不同撐管結(jié)構(gòu)的半潛式平臺極限強度比較研究

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(江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

半潛式平臺具有良好的水動力、對水深適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)點。作為我國南海石油資源開發(fā)的主要平臺，深水半潛式鉆井平臺經(jīng)歷了第一代到第六代的發(fā)展，其工作水深、結(jié)構(gòu)形式、鉆井效率、可變載荷等參數(shù)都在不斷提高。目前，主流半潛式平臺除了撐管的型式和數(shù)量有所區(qū)別外，平臺的主體已經(jīng)十分接近，基本上都是箱型上船體、四根立柱及兩個下浮體結(jié)構(gòu)。因此，以撐管結(jié)構(gòu)為主要研究對象，比較分析四種不同撐管型式的半潛式平臺的運動響應(yīng)和極限強度。

1 計算模型

目前，半潛式平臺的撐管型式主要有兩種：小截面撐管和寬截面撐管。選取的四種撐管型式的平臺分別為“海洋石油981”的鼓形撐管，艏尾兩端各兩根(如圖1(a)所示)、GM4000D平臺的圓形撐管，艏尾兩端各一根(如圖1(b)所示)、GVA7500平臺的連接兩下浮體的翼型撐管[1]，艏尾兩端各一根(如圖1(c)所示)以及無撐管的平臺(如圖1(d)所示)。平臺結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1。

表1 四種半潛鉆井平臺主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 運動響應(yīng)分析

選取北大西洋100年一遇的海況，作業(yè)水深為3 000 m，有效波高Hs為10 m，波峰周期Tp為12 s。通過SESAM/PatranPre建立平臺的濕表面模型、質(zhì)量模型和結(jié)構(gòu)有限元模型，導(dǎo)入波浪載荷分析與響應(yīng)計算模塊Wadam計算載荷傳遞函數(shù)，其中浪向角范圍為0°～90°，以15°為步長，波浪周期的范圍為4 s～38 s ，以2 s為步長遞增。最后利用計算結(jié)果統(tǒng)計后處理的交互式圖形后處理程序Postresp顯示計算結(jié)果，四種平臺六自由度運動響應(yīng)函數(shù)見表2。

比較四種平臺在19 m吃水下六自由度頻率響應(yīng)幅值，可以看出：(1)垂蕩運動時，四種平臺的垂蕩響應(yīng)與浪向無關(guān)，但c平臺的響應(yīng)RAO值最小，a和b相差不大，d最大；(2)橫蕩和縱蕩時，撐管結(jié)構(gòu)變化對四種平臺結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響很小，可以不予考慮；(3)橫搖時，四種平臺的響應(yīng)整體走勢相同且趨于重合，可見撐管結(jié)構(gòu)對于平臺的橫搖響應(yīng)影響較小；(4)縱搖時，c平臺結(jié)構(gòu)的縱搖響應(yīng)值較小，d最大；(5)艏搖時，撐管結(jié)構(gòu)對艏搖響應(yīng)影響不大。綜合來說，c平臺大翼型撐管的水動力性能相對更優(yōu)。

3 極限強度計算分析

平臺的極限強度是指平臺結(jié)構(gòu)能夠抵抗整體崩潰的最大承載能力，隨著大量深海平臺不斷投入到海洋工作中，以及深海平臺投入成本的不斷提高，ABS[5]等規(guī)范要求平臺應(yīng)具有足夠的極限強度和破損極限強度。如何保證平臺在部分結(jié)構(gòu)破損后不會造成更大的破壞甚至沉船，降低對海洋生態(tài)環(huán)境的影響，已成為近期國際海洋工程領(lǐng)域研究的熱點之一[6]。

3.1 半潛式平臺完整極限強度計算

3.1.1 半潛式平臺的典型極限狀態(tài)

半潛式平臺典型極限狀態(tài)主要有最大橫向受力、最大縱向剪切、最大橫向扭矩以及中橫剖面最大垂向彎矩[7]。由于計算方法基本一致，因此，主要比較四種平臺在最大縱向剪切和最大垂向彎矩兩種工況下的極限強度。

3.1.2 約束條件

在ABAQUS中選用“準(zhǔn)靜態(tài)分析法”即ABAQUS(Explicit)，結(jié)構(gòu)的加載時間分析步長設(shè)置為5 s。

(1)最大垂向彎矩工況：邊界條件的設(shè)置是通過在半潛平臺艏尾兩端面的形心位置分別設(shè)置一個參考點RP1和RP2，艏尾兩端面處的所有節(jié)點與相應(yīng)的參考點利用coupling相關(guān)聯(lián)。參考點RP1約束延x、y、z三個方向的線位移U1、U2、U3以及繞x、z軸的角位移UR1、UR3[3]。參考點RP2約束延y、z兩個方向的線位移U2、U3以及繞x、z軸的角位移UR1，UR3。對半潛平臺整體結(jié)構(gòu)的加載方式是通過在兩個參考點RP1、RP2上分別施加數(shù)值相等、方向相反的繞y軸的參考轉(zhuǎn)角θ，使模型發(fā)生中拱或中垂破壞[4]。

(2)最大縱向剪切工況：邊界條件的設(shè)置是通過在兩個下浮體下端面的型心位置設(shè)置參考點RP3和RP4，下浮體底面的所有節(jié)點與相應(yīng)的參考點利用coupling關(guān)聯(lián)。參考點RP1約束延y、z兩個方向的線位移U2、U3以及繞x、y、z軸的角位移UR1、UR2和UR3。參考點RP2約束延y、z兩個方向的線位移U2、U3以及繞x、z軸的角位移UR1和UR3。平臺結(jié)構(gòu)的加載方式是在兩個參考點上分別施加大小相等、方向相反的X方向位移，使模型發(fā)生縱向剪切破壞。

3.1.3 計算結(jié)果

計算結(jié)束后對結(jié)果進(jìn)行處理，可以分別得出四種平臺在垂向彎矩(中垂、中拱)和縱向剪切兩種工況時的反彎矩—轉(zhuǎn)角曲線和反作用力—位移曲線以及應(yīng)力變形圖，圖2給出了四種平臺在縱向剪切工況下的變形圖，計算結(jié)果見表3。

圖2 縱向剪切變形時應(yīng)力變形圖

平臺型式中垂極限彎矩(N·m)中拱極限彎矩(N·m)縱向剪切力(N)a平臺1.30×10101.17×10104.84×107b平臺1.29×10101.19×10105.04×107c平臺1.34×10101.18×10105.42×107d平臺1.30×10101.17×10104.65×107

通過上面的結(jié)果可以看出：(1)平臺中垂或中拱變形時，撐管的型式對整體極限強度的影響很小，可以忽略不計；(2)縱向剪切工況時，由于撐管也會抵抗部分剪切變形，因而撐管型式有一定影響，相比而言，翼型撐管平臺的極限強度最大，其次是a平臺和b平臺，相比最小的是無撐管平臺。

3.2 破損平臺的剩余極限強度計算

為研究平臺在部分結(jié)構(gòu)破損時的極限強度，選取的模型結(jié)構(gòu)為艏端撐管斷裂的a平臺、b平臺和c平臺(如圖3所示)。由上一節(jié)計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在最大垂向彎矩時，撐管對平臺極限強度的影響可以忽略不計，因此本節(jié)只分析破損平臺在最大剪切工況下剩余極限強度，其約束條件和加載方式與上節(jié)所施加方法一致。

圖3 三種半潛平臺撐管破損示意圖

計算結(jié)束后對結(jié)果進(jìn)行處理，可以分別得到a平臺的極限強度值為4.75×107N，b平臺的為5.03×107N，c平臺為5.09×107N。

3.3 結(jié)果分析

將破損平臺剩余強度計算結(jié)果與完整平臺的極限強度結(jié)果進(jìn)行比較分析可以得出如下結(jié)論：

(1)撐管結(jié)構(gòu)的型式和數(shù)量對于平臺最大垂向彎矩工況時的極限強度無較大影響，可不予考慮；

(2)在最大縱向剪切工況時，平臺破損結(jié)構(gòu)的極限強度相比其完整時的極限強度均有一定下降，但降幅較小，可見撐管破損對平臺極限強度有一定影響；

(3)比較而言，三種平臺縱向剪切破損時的極限強度，c平臺的值略大，可見大翼型撐管在平臺的極限強度上相比其他結(jié)構(gòu)型式具有一定優(yōu)勢；

(4)通過應(yīng)力變形圖可以看出，最大垂向彎矩時，下浮體和上船體是抵抗平臺總縱彎曲的主要結(jié)構(gòu)，下浮體中部、立柱與上船體連接處均是危險點，應(yīng)適當(dāng)加強。最大縱向剪切時，承受剪切力的主要是上船體和撐管，在結(jié)構(gòu)設(shè)計或使用時，對于撐管與立柱、撐管與下浮體連接處以及立柱與上船體連接處均應(yīng)適當(dāng)加強。

4 結(jié)論

隨著半潛式平臺發(fā)展，平臺結(jié)構(gòu)不斷簡化，雖然減少了復(fù)雜節(jié)點的數(shù)量，取代了豎向支撐和斜撐，但是也降低了平臺的極限強度，因而新型平臺的極限強度計算也是很必要的。分別運用SESAM的水動力分析功能和ABAQUS的非線性有限元功能對四種撐管型式平臺的運動響應(yīng)和極限強度進(jìn)行計算研究，有助于提前預(yù)報新型平臺運動響應(yīng)的不足和極限強度的危險點，便于在設(shè)計建造時對相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，具有大翼型撐管的半潛式平臺結(jié)構(gòu)相對較優(yōu)，因而從性能的角度考度，屬于最優(yōu)選擇。但是，無撐管平臺結(jié)構(gòu)簡單，從制造工藝和成本的角度考慮，通過局部結(jié)構(gòu)加強改進(jìn)后，將會是未來平臺結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向之一。

[1] 王世圣, 謝彬, 馮瑋, 等. 兩種典型深水半潛式鉆井平臺運動特性和波浪載荷的計算[J]. 中國海上油氣, 2008,20(5):349-352.

[2] DNV．SESAM User’s Manual—WADAM[S]．Oslo：Det Norske Veritas，2007．

[3] 李俊男.半潛式平臺的極限強度分析與研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2011.

[4] 徐志亮. 半潛式海洋平臺的結(jié)構(gòu)剩余強度研究[D].上海交通大學(xué),2011.

[5] ABS.Mobile Offshore Drilling Units/Part3 Hull Construction and Equipment[S].2008.

[6] 張劍波,曾?？?肖熙等.半潛式平臺的極限強度分析研究[J].中國海洋平臺,2005.

[7] Lalani M. The ultimate Limit State of offshore platforms Using Reserve and strength and Residua strength Principle[C].OTC6309，1990，353-364.