半潛平臺立柱與甲板包連接結構設計

王永剛，王金峰，周慶，王醍

(1．中遠海運重工有限公司 設計研究院，遼寧 大連 116600；2．中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

結構安全是保證第七代超深水半潛式鉆井平臺在惡劣海況、復雜載荷作用下正常作業、避免生命危險和環境污染的基本前提，而關鍵區域的結構安全則是其瓶頸所在；已發生的海工裝備海損事故表明，結構的破壞往往是起始或發生于關鍵區域。半潛式鉆井平臺由于其獨特的結構形式和運動特點[1]，立柱和甲板包的連接區域，尤其是立柱內側靠近甲板包中心的垂向艙壁與甲板包底板的連接區域，存在十分嚴重的應力集中，是平臺結構設計的關注點。

針對某3 000 m超深水第七代半潛式平臺立柱與甲板包內角連接結構設計，利用Genie軟件和子模型技術對目標區域內不同的結構形式進行強度分析，選擇相對優化的連接形式。

1 結構設計出發點

為保證半潛式平臺的結構安全，ABS、DNVGL、CCS等船級社根據構件失效對整體平臺安全性、生命和環境危險的影響程度，以及目標構件的應力狀態、產生焊接變形或疲勞裂紋的可能性，將結構分為特殊、主要和次要構件[2-4]。其中特殊構件如下。

1)立柱、甲板包、浮體相互連接區域的外板結構。

2)組成箱型或工字型支承結構且承受主要集中載荷的甲板包內的甲板板、重型翼板和艙壁板。

3)撐桿的連接位置。

4)主要結構構件連接區域承受集中載荷的外部肘板、部分艙壁、平臺和骨架。

5)立柱、甲板包及浮體連接處提供適當對齊和足夠載荷傳遞的“貫穿”構件。

6)高應力區，例如，導纜器、絞車、吊車、火炬塔等基座。

立柱與甲板包連接肘板和相鄰位置的外板結構是一種典型的特殊構件，其設計應滿足以下要求：①結構形式簡單，載荷有效傳遞和應力分布均勻合理，滿足強度要求，一般采用厚度很大的高強鋼，甚至Z向鋼，具體材質由強度分析結果，結合服務溫度、板厚和構件類別來確定[5]；②焊接工藝和檢驗要求，如焊縫的全熔透和打磨，相鄰焊縫的間距控制，以及焊后進行IC I無損檢驗等。目標結構的構件等級和檢驗標準見圖1。

圖1 連接肘板結構分類與檢驗等級

立柱外板和甲板包連接位置位于甲板包箱型梁和立柱垂向梁2根梁的端部，承受很大的載荷。同時由于結構的不連續性，存在較大的應力集中。結合以前的半潛平臺設計經驗[6]，在連接區域增加肘板可以改變其局部結構剛度，有效降低應力集中。因此，針對目標平臺在立柱外板和甲板包連接位置，考慮立柱結構“天圓地方”過渡位置到甲板包底板間距和施工方案對肘板尺寸的影響，綜合外形尺寸、板厚、材質、趾端形式、連續形式、焊接節點等因素，確定3種肘板形式，具體參數見表1，方案1結構形式見圖2a)，肘板采用圓弧形式，自由邊沒有面板結構，趾端采用切割打磨的方式與垂直連接結構平齊，方案2結構形式見圖2b)，自由邊有面板支撐，趾端采用特殊的軟趾形式，以避免應力集中。方案3(見圖2c))在方案1基礎上進行局部優化，自由邊采用2 400 mm×1 900 mm橢圓形拋物線形式，上部肘板長度增加，板厚降低，趾端與方案1相同。

表1 連接肘板的3種設計方案

圖2 連接肘板

2 立柱與甲板包連接肘板強度校核

連接肘板結構形式復雜, 為真實有效分析結構應力場分布,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。在不同周期、浪向、相位的波浪條件下，半潛式平臺所遭受的波浪載荷差異很大，首先根據典型節點在平臺結構中所處的位置、結構形式、裝載工況和工作環境，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。

2.1 波浪載荷

利用SESAM/POSTRESP模塊對平臺運動進行短期預報。計算中采用的波浪譜為JONSWAP譜，在自存工況下對應的設計波[7,8]進行3種節點形式的強度比較分析。

設計波參數采用譜分析方法，結合傳遞函數確定典型工況設計波周期，通過最大橫向載荷、最大縱向剪切、最大縱向轉矩及中橫剖面最大垂向彎矩等特征波浪載荷確定設計波波幅[9,10]。采用設計波參數見表2。

表2 短期預報方法篩選設計波參數(自存工況)

2.2 平臺計算模型

采用子模型方法，基于總體強度計算結果，如圖3所示，對立柱與甲板包連接肘板進行強度計算[11]。

圖3 總體強度應力云圖

3種設計方案分別建立3個子模型，網格密度為50 mm×50 mm，邊界條件被定義為prescribed displacements，利用SESAM中的SUBMODEL模塊可以直接從總體強度結果文件中準確地讀取子模型邊界處的六自由度位移，結合節點結構波浪載荷計算目標位置的應力分布和應力水平，確保計算結果的準確。

總體強度分析中有限元計算模型和連接肘板細化子模型分別見圖4。

圖4 連接肘板子模型(局部)

2.3 連接肘板強度計算結果

連接肘板由于結構的不連續性造成較大的應力梯度，存在應力集中現象，使用許用應力法進行強度評估，其屈服衡準為

[σ]≤σs/SMPa

(1)

式中：[σ]為許用應力值；σs為材料的屈服強度，MPa;S為安全系數，見表3。目標結構全部采用高強鋼，最小屈服強度為355 MPa，其許用應力見表3。

表3 安全系數和許用應力

分別針對3種設計方案進行強度計算，方案1肘板形式在所有工況下的最大組合工況下的應力水平見圖5。

圖5 連接肘板方案1應力云圖

匯總不同結構形式下橫縱肘板在每種工況下的最大等效應力，具體數據見表4。

通過表4等效應力值對比可以看出：

1)目標平臺立柱與甲板包橫向連接肘板的主控載荷為縱向轉矩，該工況下橫向肘板的應力值明顯高于縱向肘板；縱向連接肘板的主控載荷為縱向剪切，該工況下縱向肘板的應力值明顯高于橫向肘板。

表4 不同設計方案等效應力對比 MPa

2)靜載荷工況下，立柱和甲板包橫縱向連接肘板的應力水平相當。

3)綜合所有工況，橫向肘板的應力水平略高于縱向肘板。

4)3種方案都滿足強度要求。方案1和3結構形式相近，應力水平相當，接近于材料的許用應力，材料利用率高；方案2肘板和面板的應力值相當，遠小于材料的許用應力，主要是因為腹板和面板共同承受載荷，面板對肘板的支撐作用增加了肘板的剛度，同時在肘板趾端由于結構的不連續性存在一定的應力集中現象，見圖6。

圖6 連接肘板方案2應力云圖

2.4 連接肘板疲勞損傷計算結果

在應力分析的基礎上，分別選擇不同肘板結構的趾端和自由邊(對方案2為面板與腹板的角焊縫)3個位置作為熱點，對熱點區域進行t×t模型細化，用子模型法進行作業工況下的疲勞損傷計算，設計壽命25年，基于S-N曲線和Miner法則計算得到的疲勞累計損傷須小于等于1，結果見表5。

表5 不同設計方案疲勞損傷對比

1)趾端處的疲勞損傷。方案1和方案3都比較低；方案2數值明顯大于其他方案，主要是由于趾端結構突變導致局部應力集中引起的。

2)自由邊(或面板與腹板角焊縫)處的疲勞損傷。方案1的數值大于1，不滿足要求；方案2和3滿足要求，且計算結果很接近，雖然方案2面板對結構的支撐作用導致其應力范圍低，但是針對焊縫的S-N曲線等級較高，兩者基本相互抵消。

3 結論

1)橫向肘板的應力水平高于縱向肘板，設計中應保持橫向肘板的連續性。

2)連接肘板方案2在板厚降低的前提下與方案1應力水平相當，疲勞強度好，比方案2結構簡單，施工便利，采用上部略長的橢圓形連接肘板是一種相對優化的連接形式。

3)連接肘板增加面板能夠有效地降低肘板應力水平，但是增加結構復雜性，下趾端處面板與腹板之間空間小，不利于焊接和打磨，而且存在一定的應力集中，導致疲勞損傷較高，設計過程中要注意應力集中對肘板趾端的結構形式、應力分布和疲勞損傷的影響。