TLP平臺NODE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

梁　瑜

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司 浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部， 天津 300451)

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TLP平臺NODE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

梁瑜

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司 浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部， 天津 300451)

該文介紹了張力腿平臺(TLP)NODE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的主要方法，使用ANSYS軟件對傳統(tǒng)張力腿平臺中，連接浮筒與立柱的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——NODE進(jìn)行有限元模擬，并通過在位工況，對一年一遇、百年一遇以及千年一遇等環(huán)境條件下的NODE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。確定NODE這一TLP關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和強(qiáng)度要求，從而建立了NODE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析方法為今后TLP的NODE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估提供參考。

張力腿平臺；NODE結(jié)構(gòu)；有限元；強(qiáng)度分析

0　引言

張力腿平臺(Tension Leg Platform, TLP) 是一種用于深海油氣開采、生產(chǎn)和加工處理的海洋結(jié)構(gòu)物。作為深水浮式平臺的主要型式之一，TLP已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。TLP平臺具有運(yùn)動性能好、抵抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、可移動性和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。

TLP平臺總體上按結(jié)構(gòu)分成平臺上體、立柱、浮箱、張力腿和錨固基礎(chǔ)五部分。通常又將立柱和浮箱組合體稱為平臺主體，而將平臺上體、平臺主體統(tǒng)稱為平臺本體。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上看，張力腿平臺就像一個(gè)倒置的鐘擺，是一個(gè)剛性系統(tǒng)和彈性系統(tǒng)兩者綜合的復(fù)雜非線性動力系統(tǒng)。

NODE結(jié)構(gòu)作為連接TLP浮筒和立柱的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是整個(gè)TLP平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是確保平臺結(jié)構(gòu)安全的重中之重。

1　環(huán)境條件

TLP平臺NODE結(jié)構(gòu)分析海況條件見表1。表1中，工況A、B、S分別代表操作工況、極端工況和生存工況。

表1　海況條件

2　結(jié)構(gòu)模型建立

采用ANSYS軟件建立NODE結(jié)構(gòu)的有限元模型，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。NODE結(jié)構(gòu)模型從TLP整體結(jié)構(gòu)模型中獲得，并進(jìn)一步細(xì)化。從整體強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可知，全部四個(gè)NODE結(jié)構(gòu)中，西南方位(SW)的NODE結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平最高，故選其作為分析對象。

有限元模型包括：浮筒、立柱以及連接浮筒與立柱的NODE結(jié)構(gòu)，其中浮筒結(jié)構(gòu)至TR S8位置，立柱結(jié)構(gòu)至EL(+)18900位置。

圖1　NODE結(jié)構(gòu)模型

模型中，浮筒的頂板、底板、側(cè)板，立柱外板、艙壁板，NODE結(jié)構(gòu)的頂板、底板、艙壁板以及所有桁材、骨材、肘板等連接結(jié)構(gòu)，均采用SHELL181單元建模。

網(wǎng)格尺寸：結(jié)構(gòu)細(xì)化區(qū)域?yàn)?50 mm；模型邊界區(qū)域(2檔強(qiáng)框架范圍)為400 mm。

此外，采用與整體強(qiáng)度模型相同剛度的彈簧單元，模擬NODE結(jié)構(gòu)模型中Tendon Porch處的張力腿。

3　載荷與邊界條件

結(jié)構(gòu)模型上施加的載荷包括：作用于船體濕表面的靜水壓力、液艙壓力、波浪載荷、重力載荷以及在Tendon Porch處施加的與整體強(qiáng)度模型相同的張力腿(Tendon)預(yù)張力。

通過有限元模型模擬船體結(jié)構(gòu)的重量。對于水動壓力載荷，ANSYS程序可以從三維水動力模型中讀取數(shù)據(jù)并施加到有限元模型上，還可以將船體六個(gè)自由度的慣性加速度施加到有限元模型上，以保證有限元模型的平衡，NODE結(jié)構(gòu)所施加載荷分布如圖2所示。

圖2　NODE結(jié)構(gòu)施加載荷示意圖

邊界條件如圖3所示，從整體強(qiáng)度分析模型中，讀取位于浮筒和立柱邊界處的位移。

圖3　邊界條件

4　計(jì)算結(jié)果分析

4.1許用應(yīng)力

API-RP-2T[7]針對TLP平臺結(jié)構(gòu)分析規(guī)定了許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。對于板殼結(jié)構(gòu)，可以采用Von Mises等效應(yīng)力進(jìn)行校核。該等效應(yīng)力的許用應(yīng)力計(jì)算見式(1)，相應(yīng)的安全因子和許用應(yīng)力值見表2，其中Fy=345 MPa。

(1)

表2　安全因子和許用應(yīng)力

4.2計(jì)算結(jié)果

采用ANSYS軟件對NODE結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，各工況下，主要結(jié)構(gòu)部位Von Mises應(yīng)力結(jié)果見表3～表5。

表3　NODE結(jié)構(gòu)各部位Von Mises 應(yīng)力最大值 (1年/操作工況)

表4　NODE結(jié)構(gòu)各部位Von Mises 應(yīng)力最大值 (100年/極端工況)

表5　NODE結(jié)構(gòu)各部位Von Mises 應(yīng)力最大值 (1000年/生存工況)

以100年/極端工況為例，部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4　部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(百年一遇極端工況)

由以上分析結(jié)果可知：在操作、極端、生存等工況下，NODE結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件Von Mises 應(yīng)力最大值均小于許用應(yīng)力值(一年一遇操作工況許用應(yīng)力為241 MPa，百年一遇極端工況許用應(yīng)力為310.8 MPa，千年一遇生存工況許用應(yīng)力為345 MPa)，因此，該TLP平臺NODE結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

5　結(jié)論

該文采用ANSYS程序，建立了TLP平臺中連接浮筒與立柱的NODE結(jié)構(gòu)的有限元分析模型。從整體強(qiáng)度分析模型中，讀取位于浮筒和立柱邊界處的位移，并將各工況的濕表面水動壓力、靜水壓力以及慣性加速度等荷載施加到有限元模型上，采用ANSYS程序進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析。按照API RP-2T規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力衡準(zhǔn)，對NODE結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。得出結(jié)構(gòu)在各工況下的最大等效應(yīng)力及應(yīng)力分布趨勢，得到了張力腿平臺NODE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，主要結(jié)論如下：

(1) 針對張力腿平臺NODE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，在操作、極端、生存等工況下，NODE結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件均滿足強(qiáng)度要求。

(2) 由于NODE結(jié)構(gòu)垂向加強(qiáng)筋與立柱加強(qiáng)筋連接部位為主要受力部位且位置特殊等原因，在各計(jì)算工況中應(yīng)力相對其他結(jié)構(gòu)較大，所以設(shè)計(jì)中應(yīng)予以結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的考慮。

(3) NODE作為連接TLP浮筒與立柱的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是整個(gè)平臺較危險(xiǎn)部位，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核應(yīng)引起足夠重視。

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[7]API-RP-2T.Recommended Practice for Planning Designing and Constructing Tension Leg Platform[S]. 2010.

Study on NODE Structure Strength Analysis of Tension Leg Platform

LIANG Yu

(COOEC Floater Engineering Dept, Tianjin 300451, China)

The finite element model of the NODE structure of TLP is set up using the software of ANSYS and local strength analyses were performed under 1 year operating condition, 100 year extreme storm condition and 1000 year survival condition. On this basis, the conclusion was reached that the main structure of NODE structure could meet strength requirement. The calculating result con provide basis for evaluation of NODE structure strength.

tension leg platform; NODE structure; finite element; strength analysis

2015-09-08

國家工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目《500米水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)》(工信部聯(lián)裝[2014]503號)。

梁瑜(1982-)，男，工程師。

1001-4500(2016)04-0059-07

P75

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