張力腿平臺總強度分析關鍵技術研究

王一江 夏侯命勝 羅東紅 楊東亞 楊 玥 沈玉琦

（1.中海石油深海開發有限公司 珠海518000；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；3.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200240）

引 言

張力腿平臺是一種半順應式半剛性平臺［1］，主要由平臺上體、立柱、浮箱、張力腿和錨固基礎這五部分組成。由于該類平臺不僅垂蕩運動較小，而且控制方向的張力對非控制方向的運動具有牽制作用，所以漂移搖擺的幅度也比一般半潛式平臺小，在波浪中具有較好的運動性能，很好地解決了傳統移動式平臺運動性能和定位難以滿足深水作業需求的問題，還具有造價低，干濕采油樹均可布置等優點，被越來越廣泛地應用于深海油氣開發領域［2-3］。

張力腿平臺主要承受復雜多變的風、浪、流載荷以及浮體、立管和張力腿系統的動力載荷。為滿足功能與安全性要求，需要對張力腿平臺進行結構強度研究，主要包含總強度分析和局部強度分析（關鍵連接部位）兩部分。本文根據API、ABS和DNV等設計規范，針對某張力腿平臺在LIUHUA邊際油田海域環境條件下，進行張力腿平臺總強度計算分析和研究；并根據張力腿平臺獨有的結構及功能特點，深入探討其總強度分析工況及載荷，基于波陡理論的隨機海況波浪條件下設計波的確定，計算不同階段張力筋腱的模擬和各計算工況下結構安全系數的選取。本文旨在研究張力腿平臺結構的承載能力及載荷傳遞路徑，為類似平臺設計提供參考。

1 平臺總體結構型式特點

張力腿平臺主體結構主要由浮箱、立柱和上部組塊（或上部模塊主框架）結構三個部分組成，各個部分自成一體又相互連接，以抵抗不同設計狀態下的自重、功能載荷以及環境載荷，其整體示意圖如圖1所示。由于張力腿平臺的構造特點，其主要承載構件間的連接必然存在形狀突變，易產生應力集中及疲勞問題，結構設計必須針對該類結構進行重點分析。因此，上述總強度載荷傳遞路徑上的結構合理設計是平臺結構安全的關鍵保證，需嚴格按照船級社規范要求，充分考慮設計參數敏感性的載荷直接預報以及有限元分析的校核和驗證。

圖1 張力腿平臺（TLP）總體示意圖

2 分析工況及載荷

張力腿平臺與單體式的船形浮體不同，總強度分析存在擠壓、分離力、剪切、扭矩、彎曲和慣性加速度等多個主控載荷模式［4］，通過浮箱、立柱與上部組塊（或上部模塊主框架）間保持連續關系的主要承載構件，將上部組塊的各種功能載荷、水線以下結構承受的波浪載荷及張力筋腱載荷等順利傳遞、擴散至整個平臺。其總強度分析一般包括一年一遇作業工況、百年一遇極限工況以及千年一遇自存工況。各工況載荷均按照最不利的方向進行組合，如表1所示。

表1 鉆臺設計載荷及工況組合

環境載荷方向及坐標系定義見圖2所示。其中，淹沒力（Inundation load） 是指靜水線面以上的波浪壓力，主要反映了非線性波浪爬升的影響［5］。該載荷可通過CFD方法進行精確計算，但相對其他載荷，除對水線處局部構件的應力結果產生影響外，對平臺總強度影響較小。因此，工程上單根立柱上的淹沒力大小一般取該立柱總的波浪壓力的10%，并以節點力的形式施加于立柱水線面位置。

圖2 環境載荷方向及坐標系定義示意圖

3 張力筋腱的模擬

雖然張力腿平臺主體結構與一般半潛平臺結構類似，但是在張力筋腱的高預張力作用下，不僅影響了平臺的運動響應［6］，還導致平臺受力模式及計算力學模型模擬方法（尤其是考慮張力筋腱作用下的邊界條件）與其他半潛平臺有較大區別。為合理模擬張力筋腱對平臺的約束及載荷作用，本文在張力腿平臺水動力計算模型中，通過選取Morison模型中的Tendon單元模擬張力筋腱，以便在水動力求解時模擬其預張力及剛度；同時通過水動力求解，得到張力筋腱上各向張力的傳遞函數，用于目標設計波的確定以及進一步張力筋腱抱緊器基座結構強度分析。在總強度計算模型中，通過張力筋腱模型與結構模型合并處理方法，將張力筋腱的張力載荷通過Tendon單元傳遞至張力筋腱基座，從而更準確反映平臺受力傳遞途徑。同時，為更加準確模擬張力筋腱對平臺的約束作用，一般在張力筋腱基座處施加x、y、z三個方向的彈性約束（如圖3所示）。

圖3 張力腿平臺總強度計算邊界條件示意圖

水動力計算中得到的張力筋腱動態張力也可以通過該彈性單元傳遞。彈性單元三個方向剛度計算如下［5］：

軸向剛度：Kz= EA/L= 7.651E+04 （N/m）；

水平剛度：Kx=Ky=T/L= 53.049 （N/m）；式中：A為張力筋腱最小剖面面積（張力筋腱截面示意圖見圖4）；L為張力筋腱長度；T為張力筋腱預張力。

圖4 張力筋腱截面示意圖

4 腐蝕余量及安全系數的選取

張力腿平臺總強度分析另一關鍵因素是腐蝕余量及安全系數的選取。其中，各船級社對于腐蝕余量的規定對比［5-9］如表2所示。實際工程計算時，考慮到平臺結構質量對平臺總體性能的影響敏感，且對于整個平臺的防腐系統的設計一般能對平臺整個生產運營周期進行保護，因此在進行總強度計算分析時（結構疲勞分析除外）可以不考慮腐蝕余量。

表2 各船級社規范關于腐蝕余量的規定

強度校核許用應力的確定，關鍵在于各工況下安全系數的選取。由于本目標平臺為生產平臺，相對于作業周期較短的鉆井平臺（如“981半潛式鉆井平臺”），不僅計算工況更細（增加“千年一遇”海況）且衡準更高（見表3）。本文應力衡準主要采用《美國海上浮式生產裝置入級與建造規范》（ABS FPI），該規范中對平臺構件（GR345B鋼，Fy= 345 MPa） 的許用相當應力安全系數規定參見表3。［4］屈曲強度安全系數參見表4。

表3 各海況下的屈服許用應力及相應安全系數（ABS FPI）

表4 各海況下的屈曲強度安全系數

5 平臺總強度控制工況研究

為研究張力腿平臺總強度控制工況及關鍵結構強度設計，本文研究的目標平臺主體由四邊形桁架式平臺上部組塊、4個圓形立柱和方形浮箱組成的下浮體構成，其主要參數如下：

5.1 平臺設計波的確定

水動力模型包括濕表面模型、質量模型和張力筋腱Morison模型，參見圖5。

圖5 平臺水動力模型

其中濕表面模型單元采用三角形單元和四邊形單元，通過三維繞射理論計算平臺典型剖面載荷，獲得各工況下載荷分量的傳遞函數，最后根據波浪散布圖和波浪譜完成典型剖面載荷的短期及長期預報，確定目標平臺設計波。在設置水動力相關參數時，由于張力腿平臺各剖面載荷分量的波浪周期敏感區域約為3～20 s，故選取周期3～50 s，步長取1.0 s（其中10～20 s的步長取0.5 s），選取中國南海一年一遇、百年一遇和千年一遇的海況條件進行設計分析。波浪載荷長期預報時選用的波浪散布圖為中國南海夏季波浪散布圖，波浪譜為JONSWAP譜。各海況波浪譜參數如圖6 -圖8所示。

圖6 一年一遇波浪譜

圖7 百年一遇波浪譜

圖8 千年一遇波浪譜

為確定強度計算最危險海況，提高計算精度，本文在波浪載荷預報分析時，對平臺的目標波浪載荷進行基于波陡理論的隨機海況波浪條件下的周期敏感性分析。首先根據南海海況資料的“千年一遇”海況，在4～20 s周期下進行目標載荷周期敏感性分析，結合波陡限制找到目標載荷響應最危險的短期海況周期和最危險的目標載荷。在此基礎上確定平臺設計波參數的，其中千年一遇自存工況下的設計波參數參見下頁表5，典型波浪載荷響應傳遞函數參見下頁圖9 -圖16。

表5 平臺千年一遇自存工況設計波參數

圖9 LC1-平臺縱向分離力傳遞函數

圖10 LC2-平臺垂向剪力傳遞函數

圖11 LC3-浮箱扭矩傳遞函數

圖12 LC4-浮箱彎矩傳遞函數

圖13 LC5-平臺彎矩傳遞函數

圖14 LC6-平臺水平剪力傳遞函數

圖15 LC7-平臺加速度傳遞函數

圖16 LC8-平臺對角線分離力傳遞函數

5.2 平臺總強度模型

張力腿平臺相對半潛平臺上部組塊一般為桁架式結構，且與下浮體連接為嵌入式，該型式與滑動式（如FPSO的Topside滑動支墩）的主要區別在于上部組塊結構本身參與平臺的總強度。為準確地反映上部組塊在平臺總強度計算時的剛度及載荷傳遞作用，本文采用梁單元對該結構進行實際尺寸模擬，在Sesam相關結構分析模塊中建立的平臺有限元模型可參見圖17。平臺下浮體結構甲板、艙壁等主要構件以四節點或三節點板單元模擬，網格大小約0.6 m，部分關鍵連接區域處局部網格適當加密。另外，為獲得相對精確的應力分布，總模型中也包含張力筋腱抱緊器基座（Tendon Porch）以及立柱與上部組塊的對接短柱（Mating Post）等局部結構的建模。

圖 17 總強度計算有限元模型及板厚示意圖

5.3 總強度控制工況分析

通過計算，目標平臺主要結構應力結果參見表6，平臺下浮體外圍壁及內艙壁應力分布參見圖18 -圖19。

表6 目標平臺各海況下的屈服強度校核結果MPa

圖18 下浮體外圍壁應力分布云圖

圖 19 下浮體內艙壁應力分布云圖

通過上述結果可知，從“一年一遇”到“千年一遇”，平臺整體應力水平隨所受波浪載荷變大而逐步增加。高應力區位于立柱外板張力筋腱抱緊器基座區域，主要由張力筋腱載荷引起；而浮箱與立柱連接肘板以及立柱與上部組塊的對接立柱處，則主要因波浪載荷作用下船體變形所致。

下浮體（包括立柱及浮箱）外圍壁結構的控制工況為千年一遇自存工況，而其內艙壁及平臺構件的控制工況為一年一遇作業工況（與其他作業海況相比，在應力水平相當的情況下，其安全系數較高導致）。控制載荷工況主要是LC3-浮箱最大扭矩及LC8-平臺最大對角線分離力。

由于本平臺立柱為圓柱形，浮箱為方形，因此本平臺屈曲校核分為平板屈曲和曲面板屈曲強度校核，其中曲面板屈曲強度校核結果參見表7。

表7 目標平臺各海況下的曲面板屈曲強度校核結果

6 結 論

由于張力筋腱系統的作用，使張力腿平臺總強度計算分析相對于常規半潛平臺有所區別，因此其結構設計過程中對結構型式、設計載荷、總強度以及疲勞分析都提出更高要求。通過本文研究得出以下結論：

（1）張力筋腱的模擬，是張力腿平臺總強度分析的關鍵。在水動力分析時應通過選取Morison模型中的Tendon單元模擬張力筋腱，以便在水動力求解時模擬其預張力及剛度，同時求解出各工況最終的張力載荷。總強度計算時應注意采取合理的方法將張力筋腱的張力載荷映射到結構模型中，并通過設置合理的彈性剛度模擬張力筋腱對平臺的約束作用。

（2）載荷傳遞路徑，從強度計算應力分布不難發現，高應力區主要發生在浮箱與立柱連接肘板，張力筋腱抱緊器基座（Tendon Porch）及立柱與上部組塊的對接短柱（Mating Post）區域，因此不難判斷張力腿平臺主要載荷是波浪載荷、張力筋腱載荷及上部組塊重力及功能載荷。這些主要載荷通過以上關鍵區域在桁架式上部組塊，4個圓形立柱和方形浮箱間進行相互傳遞，且主要承載構件為立柱與浮箱的外圍壁及相交內艙壁，因此在設計相關構件時應給予重點關注。

（3）總強度控制工況，雖然平臺整體應力水平從“一年一遇”到“千年一遇”，隨著所受波浪載荷變大而逐漸增加，但是綜合考慮各工況安全系數后，發現下浮體（包括立柱及浮箱）外圍壁結構的控制工況為“千年一遇”自存工況，而其內艙壁及平臺構件的控制工況為“一年一遇”作業工況。因此，在進行類似平臺設計時，在考慮極端工況下主要構件強度的同時，對正常作業工況下的內艙壁相關構件同樣應給予足夠重視。

［參考文獻］

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