基于有限元方法的張力腿式平臺結構強度分析

王 偉,冒 榮,許 強,王慶豐

(1.江蘇新時代造船有限公司,江蘇 靖江 214500;2.江蘇科技大學,江蘇 鎮江 212000)

0 引言

隨著海洋石油天然氣的開發不斷地向深海前進,以往常用的導管架平臺和重力式平臺限制于其自身的重量和工程造價,已不能滿足深水油氣資源開發的需求,所以對目前開展深水作業的主流平臺設備——張力腿(TLP)式鉆井平臺的研究和開發是非常有意義的[1]。目前,對于張力腿平臺的研究主要包括:結構優化設計、結構動力分析、結構建造與安裝方法、平臺整體的系統管理等。楊亮[2]研發了一種變截面立柱張力腿平臺,通過結構強度分析證明了其設計滿足國內建造場地及航道的要求。成司元等[3]采用數值模擬的時域分析方法對張力腿平臺局部系泊失效下的復雜運動響應的機理進行研究。田辰玲等[4]研究了典型流向角下張力腿平臺的渦激運動特性,結果表明六面體網格的模擬結果與模型試驗結果的吻合度更高。胡曉峰等[5]對張力腿平臺在湍流邊界層分離下的升(阻)力特性進行了數值模擬,得到不同流向角對平臺結構的影響。劉玉標等[6]計算了在不同波浪周期和不同浪向角下的張力腿平臺的動力響應。閆功偉等[7]計算了在考慮風、浪、流作用下的張力腿平臺動力響應,指出張力腿平臺的動力響應主要是由波浪載荷引起的。徐驍[8]使用STAR CCM+軟件模擬平臺在多工況波浪參數條件下的砰擊載荷,確定各種典型工況條件下極限砰擊載荷的分布。以上學者大多是對張力腿式平臺的總體強度進行分析,獲取平臺整體的結構響應或是得到不同因素下對平臺結構強度的影響,沒有對影響較大的區域進一步分析和校核。

對此,本文以某張力腿式平臺為研究對象,首先運用三維水動力理論計算張力腿式平臺的運動響應和載荷,并采用準靜態方法對平臺整體結構強度進行有限元分析;然后根據海洋平臺結構總強度分析結果,確定關鍵節點區域;最后對目標張力腿式海洋平臺關節區域的強度計算結果進行屈服強度和屈曲強度校核。

1 平臺結構概況

1.1 有限元模型

張力腿平臺有限元模型包括甲板、艙壁及梁等主要構件,主要由下浮體、立柱、上部甲板及筋腱組成。平臺的主船體由4個下浮體、4個立柱及上甲板組成。張力腿平臺的張力腿筋腱與立柱相連,每個立柱上有3根,共有12根。本文采用SESAM軟件的GeniE模塊建立目標張力腿式平臺總體模型,包括平臺浮體、立柱、甲板內部結構,見圖1。

圖1 平臺內部有限元模型示意圖

1.2 物理屬性

該平臺主體結構采用船用高強度鋼AH36,屈服強度為355 MPa;上甲板與立柱連接部位局部采用EH40鋼,屈服強度為390 MPa;下浮體與立柱連接部位局部采用EQ43鋼,屈服強度為420 MPa。3種鋼材的物理屬性如下:楊氏模量2.1×105MPa,密度7 850 kg/m3,泊松比0.3。

1.3 環境載荷

目標海洋平臺設計海況參數見表1。

表1 設計海況相關參數

1.4 計算工況

目標平臺主要承受兩類載荷:一類為平臺本身的滿載、鉆井和其他操作狀態下的靜水載荷;一類為波浪載荷。波浪載荷與平臺吃水、波高、波長、周期、浪向角等參數有關,因此這些參數可以組合成不同的工況,具體見表2。

表2 波浪組合工況描述

2 平臺屈服強度分析

2.1 千年一遇工況

本文采用Sestra模塊對靜水工況和波浪載荷工況進行有限元分析。千年一遇工況下高應力區域Von Mises應力云圖見圖2。根據高應力位置所用鋼材并考慮1.1倍安全因子進行強度校核,見表3。

表3 高應力區域計算校核結果

圖2 千年一遇工況各部位應力云圖

由表3可知,3處高應力位置計算結果均低于許用應力,滿足規范要求。

2.2 一年一遇工況

一年一遇工況下高應力區域Von Mises應力云圖見圖3。根據高應力位置所用鋼材并考慮1.1倍安全因子進行強度校核,見表4。

表4 高應力區域計算校核結果

圖3 一年一遇工況各部位應力云圖

由表4可知,3處高應力位置計算結果同樣低于許用應力,滿足規范要求。

3 平臺屈曲強度分析

3.1 千年一遇工況

3.1.1 立柱與下浮體連接處

在屈服強度計算中,Case101工況下結構承受的壓應力最大。圖4為Case101工況下結構的x方向壓應力分布云圖。

圖4 千年一遇Case101工況結構x方向壓應力分布圖

從圖4中可以看出,x方向最大壓應力出現在下浮體與立柱相交部位的板上。因此,選用API Bulletin 2V對下浮體上的板進行屈曲強度校核,此板同時長邊受壓、短邊受壓和板邊受到剪切力的作用,在此最危險的狀態下進行屈曲強度校核。

(1)板長邊受壓時屈曲強度校核如下:

(1)

式中:fsp為正常使用極限狀態下的屈服應力;Fy為材料的屈服強度;f為剪切屈服系數;Fp為線性彈性極限。

經計算,fsp=388.64 MPa=fxsp。

(2)板短邊受壓時屈曲強度校核如下:

(2)

(3)板邊受剪切力作用時屈曲強度校核如下:

(3)

經計算,fxysp=240.33 MPa。

(4)同時受力狀態下的屈曲強度校核如下:

(4)

經計算,P=0.652≤1,滿足屈曲強度規范中的要求。

式中:fx、fy、fxy為同一工況下,板長、短向壓應力及剪切應力計算值;fxsp為x軸的屈服壓應力;fysp為y軸的屈服壓應力;fxysp為屈服剪應力。

3.1.2 立柱與上甲板連接處

在屈服強度計算中,Case108工況下立柱與上甲板連接處結構承受的壓應力最大。圖5為Case108工況下結構的y方向壓應力分布云圖。

圖5 千年一遇Case108工況結構y方向壓應力分布圖

選用API Bulletin 2V對立柱上的板進行屈曲校核,此板同時長邊受壓、短邊受壓和板邊受到剪切力的作用,在此最危險的狀態下進行屈曲校核。

(1)板長邊受壓時屈曲強度校核如下:

按照式(1),經計算fxsp=337.91 MPa。

(2)板短邊受壓時屈曲強度校核如下:

按照式(2),經計算,fysp=260.07 MPa。

(3)板邊受剪切時屈曲強度校核如下:

按照式(3),經計算,fxysp=219.87 MPa。

(4)同時受力狀態下的屈曲強度校核如下:

按照式(4),經計算,P=0.379≤1,滿足屈曲強度規范要求。

3.2 一年一遇工況

3.2.1 立柱與下浮體連接處

在一年一遇的所有工況中,Case201工況下的壓應力最大。圖6為Case201工況下結構x方向的壓應力圖。

圖6 一年一遇Case201工況結構x方向壓應力分布圖

從圖6中可以看出,x方向最大壓應力出現在下浮體與立柱相交部位的板上。因此,選用API Bulletin 2V對下浮體上的板進行屈曲校核,此板同時長邊受壓、短邊受壓和板邊受到剪切力的作用,在此最危險的狀態下進行屈曲校核。

(1)板長邊受壓時屈曲強度校核如下:

按照式(1),經計算fxsp=388.75 MPa。

(2)板短邊受壓時屈曲強度校核如下:

按照式(2),經計算fysp=336.76 MPa。

(3)板邊受剪切時屈曲強度校核如下:

按照式(3),經計算fxysp=240.33 MPa。

(4)同時受力狀態下的屈曲強度校核如下:

按照式(4),經計算P=0.613≤1,滿足屈曲強度規范要求。

3.2.2 立柱與上甲板連接處

在一年一遇的所有工況中,Case208工況下立柱與上甲板連接處結構承受的壓應力最大。圖7為Case208工況下結構的y方向壓應力分布云圖。

圖7 一年一遇Case208工況結構y方向壓應力分布圖

選用API Bulletin 2V對立柱上的板進行屈曲校核,此板同時長邊受壓、短邊受壓和板邊受到剪切力的作用,在此最危險的狀態下進行屈曲校核。

(1)板長邊受壓時屈曲強度校核如下:

按照式(1),經計算fxsp=312.62 MPa。

(2)板短邊受壓時屈曲強度校核如下:

按照式(2),經計算fysp=260.11 MPa。

(3)板邊受剪切時屈曲強度校核如下:

按照式(3),經計算fxysp=219.87 MPa。

(4)同時受力狀態下的屈曲強度校核如下:

按照式(4),經計算P=0.379≤1,滿足屈曲強度規范要求。

4 結論

(1)通過屈服強度分析,發現目標張力腿式平臺在千年一遇和一年一遇環境載荷下出現高應力的位置主要為下浮體與立柱連接處、立柱與甲板連接處和立柱與筋腱連接處。其中:下浮體與立柱連接處應力水平最高;在2類工況下應力水平均達到許用值的85%左右,但仍滿足規范要求。

(2)通過對目標平臺2類工況下的屈曲強度進行分析,發現受到壓應力最大位置的下浮體與立柱連接處的板材同時長邊受壓、短邊受壓和板邊受到剪切力的最危險狀態下,屈服強度校核也只達到了許用值的60%～70%,因此2類工況下的屈曲強度校核均滿足要求。