超深水鉆井船隔水管艙段結(jié)構(gòu)總體強度分析

王永剛

(中遠(yuǎn)海運重工有限公司 技術(shù)研發(fā)中心， 遼寧 大連 116600)

0 引言

海洋工程裝備是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和高端裝備制造業(yè)的重要組成部分，《中國制造2025》已將其列為重點發(fā)展領(lǐng)域[1]。超深水鉆井船能夠適應(yīng)深海作業(yè)，機動性強，自持時間長，甲板面積和可變載荷大，有一定儲油能力，相對總投資少，是非常理想的超深海鉆探作業(yè)裝備[2-3]。開展對新一代超深水鉆井船的設(shè)計研發(fā)，可以增強企業(yè)在國際海工裝備市場的競爭力。

隨著海上鉆井平臺(船)作業(yè)水深的增加，作為海底井口和平臺(船)的連接通道，隔水管重量和體積也不斷增大。位于主甲板以下的隔水管艙段，由于布置和作業(yè)要求，內(nèi)部不允許有任何支撐結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)布置和整體剛度有比較嚴(yán)格的要求，故需要進(jìn)行整體強度校核。

本文以新一代超深水鉆井船的隔水管艙段為研究目標(biāo)，結(jié)合ABS Drillship 規(guī)范要求，利用Drillship 2.0 軟件對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體強度分析，并進(jìn)行有效地改進(jìn)和優(yōu)化。

1 隔水管存儲形式

隔水管系統(tǒng)是海底井口與鉆井船之間的連接通道，具有隔離海水、引導(dǎo)鉆具、循環(huán)鉆井液、起下海底防噴器組、系附壓井、防噴、增壓管線、補償鉆井船的升沉運動等功能，應(yīng)用于勘探和鉆采平臺、浮式鉆井船上。為保障鉆井船的橫搖穩(wěn)性，隔水管多采用平放的存儲形式，見圖1。從存儲位置可以分為兩類：一類是把隔水管堆棧于主甲板以上。如“大連開拓者”號鉆井船，主甲板上設(shè)有隔水管存儲模塊[4]；另一類是把隔水管堆棧于主甲板以下的隔水管艙室內(nèi)，稱為緊湊型布置。如PRD12000 鉆井船，其隔水管布置于月池前端的艙室內(nèi)，從雙層底堆棧至主甲板以上，甲板采用大開口形式。緊湊型布置方案可以有效降低整船重心，增大甲板的使用面積和船舶穩(wěn)性，是未來發(fā)展的趨勢。

圖1 隔水管布置方案

目標(biāo)鉆井船可于3 500 m以上水深處作業(yè)，隔水管總重超過4 000 t，體積龐大，占用面積大，其存儲形式對整體布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大的影響。超深水鉆井船采用緊湊型布置方案，以平行堆棧的方式將隔水管存儲于主船體的隔水管艙段。艙段位于主甲板以下，月池前端。甲板左舷設(shè)有一個28 700 mm×2 500 mm的開孔，用于隔水管的裝卸和傳輸。隔水管布置圖見圖2。

2 隔水管艙段結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計

從圖2可以看出，整個艙段的橫縱跨距分別達(dá)到36.4 m和33.6 m。由于作業(yè)要求，隔水管艙段不允許有任何垂向支撐結(jié)構(gòu)和橫縱方向的艙壁結(jié)構(gòu)，對船體梁的總縱強度和結(jié)構(gòu)的局部強度都有十分不利的影響。該艙段采用縱骨架式，外板靠近甲板和主甲板靠近舷側(cè)部分采用局部增加甲板厚度的方式來增加甲板的剖面模數(shù)，提高總縱強度。甲板主要支撐構(gòu)件使用縱橫交錯的T型材結(jié)構(gòu)，見圖3。大跨距需要增加T型材的尺寸和剖面模數(shù)以滿足強度要求；同時艙室內(nèi)由于吊裝作業(yè)，需要保證艙室內(nèi)吊梁有足夠的活動空間，對主甲板支撐構(gòu)件的尺寸有限制，兩者相矛盾，為此主甲板支撐構(gòu)件設(shè)計時采用1 100 mm×22 mm腹板和500 mm×30 mm面板的拼接T型材，在保證腹板尺寸的前提下通過增大面板的寬度和板厚增加剖面模數(shù)。

圖2 隔水管艙段布置圖

圖3 典型橫框結(jié)構(gòu)圖

3 總體強度校核

使用Femap軟件建立三維結(jié)構(gòu)有限元模型，利用美國船級社(ABS)開發(fā)的Drillship 2.0 軟件，結(jié)合ABS Drillship Guide，在總縱彎曲應(yīng)力基礎(chǔ)上，疊加局部載荷引起的板架彎曲、縱骨彎曲及板的彎曲，校核關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的屈服、屈曲及疲勞強度。

3.1 有限元模型及邊界條件

采用全寬全深三艙段模型，模型至少包含目標(biāo)艙段及前后各一個艙段內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)，范圍至前后艙段端部的橫艙壁結(jié)構(gòu)。隔水管艙段結(jié)構(gòu)全部使用高強鋼，最小屈服強度為355 MPa。以建造厚度建立三艙段有限元模型，見圖4。全部隔水管作為整體用質(zhì)量點單元模擬，通過REB3剛性單元與艙室內(nèi)底的肋板相連接，能夠加權(quán)分配和傳遞力和彎矩，加載方式見圖5。

圖4 三艙段有限元模型

圖5 隔水管貨物加載模型

模型端部施加剛體位移約束，由模型艉向端面MPC(關(guān)聯(lián)縱向構(gòu)件)X方向線位移約束、兩個端面橫向構(gòu)件的Z方向彈簧約束與兩個端面垂向構(gòu)件的Y方向彈簧約束構(gòu)成。調(diào)節(jié)彎矩分別施加在兩個端面的MPC(關(guān)聯(lián)縱向構(gòu)件)上。

3.2 計算工況

超深水鉆井船有三種典型運營模式：航行、鉆井和風(fēng)暴自存[5]。每一種運營模式都需要進(jìn)行總體強度分析，計算裝載工況至少應(yīng)包括：

(1) 包含最大靜水船體梁剖面載荷(垂向彎矩及剪力)對應(yīng)的裝載工況——對應(yīng)不同目標(biāo)校核艙段，分別以靜水彎矩(區(qū)分中垂中拱)與剪力(區(qū)分正負(fù))作為控制載荷進(jìn)行篩選，得到對應(yīng)絕對值最大控制載荷的裝載工況。

(2) 在靜水中艙壓實驗工況——每個艙在測試靜水壓頭下臨近艙是空艙，吃水為1/3結(jié)構(gòu)吃水。對于雙層底中的艙，測試靜水壓頭是到透氣管高度和艙壁甲板中的大者，對于其他艙為到透氣管高度和高出艙頂2.4 m的大者。

對于每一種裝載工況，針對不同目標(biāo)控制載荷，要采用不同的載荷組合方式進(jìn)行總體強度分析。隔水管艙段總體計算的裝載工況選擇信息見表1，載荷組合方式見表2，其中：工況LC1～LC8用于校核垂向彎矩為控制載荷的工況，LC9～LC10用于校核垂向剪力為控制載荷的工況。

表1 強度計算裝載工況表

3.3 載荷加載

計算載荷包含船體梁載荷、外部載荷和內(nèi)部載荷。船體梁載荷包含垂向彎矩、垂向剪力和水平彎矩、水平剪力，其計算公式如下：

Mv-total=Msw+kukcβVBMMwv

(1)

Fv-total=Fsw+kukcβVSFFwv

(2)

MHE=kukcβHBMMH

(3)

FHE=kukcβHSFFH

(4)

式中：Mv-total、Fv-total、MHE、FHE分別為需要加載的垂直彎矩、垂直剪力和水平彎矩、水平剪力；Msw、Fsw分別為靜水彎矩和剪力，取自裝載手冊，考慮到鉆井船設(shè)備數(shù)量和種類繁多及重量控制復(fù)雜等因素，靜水彎矩和剪力增加10%裕量；ku為載荷系數(shù)，ku=1；kc為不同組合工況中船體梁載荷的修正系數(shù)，見表2；Mwv、Fwv、MH、FH分別為相應(yīng)工況下夏季載重線時由波浪引起的垂向彎矩和垂向剪力、水平彎矩和水平剪力；βVBM、βVSF、βHBM、βHSF分別為作業(yè)海域相對于北大西洋海域關(guān)于垂向彎矩和垂剪力、水平彎矩和水平剪力的環(huán)境烈度因子，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的初始構(gòu)件尺寸確定階段就可以充分考慮指定作業(yè)地點海況下的載荷烈度[6]。

表2 載荷工況中載荷組合系數(shù)表

在Drillship 2.0軟件系統(tǒng)中，通過定義作業(yè)海域波浪環(huán)境計算環(huán)境烈度因子，進(jìn)而計算波浪彎矩、波浪剪力、外部壓力、相對波面升高、船體運動的加速度和幅值；結(jié)合構(gòu)件類型和艙室的定義實現(xiàn)內(nèi)部載荷的施加以及腐蝕的扣除，并實現(xiàn)不同構(gòu)件類型屈服因子和屈曲因子的歸一化。

3.4 計算結(jié)果

艙段內(nèi)結(jié)構(gòu)強度校核結(jié)果通過屈服因子和屈曲因子來呈現(xiàn)，見表3。屈服因子和屈曲因子最大值不能超過1。

從表3可以看出，甲板和舷側(cè)外板板架的屈曲和屈服因子偏低。為了保證船體梁總縱強度，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大范圍的板厚增加。部分非水密構(gòu)件的利用率比較高，是由于局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中導(dǎo)致，能夠滿足規(guī)范要求。甲板縱桁面板，包括開孔附近縱桁面板以承受拉應(yīng)力為主，壓應(yīng)力很低，不存在屈曲問題。圖6和圖7分別顯示縱向強框屈曲因子云圖和整體變形及應(yīng)力云圖。

表3 修改后的構(gòu)件強度分析結(jié)果

圖6 縱向強框屈曲因子云圖

圖7 隔水管艙段整體變形和應(yīng)力云圖

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 雙層底結(jié)構(gòu)

雙層底結(jié)構(gòu)在隔水管艙的空載工況，即表1中的LC10B與船體梁中拱載荷相疊加時處于危險狀態(tài)。其原因是因為艙室內(nèi)部空載，雙層底結(jié)構(gòu)承受向上的波浪載荷，承載形式見圖8。艙室橫縱跨距大，雙層底結(jié)構(gòu)整體向內(nèi)部彎曲，橫縱肋板的端部承受很大的剪應(yīng)力，產(chǎn)生局部高應(yīng)力和剪切失穩(wěn)。雖然縱向跨距比橫向跨距偏小，但是由于總縱應(yīng)力的疊加，其失效范圍更大，見圖9。底板結(jié)構(gòu)承受很大的壓應(yīng)力，大范圍板格存在屈曲問題，需要特別關(guān)注，可采用局部嵌入板增加板厚的方式進(jìn)行加強。針對底部縱桁端部和肋板端部利用子模型進(jìn)行局部加強和細(xì)化模型分析后，滿足強度要求。 底部肋板加強方案見圖3，屈服因子云圖見圖10。

圖8 隔水管艙段底部結(jié)構(gòu)受力示意圖

圖9 隔水管艙段底部結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力云圖

圖10 雙底肋板端部細(xì)化模型屈服因子云圖

3.5.2 雙層殼底部肋板

雙層殼肋板結(jié)構(gòu)在靠近內(nèi)底的位置承受較大剪應(yīng)力的同時，還有大型減輕孔產(chǎn)生的應(yīng)力集中，是需要關(guān)注的危險結(jié)構(gòu)。自存工況下與橫浪載荷相疊加形成最危險工況，外部承受較大的水動力載荷。對該區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部子模型細(xì)化計算其屈服和疲勞強度，對開孔角隅采用25 mm嵌入板局部加強(見圖3)后，使用C-curve計算得到開孔角隅處疲勞壽命為131 a，屈服因子為0.995，結(jié)果見圖11，滿足規(guī)范要求。

3.5.3 甲板橫梁端部結(jié)構(gòu)

大跨距的甲板橫梁端部需要很大的回復(fù)彎矩抵抗其在甲板載荷和中垂船體梁載荷聯(lián)合作用下產(chǎn)生的大彎曲變形。初始設(shè)計中，與甲板橫梁端部相連接的雙層殼內(nèi)甲板橫梁和縱艙壁垂直桁結(jié)構(gòu)太弱，不能提供足夠強的端部約束，導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)自身扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生大變形，應(yīng)力水平超出許用值。雙殼內(nèi)甲板橫梁腹板加深，面板加寬加厚后，采用與隔水管艙內(nèi)甲板橫梁相同規(guī)格的T型材，縱艙壁垂直桁腹板局部增厚，見圖12。整個甲板橫梁成為整體，由雙層殼為其提供端部約束，大大降低該區(qū)域的應(yīng)力水平。

圖11 雙層殼底部肋板屈服因子云圖

4 結(jié)論

(1)屈服方面：需要關(guān)注雙層底肋板、縱桁的端部、甲板橫梁的端部及雙層殼底部肋板等結(jié)構(gòu)，這些區(qū)域都存在高剪應(yīng)力或局部應(yīng)力集中，可以通過局部增加板厚來降低應(yīng)力水平。

(2)屈曲方面：需要關(guān)注雙層底縱桁的端部和底板結(jié)構(gòu)，可以通過增加板厚來提高屈曲強度。

(3)該計算方法和流程也用于該船貨油艙段、泥漿艙段的總體強度校核，均滿足規(guī)范要求，可以為其他鉆井船提供參考。

圖12 甲板橫梁端部結(jié)構(gòu)修改與應(yīng)力對比