深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺整體強(qiáng)度分析

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計公司， 天津 300451)

0 引 言

目前，世界上運(yùn)用于深水開發(fā)的浮式系統(tǒng)有單柱式平臺、半潛式平臺、浮式生產(chǎn)儲油裝置、張力腿平臺等幾種結(jié)構(gòu)形式。半潛式生產(chǎn)平臺具有適用水深范圍廣、抵御惡劣海況能力強(qiáng)、建造技術(shù)相對成熟等優(yōu)點(diǎn)，在國際上得到了廣泛的應(yīng)用。目前全球在役的半潛式生產(chǎn)平臺約有50座，主要分布在巴西海域、北海、墨西哥灣和西非[1-3]。

受深水油氣田開發(fā)現(xiàn)狀的制約，我國一直未有真正意義上的深水浮式生產(chǎn)平臺投入使用。伴隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，油氣開發(fā)必將走向深海。陵水17-2氣田是中海油首個1 500 m水深自營油氣田，擬采用半潛式生產(chǎn)平臺結(jié)合水下設(shè)施的模式進(jìn)行開發(fā)，該平臺將是中國首個深吃水、適應(yīng)SCR立管的半潛式生產(chǎn)平臺，同時也是世界上首座半潛式凝析油儲存平臺。

圖1 整體結(jié)構(gòu)模型

該平臺由上部組塊和船體兩部分組成，船體由4個立柱和4個浮筒組成，具有較大的甲板空間和凝析油儲存能力，作業(yè)水深1 420 m。半潛式生產(chǎn)平臺的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是平臺設(shè)計中的重要內(nèi)容，也是平臺在全生命周期內(nèi)安全平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。

圖2 整體結(jié)構(gòu)有限元模型

1 整體結(jié)構(gòu)模型建立

采用SESAM/GeniE[4]建立船體及上部組塊整體結(jié)構(gòu)模型。平臺上部組塊結(jié)構(gòu)和下浮體結(jié)構(gòu)模型分別依據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙建立：艙壁、甲板、外板、強(qiáng)框架等采用Plate單元模擬，縱骨、扶強(qiáng)材和桁材面板采用Beam單元模擬，壓載水采用Compartment功能模擬，各種設(shè)備采用Equipment單元模擬，上部結(jié)構(gòu)重量、重心根據(jù)《上部組塊重量控制報告》調(diào)整，下浮體重量、重心根據(jù)《平臺重量控制報告》調(diào)整。整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

整體模型采用粗網(wǎng)格單元，網(wǎng)格尺度?。嚎v骨間距600 mm，單元數(shù)量612 488，節(jié)點(diǎn)數(shù)337 358，如圖2所示。

2 邊界條件

在本計算模型中，在立柱結(jié)構(gòu)底板上選取不共線的3個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)的位移邊界條件如下：

(1) 節(jié)點(diǎn)a：限制z方向的位移；

(2) 節(jié)點(diǎn)b：限制x、z兩個方向的位移；

(3) 節(jié)點(diǎn)c：限制x、y、z方向的位移。

邊界條件如圖3所示。

圖3 邊界條件

圖4 水動力計算濕表面模型

3 設(shè)計波選取

3.1 輸入?yún)?shù)

采用設(shè)計波法進(jìn)行半潛式生產(chǎn)平臺的整體強(qiáng)度分析。通過SESAM程序，從三維水動力模型中讀取水動壓力載荷和船體6個自由度的慣性加速度數(shù)據(jù)，然后施加到有限元模型上。用于水動力計算的濕表面模型采用1/4對稱模型，導(dǎo)入HydroD之后雙面鏡像，如圖4所示。依據(jù)《裝載手冊報告》的未來預(yù)留工況、風(fēng)暴環(huán)境工況和最大裝載工況設(shè)置各個液艙的裝載分布，如圖5所示。

圖5 液艙裝載分布

平臺質(zhì)量模型參數(shù)如表1所示。

用于進(jìn)行設(shè)計波選取的水動力計算參數(shù)共包含16個浪向(浪向間隔22.5°)：0°，22.5°，45.0°，67.5°，90.0°，112.5°，135.0°，157.5°，180.0°，202.5°，225.0°，247.5°，270.0°，292.5°，315.0°，337.5°；共包含36個波浪周期：4.0 s, 4.5 s, 5.0 s, 5.5 s, 6.0 s, 6.5 s, 7.0 s, 7.5 s, 8.0 s, 8.5 s, 9.0 s, 9.5 s, 10.0 s, 10.5 s, 11.0 s, 11.5 s, 12.0 s, 12.5 s, 13.0 s, 13.5 s, 14.0 s, 14.5 s, 15.0 s, 16.0 s, 17.0 s, 18.0 s, 19.0 s, 20.0 s, 22.0 s, 24.0 s, 26.0 s, 28.0 s, 30.0 s, 32.0 s, 34.0 s, 36.0 s。

3.2 RAO計算

應(yīng)用Postresp程序，對該平臺的垂蕩、縱搖、橫搖、縱蕩、橫蕩和艏搖的6個自由度運(yùn)動RAO進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖6～圖11所示。

圖6 垂蕩RAO 圖7 縱搖RAO 圖8 橫搖RAO

圖9 縱蕩RAO 圖10 橫蕩RAO 圖11 艏搖RAO

3.3 設(shè)計波參數(shù)

根據(jù)規(guī)范要求和半潛式生產(chǎn)平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文計算的典型波浪工況包括：最大縱向加速度狀態(tài)(ax)，最大橫向加速度狀態(tài)(ay)，最大垂向加速度狀態(tài)(az)，最大橫向分離力狀態(tài)(F1，F(xiàn)2)，最大扭轉(zhuǎn)狀態(tài)(T1，T2)，最大剪切力狀態(tài)(Q1，Q2)，最大垂向彎矩狀態(tài)(M1，M2)。

由水動力分析獲得各典型波浪載荷的傳遞函數(shù)以及長期和短期極值，之后確定各典型波浪工況的設(shè)計波參數(shù)。根據(jù)《環(huán)境條件報告》中的各方向浪向散布圖，得到長期統(tǒng)計的設(shè)計波如表2所示。

表2 長期統(tǒng)計的設(shè)計波

根據(jù)《環(huán)境條件報告》中的JONSWAP譜(有義波高Hs=13.4 m, 跨零周期Tz=11.0 s, 形狀參數(shù)γ=2.4)，得到短期統(tǒng)計的設(shè)計波如表3所示。

表3 短期統(tǒng)計的設(shè)計波

由上述對比分析可知，短期統(tǒng)計得到的設(shè)計波的波幅大于長期統(tǒng)計的設(shè)計波波幅，因此選用短期統(tǒng)計的設(shè)計波作為結(jié)構(gòu)計算所施加的波浪載荷。

4 計算結(jié)果

4.1 屈服強(qiáng)度計算結(jié)果

根據(jù)ABS船級社MODU[5]規(guī)范：對于板殼結(jié)構(gòu)，等效應(yīng)力的安全因子和許用應(yīng)力值如表4所示。

表4 安全因子和許用應(yīng)力

采用SESAM/SESTRA進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)分析，船體各主要部位的等效應(yīng)力結(jié)果如表5所示，各部位的詳細(xì)應(yīng)力云圖如圖12～圖16所示。

表5 船體結(jié)構(gòu)各部位等效應(yīng)力最大值

圖12 船體整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 圖13 船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖14 立柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 圖15 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖16 浮筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

對于半潛船體的立柱結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和浮筒結(jié)構(gòu)，船體結(jié)構(gòu)全部為fy=355 MPa的鋼材，許用應(yīng)力為320 MPa，從表5、圖12～圖16可見，應(yīng)力均小于許用應(yīng)力320 MPa，屈服強(qiáng)度符合ABS船級社要求。

4.2 屈曲強(qiáng)度計算結(jié)果

對船體的主要受力結(jié)構(gòu)，如立柱、節(jié)點(diǎn)、浮筒的外板及周圍艙壁等進(jìn)行整體屈曲強(qiáng)度校核。許用UC值不應(yīng)大于0.8，屈曲UC值的具體分布云圖如圖17～圖20所示。

對于半潛船體的立柱結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和浮筒結(jié)構(gòu)，從圖17～圖20可見，屈曲強(qiáng)度符合ABS船級社要求。

圖17 浮筒頂板屈曲UC值分布圖 圖18 浮筒底板屈曲UC值分布圖

圖19 立柱外板屈曲UC值分布圖 圖20 節(jié)點(diǎn)外板屈曲UC值分布圖

5 結(jié) 論

本文采用SESAM軟件，對我國第一座新建深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，計算結(jié)果表明：平臺整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度)能夠滿足ABS船級社要求，具體結(jié)論如下：

(1) 從平臺整體屈服強(qiáng)度的應(yīng)力云圖來看，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上部組塊與船體連接的立柱結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)角隅處，下階段須針對上述部位進(jìn)行詳細(xì)的局部結(jié)構(gòu)分析。

(2) 從平臺屈曲UC值分布云圖得知，UC值較大部位在浮筒頂板靠近節(jié)點(diǎn)處的區(qū)域和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的外板及底板區(qū)域。

(3) 在設(shè)計波選取的主導(dǎo)載荷工況中，最重要的載荷工況為水平分離力和橫向扭轉(zhuǎn)工況，這是由于半潛式生產(chǎn)平臺的立柱間距比張力腿平臺等平臺的跨距更大，因此在上部組塊與船體連接的立柱結(jié)構(gòu)處和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)處會產(chǎn)生更大的分離力和扭矩，從而在這兩個部位產(chǎn)生了最大應(yīng)力。

(4) 該半潛式生產(chǎn)平臺與“海洋石油981”等半潛式鉆井平臺在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計上的區(qū)別主要有以下兩點(diǎn)：

① 與“海洋石油981”的雙浮筒不同，該半潛式生產(chǎn)平臺為環(huán)形浮筒，在設(shè)計波計算時，“海洋石油981”采用短期響應(yīng)極值即可，而該平臺則需要分別計算長期響應(yīng)極值和短期響應(yīng)極值，并取大者作為設(shè)計波參數(shù)；另外，由于環(huán)形浮筒的雙對稱性特點(diǎn)，還須將分離力、扭矩等載荷工況由東西向旋轉(zhuǎn)90°，鏡像至南北向。

② 與“海洋石油981”的Deck Box式上浮體不同，該半潛式生產(chǎn)平臺的上部組塊為Truss桁架式結(jié)構(gòu)，上部組塊與船體的連接主要靠4個立柱結(jié)構(gòu)承擔(dān)，該處的受力更集中，因此該連接結(jié)構(gòu)也更為關(guān)鍵，應(yīng)成為該類半潛式生產(chǎn)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn)關(guān)注部位。