深水半潛式鉆井平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度研究＊

謝文會(huì) 謝 彬

(中海油研究總院深水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

深水半潛式鉆井平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度研究＊

謝文會(huì) 謝 彬

(中海油研究總院深水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

基于SESAM軟件,提出了深水半潛式鉆井平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析方法,并利用該方法研究了目標(biāo)平臺(tái)立柱與撐桿連接處節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度性能。首先進(jìn)行平臺(tái)危險(xiǎn)波浪載荷分析,得到平臺(tái)危險(xiǎn)波浪載荷;然后進(jìn)行危險(xiǎn)波浪載荷條件下的平臺(tái)整體強(qiáng)度分析,確定平臺(tái)立柱與撐桿連接處節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型的載荷邊界條件;最后依據(jù)分析確定的載荷邊界條件及典型節(jié)點(diǎn)受到的波浪載荷進(jìn)行局部強(qiáng)度分析。分析結(jié)果表明,目標(biāo)平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

深水半潛式鉆井平臺(tái) 典型節(jié)點(diǎn) 整體強(qiáng)度 局部強(qiáng)度 載荷邊界

第六代半潛式鉆井平臺(tái)代表著當(dāng)前世界鉆井平臺(tái)的先進(jìn)水平,這類平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單,連接節(jié)點(diǎn)大大減少。第六代半潛式鉆井平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)由空間板架結(jié)構(gòu)構(gòu)成,節(jié)點(diǎn)尺度遠(yuǎn)大于以往半潛式鉆井平臺(tái)節(jié)點(diǎn),應(yīng)力分布情況十分復(fù)雜,而平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)連接處典型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的失效破壞往往會(huì)危及平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的安全,因此這些節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度性能成為制約平臺(tái)安全作業(yè)的關(guān)鍵因素之一[1-3]。基于SESAM軟件,提出了一套平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析方法,并針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)立柱與撐桿連接處典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了強(qiáng)度分析。

1 平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析方法

由于深水半潛式鉆井平臺(tái)連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,為有效分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分布,要采用有限元方法分析靜載荷和危險(xiǎn)波浪載荷條件下結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度。根據(jù)SESAM軟件的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算基本原理,首先根據(jù)典型節(jié)點(diǎn)在平臺(tái)結(jié)構(gòu)中所處的位置分析平臺(tái)在何種波浪載荷工況時(shí)典型節(jié)點(diǎn)受力最大、應(yīng)力水平最高;然后用PatranPre模塊建立平臺(tái)波浪載荷模型,用Wadam模塊計(jì)算平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)受到的波浪載荷,再將平臺(tái)受到的波浪載荷傳遞給平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)有限元模型,用Sestra模塊進(jìn)行平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)有限元分析,確定平臺(tái)節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)有限元模型的載荷邊界條件;最后將平臺(tái)節(jié)點(diǎn)受到的波浪載荷傳遞給節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)有限元模型,同時(shí)與節(jié)點(diǎn)受到的波浪載荷工況相對(duì)應(yīng),用Submod模塊將波浪載荷工況的載荷邊界條件傳遞給平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,確定局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。半潛式平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)局部強(qiáng)度分析流程見(jiàn)圖1。

圖1 半潛式平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析流程

2 平臺(tái)波浪載荷計(jì)算

目標(biāo)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)為一雙下浮箱、四立柱、箱型甲板、艏艉立柱間各用2根橫撐連接的框架結(jié)構(gòu)(圖2),平臺(tái)總長(zhǎng)度114.07m,寬度78.68m,高度(基線到主甲板)38.2m。進(jìn)行波浪載荷分析時(shí),目標(biāo)平臺(tái)的吃水、排水量、回轉(zhuǎn)半徑等參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 目標(biāo)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)

表1 目標(biāo)平臺(tái)吃水、排水量及回轉(zhuǎn)半徑

圖3 目標(biāo)平臺(tái)3D波浪載荷計(jì)算模型

使用SESAM軟件PatranPre模塊按照目標(biāo)平臺(tái)外部幾何形狀和尺寸建立平臺(tái)的3D波浪載荷計(jì)算模型,該模型共有3 408個(gè)板單元(圖3)。在進(jìn)行波浪載荷分析時(shí),為考慮流體粘性力影響,在平臺(tái)垂蕩自由度上加上了3%的臨界阻尼。研究認(rèn)為,目標(biāo)平臺(tái)受到最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩、最大縱向剪切力時(shí)各連接節(jié)點(diǎn)受力情況最惡劣[4-5]。考慮目標(biāo)平臺(tái)作業(yè)海域的環(huán)境條件,利用設(shè)計(jì)波隨機(jī)計(jì)算方法[6-10]研究確定平臺(tái)在生存、作業(yè)、拖航狀態(tài)下受到危險(xiǎn)波浪載荷(即最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩及最大縱向剪切力)作用時(shí)的設(shè)計(jì)波參數(shù)與設(shè)計(jì)波載荷(表2)。

表2 目標(biāo)平臺(tái)危險(xiǎn)波浪載荷及設(shè)計(jì)波參數(shù)

3 平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析

3.1 有限元模型

目標(biāo)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)有限元模型、立柱與撐桿連接處典型節(jié)點(diǎn)有限元模型及該典型節(jié)點(diǎn)在平臺(tái)結(jié)構(gòu)中的位置如圖4所示。

目標(biāo)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)有限元模型主要包括4個(gè)立柱、2個(gè)浮箱、4根橫向支撐、一體化的上部甲板結(jié)構(gòu)及一些基本結(jié)構(gòu),由大約60 000個(gè)板單元、50 000個(gè)梁?jiǎn)卧?00個(gè)質(zhì)量元構(gòu)成,大部分梁?jiǎn)卧桶鍐卧某叽鐬?.5m左右。立柱與撐桿連接處典型節(jié)點(diǎn)有限元模型由板單元建立,在保證抗彎剛度相等的原則下采用角鋼等效模擬球扁鋼類型的扶強(qiáng)材,模型采用矩形板單元建立,最小單元尺度約為t ×t(t為板厚),最大單元尺度約為0.1m×0.1m,該局部結(jié)構(gòu)模型由大約80 000個(gè)板單元構(gòu)成。

3.2 波浪載荷

使用SESAM軟件Wadam模塊,根據(jù)輻射—繞射理論計(jì)算平臺(tái)在遭受最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩及最大縱向剪切力時(shí)整體結(jié)構(gòu)和局部典型節(jié)點(diǎn)受到的波浪載荷,并將所得波浪載荷分別傳遞到平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)有限元模型和典型節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)有限元模型。平臺(tái)結(jié)構(gòu)受到的靜水力載荷和波浪載荷,在計(jì)算過(guò)程中要分步計(jì)算并傳遞給結(jié)構(gòu)模型;結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)要分別針對(duì)靜水工況和波浪載荷工況進(jìn)行有限元分析,最后進(jìn)行應(yīng)力組合,確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。圖5為整體結(jié)構(gòu)受到的波浪載荷示意圖,圖6為局部結(jié)構(gòu)受到的波浪載荷示意圖。

3.3 載荷邊界條件

在進(jìn)行局部強(qiáng)度分析之前,首先要分析各危險(xiǎn)載荷工況下目標(biāo)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,計(jì)算得到平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)位移場(chǎng),從而確定典型節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)模型的載荷(位移)邊界條件;隨后用Submod模塊將各載荷工況下由整體強(qiáng)度分析得到的邊界條件逐一準(zhǔn)確地傳遞給典型節(jié)點(diǎn)局部模型,結(jié)合由相應(yīng)波浪載荷分析確定的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)波浪載荷即可準(zhǔn)確地分析節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及應(yīng)力水平。

3.4 計(jì)算結(jié)果

用有限元方法對(duì)平臺(tái)立柱與撐桿連接處典型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行研究。首先分析拖航狀態(tài)、作業(yè)狀態(tài)、生存狀態(tài)下,當(dāng)波浪入射方向?yàn)?90°、120°、135°,即目標(biāo)平臺(tái)受到最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩、最大縱向剪切力作用時(shí)平臺(tái)的整體強(qiáng)度,確定立柱與撐桿連接處節(jié)點(diǎn)模型相應(yīng)工況的載荷邊界條件,然后根據(jù)載荷邊界條件和節(jié)點(diǎn)波浪載荷分析相應(yīng)工況下節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度。圖7為平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)波浪入射方向示意圖。

圖7 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)波浪入射方向示意圖

圖8為生存狀態(tài)下波浪入射方向?yàn)?0°(即目標(biāo)平臺(tái)受到最大橫向撕裂力作用)時(shí)節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)扶強(qiáng)材肘板連接處,為291.0MPa。設(shè)計(jì)中,立柱與撐桿連接處局部結(jié)構(gòu)采用EQ36鋼材建造,其屈服強(qiáng)度為355.0MPa,根據(jù)ABS-MODU規(guī)范,結(jié)構(gòu)在波浪載荷條件下許用應(yīng)力系數(shù)取1.11,該種鋼材許用應(yīng)力為 320.0 MPa。計(jì)算結(jié)果表明,該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力低于材料許用應(yīng)力,平臺(tái)遭受最大橫向撕裂力時(shí),立柱與撐桿連接處節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足規(guī)范[9-10]要求。

圖8 生存狀態(tài)下波浪入射方向?yàn)?0°時(shí)節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

圖9為生存狀態(tài)下波浪入射方向?yàn)?20°(即目標(biāo)平臺(tái)受到最大橫向扭矩作用)時(shí)節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱與撐桿連接處肘板應(yīng)力集中位置,為517.4MPa。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》規(guī)定,對(duì)該處0.2m×0.2m區(qū)域內(nèi)所包含的所有單元應(yīng)力進(jìn)行平均[9],得到的平均應(yīng)力為315.5MPa,低于該典型節(jié)點(diǎn)鋼材的許用應(yīng)力320.0MPa;同時(shí),除該立柱與撐桿連接處肘板應(yīng)力集中位置外,其余結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平均低于320.0 MPa。因此,在平臺(tái)遭受最大橫向扭矩時(shí)立柱與撐桿連接處節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足規(guī)范[9-10]要求。

圖10為生存狀態(tài)下波浪入射方向?yàn)?35°(即目標(biāo)平臺(tái)受到最大縱向剪切力作用)時(shí)節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱與撐桿連接處肘板應(yīng)力集中位置,為512.6MPa。同上所述,對(duì)該處0.2m×0.2m區(qū)域內(nèi)單元應(yīng)力進(jìn)行平均,得到的平均應(yīng)力為316.7MPa,低于該典型節(jié)點(diǎn)鋼材許用應(yīng)力320.0MPa;同時(shí),除立柱和撐桿連接處肘板應(yīng)力集中位置外,其余結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平均低于320.0MPa。因此,在平臺(tái)遭受最大縱向剪切力時(shí),立柱與撐桿連接處節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度也滿足規(guī)范[9-10]要求。

同樣,對(duì)作業(yè)狀態(tài)、拖航狀態(tài)下平臺(tái)立柱與撐桿連接處節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平也進(jìn)行了分析,結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3計(jì)算結(jié)果可知,在作業(yè)狀態(tài)和拖航狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平低于鋼材許用應(yīng)力 320.0 MPa,因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范[9-10]要求。

表3 作業(yè)、拖航狀態(tài)下平臺(tái)立柱與撐桿連接處節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平

4 結(jié)論

本文開展深水半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)連接典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度研究,解決了平臺(tái)典型連接節(jié)點(diǎn)的分析技術(shù)問(wèn)題,建立了一套基于SESAM軟件的典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析流程,并成功應(yīng)用于深水半潛式鉆井平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析,證實(shí)了目標(biāo)平臺(tái)立柱與撐桿典型連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求,得到如下結(jié)論:

(1)基于SESAM軟件的半潛平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析方法程序簡(jiǎn)單,可操作性強(qiáng),可方便地應(yīng)用于浮式平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)分析。

(2)各種危險(xiǎn)波浪工況下的強(qiáng)度分析表明,目標(biāo)平臺(tái)立柱與撐桿連接處典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求,設(shè)計(jì)合理可行。

(3)通過(guò)對(duì)目標(biāo)平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)的分析認(rèn)為,目標(biāo)平臺(tái)遭受斜浪時(shí),立柱與撐桿連接處典型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高。由此,平臺(tái)作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量避免斜浪方向,這將有利于目標(biāo)平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的安全。

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(編輯:張金棣)

Abstract:The local strength analysis method for typical joints of deepwater semi-submersible rig is proposed based on SESAM software.Firstly,critical wave load is calculated for the platform.Then the global strength of platform under the critical wave load is analyzed,so the load boundary of model for column/brace joints is determined.Finally,the local strength of typical joint is calculated based on the load boundary and wave load of the typical joints. The analysisresultsshow that structural strength of the typical joint satisfies the rule requirements.

Key words:deepwater semi-submersible rig;typical joint;global strength;local strength;load boundary.

Local strength analysis for typical joints of deepwater semi-submersible rig

Xie Wenhui Xie Bin
(Deepwater Engineering Key L ab,CNOOC Research institute,Beijing,100027)

2010-01-11 改回日期:2010-04-09

＊國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目“3 000米水深半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2006AA09A103)部分研究成果。

謝文會(huì),男,2007年畢業(yè)于天津大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè),獲博士學(xué)位,現(xiàn)主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)理論研究。地址:北京市東城區(qū)東直門外小街6號(hào)海油大廈(郵編:100027)。