井平臺為例,通過有限元分析和求解,闡述此類移動平臺結構強度分析的過程及方法,對工程實踐有指導作用,并為工程設計人員提供借鑒。

1 結構強度失效形式

自升式鉆井平臺結構強度失效形式主要有3種,即屈服強度失效、屈曲強度失效及疲勞強度失效。

1.1 屈服強度[2]

對于樁腿、甲板間支撐等獨立構件,其屈服強度應滿足下式(1)、(2):

承受軸向拉伸和彎曲組合作用時

承受軸向壓縮和彎曲組合作用時

式中符號含義可參見參考文獻[2]。

對于平臺大部分結構:帶扶強材的板結構,其屈服強度應按相當應力σeq校核:

1.2 屈曲強度[2]

受壓桿件的整體屈曲臨界應力σcr按下式計算:

式中σE為歐拉應壓桿件的整體屈曲安全系數取值可見參考文獻[2]。

板格的屈曲強度可按如下公式進行校核:

式中:σx、σy、τxy為板格長、短邊壓應力及剪切應力值;σxcr、σycr、τxy為臨界屈曲應力;Sbu為安全系數,其取值可見參考文獻[2]。

1.3 疲勞強度[3,4][5][7]

疲勞校核的目的是確保平臺結構在營運期間有足夠的疲勞壽命,一般不應少于20年。發生疲勞破壞的結構一般要承受循環載荷,自升式鉆井平臺易發生疲勞的位置為桁架式樁腿的桿件節點處,因此務需對之進行疲勞分析。疲勞強度校核一般采用譜分析方法,具體過程可參見文獻[5]。

2 結構強度分析內容

根據自升式鉆井平臺的工作特性和結構特點,其結構強度分析可分為總體性能、船體強度及局部強度分析。

2.1 總體性能分析

自升式鉆井平臺的總體性能分析主要是考核其站立工作狀態下的整體安全情況,包括樁腿強度、鎖緊系統(升降系統)承載性能、預壓載性能、樁靴承載性能及抗傾穩性。總體性能會直接影響平臺的操作安全及作業能力,因此需予重點關注。具體計算方法和過程請詳見參考文獻[6]。

2.2 船體強度分析

平臺設計時,應確保船體具有足夠的強度,除承載設備及人員外,還能抵御環境載荷及功能載荷產生的不利影響。船體強度的失效形式主要為船體板或梁發生屈服、屈曲。受力主要工況為站立工況和拖航工況。站立工況下,預壓載和懸臂梁外伸狀態,船體受力最大,預壓載時,船體壓載艙和甲板的應力較高,懸臂梁外伸作業時,懸臂梁底座處主甲板及艙壁受力較大,且圍阱周圍的結構應力較高;拖航工況下,樁腿和固樁結構的應力較高。

2.3 局部強度分析

局部強度分析主要是對自升式平臺局部受力較大的結構單獨進行計算分析。根據自升式鉆井平臺的結構特點,應予強度分析的局部結構為:圍阱區、樁靴、生活樓、直升機甲板、吊機底座、懸臂梁、鉆臺、設備底座等。局部結構一般所受工作載荷較大,因此,這些結構在設計時強度應予保證。

圖1 有限元模型

局部強度分析一般采用有限元分析方法,由計算得到的應力進行板的屈服、屈曲校核。

3 算例

算例中的平臺為懸臂梁式自升式平臺,采用三角形箱形主船體,配有三個桁架式樁腿,艏一艉二,升降系統為電動齒輪升降系統,每個樁腿弦桿一套;全船并配有9套鎖緊系統,在拖航、作業及自存狀態下,鎖緊系統將樁腿弦桿齒條板鎖死;平臺每個樁腿帶有一個圓形的樁靴,拖航時可收回船底。平臺的作業環境條件及參數如表1所示。

表1 環境條件及作業參數

圖2 樁腿弦桿應力比

3.1 總體性能分析

根據該平臺結構特點,使用有限元軟件SACS建立如圖1所示的有限元模型,所有結構由梁單元模擬。坐標原點位于靜水面,x方向指向船艏,y方向指向左舷,z方向豎直向上。

3.1.1 功能載荷包括固定載荷和可變載荷。固定載荷主要包括平臺結構自重和設備重量,可變載荷主要包括各液艙的配載、平臺作業的相關載荷等。

3.1.2 環境載荷主要包括風、波浪、海流以及P-Delta載荷。環境載荷作用方向在算例中從0°～180°間共取5個方向,各方向環境載荷值見表2。

表2 環境載荷

3.1.3 計算結果 有限元分析結果表明,算例平臺樁腿強度、鎖緊系統承載能力、樁靴承載能力、抗傾穩性、預壓載能力及升降系統保持能力是足夠的,因此,算例平臺總體性能滿足規范要求。樁腿弦桿最大應力比及發生位置如圖2所示。

3.2 船體強度分析

使用MSC/Patran有限元軟件,建立如圖3所示的船體有限元模型。模型中可采用板殼單元、梁單元及管單元等適當組合。本文將平臺模擬為空間板殼、梁的組合結構。

計算工況主要分為作業、自存及預壓載3種工況,載荷值見表3。

表3 載荷列表

有限元分析結果表明,船體結構的最大相當應力(發生在懸臂梁固定底座下橫艙壁處,由懸臂梁外伸載荷引起)為318 MPa,小于允用應力319 MPa,因此船體主要結構屈服強度滿足要求。選取受壓或剪應力較大的板格按公式(5)進行屈曲分析,計算結果,屈曲因子均小于1,表明屈曲強度滿足要求。

作業工況、環境條件0°入射下,船體的相當應力云圖見圖4。

3.3 局部強度分析

本文選取最關鍵的圍阱結構進行強度分析。圍阱區主要包括升降室、鎖緊系統基座、上下導向結構及甲板、艙壁等。使用MSC/Patran有限元軟件,建立如圖5所示的有限元模型。

計算工況主要分為拖航、自存及預壓載3種工況,計算載荷如表4所示。

表4 載荷列表

有限元分析結果表明,圍阱結構的最大相當應力(發生在鎖緊系統上基座面板處,由鎖緊系統受力引起)為313 MPa,小于允用應力319 MPa,因此圍阱區主要結構屈服強度滿足要求。選取受壓或剪應力較大的板格按公式(5)進行屈曲分析,計算結果,屈曲因子均小于1,表明屈曲強度滿足要求。

自存工況下,圍阱區的相當應力云圖見圖6。

3.4 樁腿疲勞分析

3.4.1 海況條件

對算例中的桁架樁腿桿件節點處進行疲勞分析。本文采用北海的一年波浪散布圖。每一點的P-M譜見圖7。

3.4.2 應力幅頻率傳遞函數的確定

計算中選取STOKES 5階波理論,波高1 m,周期從4.5 s～30 s共18個頻率作用于3.1節所述有限元模型。對于每個波浪,選取72個波峰位置計算平臺的最大、最小傾覆力矩,將最大、最小傾覆力矩波峰位置樁腿桿件的應力相減,即可得到名義應力幅。圖8為樁腿與船體下導向結構交接處弦桿的名義應力幅傳遞函數,圖中3條曲線分別表示波浪0°、90°及120°3個方向入射的傳遞函數。名義應力幅頻率傳遞函數再乘以動力放大系數(DAF)和應力集中系數(SCF)即可得到應力幅頻率傳遞函數。

DAF的求解可采用SDOF方法求解;SCF可采用DNV推薦的做法求解[7]。

3.4.3 應力幅響應譜

確定輸入譜和頻率傳遞函數后,利用公式(7)即可求得應力幅響應譜。對應于圖8所表示桿件的響應譜(0°、90°及120°)如圖9所示。

3.4.4 疲勞壽命

采用Miner疲勞累計損傷理論,按1.3節所述方法對算例平臺的樁腿進行疲勞壽命分析,計算結果如表5所示。

表5只列出了疲勞壽命較短的一部分弦桿和撐桿,算例平臺最小疲勞壽命的弦桿處于下流向樁腿,且位于樁腿與圍阱下導向結構的交界處;最小疲勞壽命的撐桿處于下流向樁腿,且位于樁靴上方位置。由分析結果可知,此算例平臺樁腿的疲勞壽命為165年,滿足規范要求的20年。

表5 樁腿疲勞壽命

圖9 響應譜函數

4 結論

本文經理論與算例相結合,闡述了自升式鉆井平臺結構強度的計算原理和分析方法,并得到以下結論:

(1)自升式鉆井平臺結構強度的失效形式主要有屈服強度失效、屈曲強度失效和疲勞強度失效3種形式。

(2)自升式鉆井平臺結構強度分析包括總體性能分析、船體強度分析及局部結構強度分析。

(3)總體性能分析決定了平臺的操作安全和作業能力;船體強度分析保障了整個船體結構的安全;局部分析保證了船體局部結構的強度。

(4)本文采用譜分析方法進行疲勞計算。由于DAF、SCF等參數的計算比較保守,且假定平臺工作水深、氣隙及入泥都不變,因此計算的疲勞壽命也比較保守。

(5)樁腿是強度分析中較為薄弱的部位;但卻是平臺的關鍵結構,因此,在設計中安全系數應留有余量,日常使用中應注意維護保養。

[1] 李潤培,王志農.海洋平臺強度分析[M].上海交通大學出版社,1992.

[2] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] DNV Rp-C203.Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structure[M].2000.

[4] Cronin D J,Godfrey P S,Hook P M,et al.Spectral Fatigue Analysis for Offshore Structures[J].Numerical Method in Offshore Engineering.1978,281-315.

[5] Maddox N R,Wildenstein A W.A Spectral Fatigue Analysis for Offshore Structures[C].OTC 2261,1975,185-194.

[6] 李紅濤,徐捷,李曄.自升式海洋平臺站立狀態下的性能分析[J].中國海洋平臺.2009,24(4):38-42.

[7] DNV Classification Notes.Fatigue Strength Analysis for Mobile Offshore Units[M].1984.

Research on Structure Strength Analysis for Self-Elevating Drilling Units

LI Hong-tao, LI Ye
(Offshore Engineering Plan Approval Center of CCS,Tianjin 300457,China)

The theory of structure strength analysis for self-elevating drilling units is illustrated.Based on the structure characteristic of jack-up units,the contents for structure strength analysis are proposed.As an example,a jack-up with truss legs is analyzed by FEA method,which can explain the process and method for strength analysis of jack-up units.

jack-up;structure strength;finite element analysis;truss leg

P752

A

2009-09-11;修改稿收到日期:2010-03-15

李紅濤(1976-),男,博士,從事海洋工程結構設計與研究工作。

1001-4500(2010)02-0028-06