張力腿平臺鉆井設備模塊準靜力分析

祖 巍 馬冬輝 李彥麗 楊肖龍

（中海油能源發展裝備技術有限公司工程設計研發中心 天津300452）

引 言

隨著海洋石油工業向越來越深的水域的發展，傳統的淺海固定式平臺已經不能適應深水油田的開發。因此，發展適應深水石油開發的移動式平臺尤為重要。其中，張力腿平臺（TLP）是深水順應式平臺的一種典型形式。張力腿平臺在20世紀80年代初獲得蓬勃發展，可看作是帶有張力系泊系統的半潛式平臺。張力腿平臺不僅垂蕩運動較?。?］，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，具有波浪中運動性能好、抵抗惡劣環境能力強的優點，成為海洋工業深水采油平臺的主要形式。［2］由于張力腿平臺的運動對結構設計帶來的新問題和新挑戰是研究的主要難點之一，目前我國也在積極自主研發深水張力腿平臺。

對于淺水固定式平臺上的鉆井設備模塊，大多采用靜力分析，對于張力腿平臺上的鉆井設備模塊，必須考慮平臺的運動對其產生的影響。本文使用有限元分析軟件SEASAM分析張力腿平臺運動響應，得到各個波浪頻率和不同浪向下的運動響應幅值（RAO）、極值加速度等水動力參數；并在此基礎上，使用有限元分析軟件ANSYS對TLP平臺的上部鉆井設備模塊進行結構準靜力分析。

1 張力腿平臺極值加速度計算

張力腿平臺水動力主要采用DNV開發的計算軟件SESAM來進行計算，其中以使用GeniE模塊和HydroD模塊為主。GeniE模塊主要用于建立TLP的幾何模型以及進行濕表面網格的劃分。HydroD模塊主要將GeniE建立的有限元模型作為輸入，建立TLP水動力計算模型，定義TLP質量模型，并采用Wadam模塊對船體以及海洋結構物的波浪載荷、運動響應進行分析計算，［3］采用Postresp模塊對水動力計算結果進行后處理；從而得到張力腿平臺在不同工況下的極值加速度，并作為下一步對張力腿平臺上的鉆井設備模塊進行準靜力分析的輸入。

1.1 張力腿平臺模型

TLP平臺的船體結構建成濕表面模型，采用Panel單元模擬，根據單位勢流理論計算波浪力；張力腿筋鍵和立管采用Morison單元模擬［4］，根據莫里森方程計算波浪力?？紤]正常作業工況，不可預期作業工況和可預期極端工況三種不同的工況。各工況下平臺的船體濕表面模型、張力腿筋鍵的水動力模型如圖1所示。

圖1 張力腿平臺水動力模型

1.2 張力腿平臺的極值加速度

HydroD基于三維勢流理論［5］可計算得到平臺運動響應幅值RAO。結合TLP平臺RAO計算結果，可計算平臺的極值加速度，這就需要計算平臺的加速度傳遞函數，且將六個自由度方向的加速度轉化為X、Y、Z三個自由度方向的線性加速度，轉化公式（僅以Z方向自由度為例）見式（1）：

根據上述轉化公式，可得平臺三個方向的加速度傳遞函數。

TLP平臺的極值加速度采用譜方法計算，根據計算得到的加速度傳遞函數， 輸入波浪譜，可計算各波浪入射角度的加速度響應譜［6］。根據加速度響應譜模擬3個小時的短期海況，取最大值，則為加速度極值。

各工況下TLP平臺重心位置極值加速度如表1所示。鑒于平臺及其上部鉆井設備模塊等結構是共同發生運動的，極值加速度將作為下一步準靜力分析的輸入數據，并以慣性載荷的形式施加于上部結構。

表1 TLP平臺極值加速度m / s2

2 鉆井設備模塊準靜力分析有限元模型

2.1 有限元模型

鉆井設備模塊包括井架、鉆井甲板和下底座。鉆井甲板有一層甲板和在甲板上縱橫分布的4根主梁。4根主梁相互交叉之處，是邊長9.144 m的正方形。正方形區域內2根主梁支撐著轉盤，另2根主梁支撐轉盤大梁。正方形區域外的懸臂梁支撐著鉆井甲板上其他主要部位。井架結構直接坐落在正方形的四角上。鉆井甲板的大部分區域都是加筋板組成。鉆井甲板上的主梁還直接支撐西側的貓道和東側的測井平臺。下底座由上至下有四層平面，依次為東西向滑道、中層甲板、下層甲板和BOP甲板。

在ANSYS中使用Beam188單元建立主梁和其他骨材［7］，其中T型鋼屈服強度為345 MPa，工字型鋼結構屈服強度為355 MPa。使用shell 63單元建立所有的板結構，其屈服強度為355 MPa。鉆井設備模塊上的所有設備采用MASS 21單元進行模擬。所有單元彈性模量E= 2.06e5 MPa，泊松比μ=0.3，密度為ρ=7.85 kg/m3。鉆井設備模塊邊界處連接主甲板強構件，此處剛度較大，發生的位移與整體鉆井設備模塊相比可以忽略不計，因此邊界條件取作對4根主立柱施加鉸支約束。鉆井設備模塊有限元模型如圖2所示。

圖2 鉆井設備模塊有限元模型

2.2 結構加載

鉆井設備模塊外載分為重力載荷和環境載荷兩大類。

重力載荷包括靜載荷和活載荷。靜載荷指結構質量和設備干重，其中主要設備包括絞車、鎖緊裝置、管道閥門、拖鏈等。活載荷指大鉤載荷、轉盤載荷、立根載荷、液體載荷和甲板可變載荷等。鉆井設備模塊重力載荷約重2 111 t。結構鋼材自重是通過定義結構幾何尺寸和鋼材密度由程序自行計算，定義結構長、寬、高以及結構構件尺寸和材料密度。設備質量模擬成“MASS21”單元［8］。設備質量的模擬基于設備的長、寬、高和設備的重心位置，立根載荷的施加與設備質量模擬方式類似，并按照布置圖施加到結構上的不同位置。

環境載荷包括慣性載荷和風載荷。

慣性載荷由平臺運動引起（如表1所示），慣性載荷以加速度的形式施加于鉆井設備模塊。

風載荷參數見表2。

表2 風載荷參數m/s

風載荷的計算一般基于風壓和受風面積。為便于分析，文中僅考慮受風面積。風載荷根據API 4F 8.3章節中的相關規范進行計算。［9］按照45°的增幅計算0°～ 360°范圍內8個方向的風載荷，因為鉆井設備模塊是對稱結構，故其他方向的風載荷均可通過0°和90°方向風載荷計算求得。計算求得鉆井設備模塊受到的風載荷結果如表3所示。風載荷以節點集中力的形式施加至模型受風面的所有節點。

表3 風載荷計算結果

3 鉆井設備模塊準靜力分析

TLP平臺鉆井設備模塊鉆井甲板以上部分可根據平臺作業時鉆探井位的不同而作相應移動，因此準靜力分析共對三種不同的模型進行，這三種模型分別對應東井位、中井位和西井位。對每一種井位，又分為五種工況、即正常作業工況（存在大鉤載荷）、正常作業工況（存在轉盤載荷）、不可預期作業工況、可預期極端工況（考慮液體載荷）和可預期極端工況（不考慮液體載荷）。不同工況的環境載荷及鉆井設備模塊上運行的設備有所區別。對每一種工況，還需考慮風載荷和波浪載荷（已通過水動力分析轉化為慣性載荷）從不同方向作用于鉆井設備模塊上，共考慮0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共八種不同的入射角度。

綜上所述，對鉆井設備模塊共進行120種情形下的準靜力分析。為詳細描述分析結果，將整體結構分為鉆井甲板、中層甲板和下層甲板；分別提取120個工況下各層甲板板的最大等效應力，將鉆井設備模塊分為鉆井甲板、中層甲板、下層甲板和下底座等部分，分別提取120個工況下各部分的最大位移值。僅以其中一個工況為例描述鉆井設備模塊應力和變形。

3.1 鉆井設備模塊板結構應力分析

鉆井設備模塊等效應力云圖參見下頁圖3。由圖3可知，下層甲板等效應力最大，鉆井甲板次之，中層甲板最小。對比最大應力的發生位置可知，鉆井甲板最大等效應力發生在放置絞車的位置。絞車質量較大，對鉆井甲板應力分布影響較大。中層甲板等效應力較大位置主要集中于與立柱和斜撐相連的區域，這部分結果主要是由于存在應力集中現象所造成的；其次，發生在振動篩與BOP控制單元布置的區域。除此之外，中層甲板板單元等效應力相對較小。下層甲板的最大應力發生在板的邊緣位置與支撐骨材相連的區域，這也是由應力集中造成的。

考慮到應力計算結果較大位置主要為應力集中處，而有限元模型中對這些結構局部細節進行了簡化，因此結構的實際應力應低于計算值，可以認為結構實際強度儲備更大一些。中層甲板可考慮適度優化，減少用鋼。

圖3 鉆井設備模塊甲板等效應力云圖

3.2 鉆井設備模塊梁結構應力分析

在對鉆井設備模塊進行準靜力分析時，按照構件截面的不同，將梁單元的所有構件分為24組，并對其進行編號。分析24組構件計算結果可知，編號為T5、T5C和CO2組骨材等效應力較大，安全裕量相對較小。

T5組骨材位于鉆井甲板上，截面形式為T型，型號為T 250×580×20×10。梁截面較小，最大等效應力為257.22 MPa（許用應力為276 MPa），發生位置如圖4所示。該構件長度約9 m，由于跨距大，因而其等效應力也相對較大。

T5C組骨材位于中層甲板上，截面形式為T型，型號為T 200×494×16×10。梁截面較小，最大應力為221.82 MPa（許用應力為276 MPa），發生位置如圖4所示，該位置設有振動篩。

CO2組骨材位于中層甲板和下層甲板之間，起到支撐中層甲板的作用，其截面形式為圓管，尺寸為323.9 mm×12.5 mm，最大應力為206.83 MPa（許用應力為232 MPa），最大應力發生位置見圖4。

圖4 鉆井設備模塊受力較大梁結構

位于鉆井甲板上的T5骨材，其最大等效應力多發生于正常作業工況，這是因為在正常作業工況下，鉆井甲板上立根、可變載荷、液體載荷等較大。位于中層甲板T5C和下底座CO2骨材的最大等效應力多發生在可預期極端工況下，其原因是環境載荷對骨材的應力產生較大影響。

對于這些局部受力較大的構件，可以適當考慮使用截面更大的型材，或者增加構件數量、減小部分構件的跨距，使結構更為安全。

3.3 鉆井設備模塊變形分析

鉆井設備模塊變形云圖參見下頁圖5 -圖6。質量載荷對甲板位移影響較大。鉆井甲板平面Z向最大位移為2.39 cm，發生在絞車下部，這是由于絞車質量對結構位移產生了較大影響。中層甲板和下層甲板最大位移發生在跨距最長的主要構件處。中層甲板Z向最大位移為2.55 cm，下層甲板Z向最大位移為3.16 cm。由于受到風載荷的影響，下底座X方向最大位移為2.76 cm，發生在東側和西側的橫撐上，下底座Y方向最大位移為2.51 cm，發生在南側和北側的斜撐上。由于受BOP架上設備質量影響，下底座Z向最大位移為1.56 cm，發生在BOP架附近跨距最長的構件上。

圖5 鉆井設備模塊變形云圖

圖6 下底座框架位移云圖

4 結 論

筆者基于某深海張力腿平臺結構，以慣性力的形式考慮平臺運動對上部結構強度分析產生的影響，并對鉆井設備模塊進行準靜力分析，既避免了動力分析的巨大計算量，也使靜力分析獲得更接近現實的分析結果。本文分析計算結果可為類似張力腿平臺的移動式平臺上部設備結構的強度分析提供一定的研究思路和技術支持。

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