海洋石油工程張力腿平臺的結構設計

逄建濤，宋魯峰，尹寶瑞，劉廣輝，杜子榮

(海洋石油工程(青島)有限公司)

海上石油開采在早期主要是面向近海海域，隨著全球能源需求量的不斷增大，技術的變革和創新使得深海海域的開發生產可能性越來越大。因為導管架平臺和重力式平臺自身重量和工程造價隨水的深度大幅的增加，因此不再適應深水海域油氣的開發。順應式平臺的概念在上個世紀被提出，并在之后多年的平臺設計中得到非常廣泛的應用。其中，張力腿平臺屬于順應式平臺當中的典型實例。

1 結構特點

1.1

很好的運動響應特性。張力腿平臺跟順應式結構物類似。平臺在海、浪、流等海洋環境載荷等外力的作用下發生運動時會產生一種慣性力，這種慣性力能夠抵消一部分的環境載荷外力，從而使作用在平臺結構上的凈載荷變小。

1.2

由于平臺的結構形式為半順應半固定式，在水平方向是順應式結構，在豎直方向是固定式結構。由于這一結構形式特點，張力腿平臺保留了傳統固定式平臺的很多作業優勢，與傳統固定式平臺相比其生產與維護作業方式幾乎相似，其操作方式與固定式平臺幾乎沒有任何差別。并且對深海油田而言，因為張力腿平臺的結構造價不會隨著水的深度的增加而大幅的提高，從開發費用角度來看，張力腿平臺比固定式平臺要低許多。

2 設計工況

2.1

設計工況即綜合考慮各種載荷的組合，這些載荷包含項目階段、系統工況和環境條件。設計者應該關注一些建議性的情況以確保所有相關的設計工況都被考慮在內。

2.2

對于每種設計工況而言，平臺的設計應該考慮多種對結構產生最嚴重影響的載荷工況。除地震載荷外，所有的環境載荷應該與同期可能出現的情況協調組合到一起。對于鉆井和生產平臺，來自同期鉆井與生產操作所引起的載荷應該加以考慮。為確定平臺桿件的最大設計應力，消耗品的變化與鉆井基礎設施的移動情況也應該加以考慮。

3 結構分析

(1)分析方法可能會針對不同的載荷而運用各種計算方法進行平臺的分析。通常運用線性、彈性的空間框架計算模型。對于復雜的結構，為獲得精確的局部應力分布，需進行詳細的有限元分析。對于某些工況也可以運用手動輔助計算來進行桿件局部載荷校核。

(2)計算模型 一個空間框架模型通常包括梁單元和其它必需的單元，用來模擬特定的結構特征。在空間框架分析中所有的主要結構單元都必須被模擬。在局部分析中次要桿件(如果沒有在空間框架模型中模擬的話)應予以考慮。在模型中節點偏心與節點撓度的影響應予考慮，同樣，甲板鋪板在平面內的剛度應予以考慮。

(3)應力分析 如果結構沒有動力響應的話，可運用準靜力法進行結構分析。本章所述的自振周期是指平臺(船體和甲板)的彈性振動的自振周期，而不是平臺與鋼索系統組成的剛性體結構體周期。由于自振周期相對于有效波能量的周期而言非常的小，因此結構動力學問題不必考慮。對于特定的每個平臺的設計，應該驗證該假設。平臺結構的自振周期大于3.0秒的情況，則應該進行平臺的動力分析。

(4)疲勞分析確定疲勞破壞可選擇兩種不同的方法：

a.S-N法

S-N法運用S-N曲線，通過該曲線給出了某一特定結構細部或材料的對應于特定應力幅值的失效循環次數，這些值是基于實驗結果取得。長期應力分布用來計算累積疲勞損傷比，D：

其中：ni=某一應力幅值間隔i內的應力循環次數

Ni=相應S-N曲線中對應于該應力幅值間隔i的失效循環次數。

D不應大于1。

b.斷裂力學法

斷裂力學法主要用于預計和評估疲勞裂紋的增長率和發生疲勞處的破壞長度，從而計算出疲勞壽命。對于特定模型可運用Paris Law表達式計算疲勞強度：

其中：da/dN=裂紋增長率。

ΔK=裂紋尖端的應力強度幅值系數。

對于特定材料和載荷工況，C和m是常數。

以上材料常數與材料，結構和環境條件相關。通過積分計算ΔK，可以建立循環應力和循環次數與考慮了初始缺陷與材料韌性的疲勞之間的關系。

該方法還可用于輔助確定檢測時間間隔，即根據裂紋從無法探測發展為引起失效所經過的時間。斷裂力學分析可用于確定所需求的材料韌性，最大許用初始裂紋尺寸(關于在位檢測)，和檢測間隔。

(5)結構設計工作應力設計方法為本論文所運用的設計基礎，因此結構的每個部分的應力不能超過許用應力值。

a.組塊結構：組塊結構的設計要全面考慮重力、環境載荷、船體運動載荷、其它諸如安裝立管、吊機提升力等功能載荷的綜合作用。重力主要是指為滿足不同操作需要的永久或者臨時的設備載荷。作用在組塊和設備上的環境載荷包括風力載荷以及船體運動引起的載荷。運動產生的載荷有側向和垂向加速度引起的力，以及船體龍骨傾斜時因為重力作用產生的等效側向力。組塊結構的設計需要考慮建造、拖拉、運輸和吊裝等各種工況。

b.浮箱與立柱和甲板與立柱節點：進行節點設計需運用有限元分析以確定通過節點的載荷路徑。對于節點的設計必須能夠使得載荷從浮箱至甲板通過立柱連續地進行傳遞。節點殼和它內部加強筋的主應力應該與曲面和平面結構單元的極限狀態強度公式進行比對。應該進行極限受拉狀態的校核，以防止節點材料或焊縫的斷裂，同時運用模型試驗來確定應力在復雜節點幾何表面上的分布情況，并且可以運用鑄造段以減小這些節點的應力集中。

c.過渡節點和帶筋板節點：浮箱與立柱和甲板與立柱節點的結構設計通用原則同樣適用于過渡節點和帶筋板節點。對于幾何構造復雜的結構，應該運用有限元進行分析，并且可以通過模型試驗來進行驗證。

d.細部結構設計：為防止整體結構在服役期間局部開裂，屈曲，應該進行細部結構的設計。

3.6 船體穩性要求

張力腿平臺設計應該滿足ABS MODU 柱式穩性裝置要求。這些標準包括了完整、破艙和充水穩性的要求。張力腿平臺最小定傾高度和艙室配載也是在這些穩性標準的基礎上建立起來的。

對張力腿平臺下列穩性標準的估算適用于豎直向上的張力腿平臺(即垂直就位的狀態)。在確定某一工況下對穩性最危險的方向要和適用的穩性標準相匹配。

3.7 事故載荷設計

結構設計另外應考慮意外事故的發生。“意外事故”是指異常情況的集合，包括碰撞，落物，火災，爆炸或充水等各種意外事件。