深水半潛式鉆井平臺典型節點強度研究＊

謝文會 謝 彬

(中海油研究總院深水工程重點實驗室)

深水半潛式鉆井平臺典型節點強度研究＊

謝文會 謝 彬

(中海油研究總院深水工程重點實驗室)

基于SESAM軟件,提出了深水半潛式鉆井平臺典型節點強度分析方法,并利用該方法研究了目標平臺立柱與撐桿連接處節點強度性能。首先進行平臺危險波浪載荷分析,得到平臺危險波浪載荷;然后進行危險波浪載荷條件下的平臺整體強度分析,確定平臺立柱與撐桿連接處節點結構模型的載荷邊界條件;最后依據分析確定的載荷邊界條件及典型節點受到的波浪載荷進行局部強度分析。分析結果表明,目標平臺典型節點的結構強度滿足使用要求。

深水半潛式鉆井平臺 典型節點 整體強度 局部強度 載荷邊界

第六代半潛式鉆井平臺代表著當前世界鉆井平臺的先進水平,這類平臺結構形式簡單,連接節點大大減少。第六代半潛式鉆井平臺的節點由空間板架結構構成,節點尺度遠大于以往半潛式鉆井平臺節點,應力分布情況十分復雜,而平臺主要結構連接處典型節點結構的失效破壞往往會危及平臺整體結構的安全,因此這些節點的強度性能成為制約平臺安全作業的關鍵因素之一[1-3]。基于SESAM軟件,提出了一套平臺典型節點結構分析方法,并針對目標平臺立柱與撐桿連接處典型節點進行了強度分析。

1 平臺典型節點強度分析方法

由于深水半潛式鉆井平臺連接節點結構形式復雜,為有效分析結構應力場分布,要采用有限元方法分析靜載荷和危險波浪載荷條件下結構的局部強度。根據SESAM軟件的特點和結構有限元計算基本原理,首先根據典型節點在平臺結構中所處的位置分析平臺在何種波浪載荷工況時典型節點受力最大、應力水平最高;然后用PatranPre模塊建立平臺波浪載荷模型,用Wadam模塊計算平臺整體結構受到的波浪載荷,再將平臺受到的波浪載荷傳遞給平臺整體結構有限元模型,用Sestra模塊進行平臺整體結構有限元分析,確定平臺節點局部結構有限元模型的載荷邊界條件;最后將平臺節點受到的波浪載荷傳遞給節點局部結構有限元模型,同時與節點受到的波浪載荷工況相對應,用Submod模塊將波浪載荷工況的載荷邊界條件傳遞給平臺典型節點局部結構有限元模型進行局部結構強度分析,確定局部結構的應力水平。半潛式平臺典型節點局部強度分析流程見圖1。

圖1 半潛式平臺典型節點強度分析流程

2 平臺波浪載荷計算

目標平臺的主體結構為一雙下浮箱、四立柱、箱型甲板、艏艉立柱間各用2根橫撐連接的框架結構(圖2),平臺總長度114.07m,寬度78.68m,高度(基線到主甲板)38.2m。進行波浪載荷分析時,目標平臺的吃水、排水量、回轉半徑等參數見表1。

圖2 目標平臺主體結構

表1 目標平臺吃水、排水量及回轉半徑

圖3 目標平臺3D波浪載荷計算模型

使用SESAM軟件PatranPre模塊按照目標平臺外部幾何形狀和尺寸建立平臺的3D波浪載荷計算模型,該模型共有3 408個板單元(圖3)。在進行波浪載荷分析時,為考慮流體粘性力影響,在平臺垂蕩自由度上加上了3%的臨界阻尼。研究認為,目標平臺受到最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩、最大縱向剪切力時各連接節點受力情況最惡劣[4-5]。考慮目標平臺作業海域的環境條件,利用設計波隨機計算方法[6-10]研究確定平臺在生存、作業、拖航狀態下受到危險波浪載荷(即最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩及最大縱向剪切力)作用時的設計波參數與設計波載荷(表2)。

表2 目標平臺危險波浪載荷及設計波參數

3 平臺典型節點強度分析

3.1 有限元模型

目標平臺的整體結構有限元模型、立柱與撐桿連接處典型節點有限元模型及該典型節點在平臺結構中的位置如圖4所示。

目標平臺整體結構有限元模型主要包括4個立柱、2個浮箱、4根橫向支撐、一體化的上部甲板結構及一些基本結構,由大約60 000個板單元、50 000個梁單元和300個質量元構成,大部分梁單元和板單元的尺寸為1.5m左右。立柱與撐桿連接處典型節點有限元模型由板單元建立,在保證抗彎剛度相等的原則下采用角鋼等效模擬球扁鋼類型的扶強材,模型采用矩形板單元建立,最小單元尺度約為t ×t(t為板厚),最大單元尺度約為0.1m×0.1m,該局部結構模型由大約80 000個板單元構成。

3.2 波浪載荷

使用SESAM軟件Wadam模塊,根據輻射—繞射理論計算平臺在遭受最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩及最大縱向剪切力時整體結構和局部典型節點受到的波浪載荷,并將所得波浪載荷分別傳遞到平臺整體結構有限元模型和典型節點局部結構有限元模型。平臺結構受到的靜水力載荷和波浪載荷,在計算過程中要分步計算并傳遞給結構模型;結構計算時要分別針對靜水工況和波浪載荷工況進行有限元分析,最后進行應力組合,確定結構應力水平。圖5為整體結構受到的波浪載荷示意圖,圖6為局部結構受到的波浪載荷示意圖。

3.3 載荷邊界條件

在進行局部強度分析之前,首先要分析各危險載荷工況下目標平臺整體結構強度,計算得到平臺主體結構位移場,從而確定典型節點局部結構模型的載荷(位移)邊界條件;隨后用Submod模塊將各載荷工況下由整體強度分析得到的邊界條件逐一準確地傳遞給典型節點局部模型,結合由相應波浪載荷分析確定的節點結構波浪載荷即可準確地分析節點局部結構的應力分布及應力水平。

3.4 計算結果

用有限元方法對平臺立柱與撐桿連接處典型節點的應力分布情況進行研究。首先分析拖航狀態、作業狀態、生存狀態下,當波浪入射方向為 90°、120°、135°,即目標平臺受到最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩、最大縱向剪切力作用時平臺的整體強度,確定立柱與撐桿連接處節點模型相應工況的載荷邊界條件,然后根據載荷邊界條件和節點波浪載荷分析相應工況下節點的強度。圖7為平臺整體結構波浪入射方向示意圖。

圖7 平臺整體結構波浪入射方向示意圖

圖8為生存狀態下波浪入射方向為90°(即目標平臺受到最大橫向撕裂力作用)時節點局部結構的應力云圖,最大應力出現在結構扶強材肘板連接處,為291.0MPa。設計中,立柱與撐桿連接處局部結構采用EQ36鋼材建造,其屈服強度為355.0MPa,根據ABS-MODU規范,結構在波浪載荷條件下許用應力系數取1.11,該種鋼材許用應力為 320.0 MPa。計算結果表明,該狀態下結構最大應力低于材料許用應力,平臺遭受最大橫向撕裂力時,立柱與撐桿連接處節點強度滿足規范[9-10]要求。

圖8 生存狀態下波浪入射方向為90°時節點局部結構等效應力云圖

圖9為生存狀態下波浪入射方向為120°(即目標平臺受到最大橫向扭矩作用)時節點局部結構的應力云圖,最大應力出現在立柱與撐桿連接處肘板應力集中位置,為517.4MPa。根據中國船級社《鋼制海船入級規范》規定,對該處0.2m×0.2m區域內所包含的所有單元應力進行平均[9],得到的平均應力為315.5MPa,低于該典型節點鋼材的許用應力320.0MPa;同時,除該立柱與撐桿連接處肘板應力集中位置外,其余結構應力水平均低于320.0 MPa。因此,在平臺遭受最大橫向扭矩時立柱與撐桿連接處節點強度滿足規范[9-10]要求。

圖10為生存狀態下波浪入射方向為135°(即目標平臺受到最大縱向剪切力作用)時節點局部結構的應力云圖,最大應力出現在立柱與撐桿連接處肘板應力集中位置,為512.6MPa。同上所述,對該處0.2m×0.2m區域內單元應力進行平均,得到的平均應力為316.7MPa,低于該典型節點鋼材許用應力320.0MPa;同時,除立柱和撐桿連接處肘板應力集中位置外,其余結構應力水平均低于320.0MPa。因此,在平臺遭受最大縱向剪切力時,立柱與撐桿連接處節點強度也滿足規范[9-10]要求。

同樣,對作業狀態、拖航狀態下平臺立柱與撐桿連接處節點局部結構的應力水平也進行了分析,結果見表3。

由表3計算結果可知,在作業狀態和拖航狀態下節點結構應力水平低于鋼材許用應力 320.0 MPa,因此結構強度滿足規范[9-10]要求。

表3 作業、拖航狀態下平臺立柱與撐桿連接處節點局部結構應力水平

4 結論

本文開展深水半潛式鉆井平臺結構連接典型節點強度研究,解決了平臺典型連接節點的分析技術問題,建立了一套基于SESAM軟件的典型節點強度分析流程,并成功應用于深水半潛式鉆井平臺典型節點強度分析,證實了目標平臺立柱與撐桿典型連接節點強度滿足規范要求,得到如下結論:

(1)基于SESAM軟件的半潛平臺典型節點強度分析方法程序簡單,可操作性強,可方便地應用于浮式平臺局部結構分析。

(2)各種危險波浪工況下的強度分析表明,目標平臺立柱與撐桿連接處典型節點強度滿足規范要求,設計合理可行。

(3)通過對目標平臺典型節點的分析認為,目標平臺遭受斜浪時,立柱與撐桿連接處典型節點結構應力水平較高。由此,平臺作業時應盡量避免斜浪方向,這將有利于目標平臺典型節點結構的安全。

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[3] 任貴永.海洋活動式平臺[M].天津:天津大學出版杜,1989.

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[10] AMERICAN BUREAU OF SHIPPING.ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units[S].Houston: ABS,2006.

(編輯:張金棣)

Abstract:The local strength analysis method for typical joints of deepwater semi-submersible rig is proposed based on SESAM software.Firstly,critical wave load is calculated for the platform.Then the global strength of platform under the critical wave load is analyzed,so the load boundary of model for column/brace joints is determined.Finally,the local strength of typical joint is calculated based on the load boundary and wave load of the typical joints. The analysisresultsshow that structural strength of the typical joint satisfies the rule requirements.

Key words:deepwater semi-submersible rig;typical joint;global strength;local strength;load boundary.

Local strength analysis for typical joints of deepwater semi-submersible rig

Xie Wenhui Xie Bin
(Deepwater Engineering Key L ab,CNOOC Research institute,Beijing,100027)

2010-01-11 改回日期:2010-04-09

＊國家高技術研究發展計劃(863計劃)經費資助項目“3 000米水深半潛式鉆井平臺關鍵技術研究”(2006AA09A103)部分研究成果。

謝文會,男,2007年畢業于天津大學船舶與海洋工程專業,獲博士學位,現主要從事海洋工程結構設計及設計理論研究。地址:北京市東城區東直門外小街6號海油大廈(郵編:100027)。