海洋石油工程張力腿平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

逄建濤，宋魯峰，尹寶瑞，劉廣輝，杜子榮

(海洋石油工程(青島)有限公司)

海上石油開采在早期主要是面向近海海域，隨著全球能源需求量的不斷增大，技術(shù)的變革和創(chuàng)新使得深海海域的開發(fā)生產(chǎn)可能性越來越大。因為導(dǎo)管架平臺和重力式平臺自身重量和工程造價隨水的深度大幅的增加，因此不再適應(yīng)深水海域油氣的開發(fā)。順應(yīng)式平臺的概念在上個世紀(jì)被提出，并在之后多年的平臺設(shè)計中得到非常廣泛的應(yīng)用。其中，張力腿平臺屬于順應(yīng)式平臺當(dāng)中的典型實例。

1 結(jié)構(gòu)特點

1.1

很好的運動響應(yīng)特性。張力腿平臺跟順應(yīng)式結(jié)構(gòu)物類似。平臺在海、浪、流等海洋環(huán)境載荷等外力的作用下發(fā)生運動時會產(chǎn)生一種慣性力，這種慣性力能夠抵消一部分的環(huán)境載荷外力，從而使作用在平臺結(jié)構(gòu)上的凈載荷變小。

1.2

由于平臺的結(jié)構(gòu)形式為半順應(yīng)半固定式，在水平方向是順應(yīng)式結(jié)構(gòu)，在豎直方向是固定式結(jié)構(gòu)。由于這一結(jié)構(gòu)形式特點，張力腿平臺保留了傳統(tǒng)固定式平臺的很多作業(yè)優(yōu)勢，與傳統(tǒng)固定式平臺相比其生產(chǎn)與維護(hù)作業(yè)方式幾乎相似，其操作方式與固定式平臺幾乎沒有任何差別。并且對深海油田而言，因為張力腿平臺的結(jié)構(gòu)造價不會隨著水的深度的增加而大幅的提高，從開發(fā)費用角度來看，張力腿平臺比固定式平臺要低許多。

2 設(shè)計工況

2.1

設(shè)計工況即綜合考慮各種載荷的組合，這些載荷包含項目階段、系統(tǒng)工況和環(huán)境條件。設(shè)計者應(yīng)該關(guān)注一些建議性的情況以確保所有相關(guān)的設(shè)計工況都被考慮在內(nèi)。

2.2

對于每種設(shè)計工況而言，平臺的設(shè)計應(yīng)該考慮多種對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最嚴(yán)重影響的載荷工況。除地震載荷外，所有的環(huán)境載荷應(yīng)該與同期可能出現(xiàn)的情況協(xié)調(diào)組合到一起。對于鉆井和生產(chǎn)平臺，來自同期鉆井與生產(chǎn)操作所引起的載荷應(yīng)該加以考慮。為確定平臺桿件的最大設(shè)計應(yīng)力，消耗品的變化與鉆井基礎(chǔ)設(shè)施的移動情況也應(yīng)該加以考慮。

3 結(jié)構(gòu)分析

(1)分析方法可能會針對不同的載荷而運用各種計算方法進(jìn)行平臺的分析。通常運用線性、彈性的空間框架計算模型。對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，為獲得精確的局部應(yīng)力分布，需進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析。對于某些工況也可以運用手動輔助計算來進(jìn)行桿件局部載荷校核。

(2)計算模型 一個空間框架模型通常包括梁單元和其它必需的單元，用來模擬特定的結(jié)構(gòu)特征。在空間框架分析中所有的主要結(jié)構(gòu)單元都必須被模擬。在局部分析中次要桿件(如果沒有在空間框架模型中模擬的話)應(yīng)予以考慮。在模型中節(jié)點偏心與節(jié)點撓度的影響應(yīng)予考慮，同樣，甲板鋪板在平面內(nèi)的剛度應(yīng)予以考慮。

(3)應(yīng)力分析 如果結(jié)構(gòu)沒有動力響應(yīng)的話，可運用準(zhǔn)靜力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。本章所述的自振周期是指平臺(船體和甲板)的彈性振動的自振周期，而不是平臺與鋼索系統(tǒng)組成的剛性體結(jié)構(gòu)體周期。由于自振周期相對于有效波能量的周期而言非常的小，因此結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題不必考慮。對于特定的每個平臺的設(shè)計，應(yīng)該驗證該假設(shè)。平臺結(jié)構(gòu)的自振周期大于3.0秒的情況，則應(yīng)該進(jìn)行平臺的動力分析。

(4)疲勞分析確定疲勞破壞可選擇兩種不同的方法：

a.S-N法

S-N法運用S-N曲線，通過該曲線給出了某一特定結(jié)構(gòu)細(xì)部或材料的對應(yīng)于特定應(yīng)力幅值的失效循環(huán)次數(shù)，這些值是基于實驗結(jié)果取得。長期應(yīng)力分布用來計算累積疲勞損傷比，D：

其中：ni=某一應(yīng)力幅值間隔i內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

Ni=相應(yīng)S-N曲線中對應(yīng)于該應(yīng)力幅值間隔i的失效循環(huán)次數(shù)。

D不應(yīng)大于1。

b.斷裂力學(xué)法

斷裂力學(xué)法主要用于預(yù)計和評估疲勞裂紋的增長率和發(fā)生疲勞處的破壞長度，從而計算出疲勞壽命。對于特定模型可運用Paris Law表達(dá)式計算疲勞強(qiáng)度：

其中：da/dN=裂紋增長率。

ΔK=裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度幅值系數(shù)。

對于特定材料和載荷工況，C和m是常數(shù)。

以上材料常數(shù)與材料，結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件相關(guān)。通過積分計算ΔK，可以建立循環(huán)應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)與考慮了初始缺陷與材料韌性的疲勞之間的關(guān)系。

該方法還可用于輔助確定檢測時間間隔，即根據(jù)裂紋從無法探測發(fā)展為引起失效所經(jīng)過的時間。斷裂力學(xué)分析可用于確定所需求的材料韌性，最大許用初始裂紋尺寸(關(guān)于在位檢測)，和檢測間隔。

(5)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作應(yīng)力設(shè)計方法為本論文所運用的設(shè)計基礎(chǔ)，因此結(jié)構(gòu)的每個部分的應(yīng)力不能超過許用應(yīng)力值。

a.組塊結(jié)構(gòu)：組塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計要全面考慮重力、環(huán)境載荷、船體運動載荷、其它諸如安裝立管、吊機(jī)提升力等功能載荷的綜合作用。重力主要是指為滿足不同操作需要的永久或者臨時的設(shè)備載荷。作用在組塊和設(shè)備上的環(huán)境載荷包括風(fēng)力載荷以及船體運動引起的載荷。運動產(chǎn)生的載荷有側(cè)向和垂向加速度引起的力，以及船體龍骨傾斜時因為重力作用產(chǎn)生的等效側(cè)向力。組塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮建造、拖拉、運輸和吊裝等各種工況。

b.浮箱與立柱和甲板與立柱節(jié)點：進(jìn)行節(jié)點設(shè)計需運用有限元分析以確定通過節(jié)點的載荷路徑。對于節(jié)點的設(shè)計必須能夠使得載荷從浮箱至甲板通過立柱連續(xù)地進(jìn)行傳遞。節(jié)點殼和它內(nèi)部加強(qiáng)筋的主應(yīng)力應(yīng)該與曲面和平面結(jié)構(gòu)單元的極限狀態(tài)強(qiáng)度公式進(jìn)行比對。應(yīng)該進(jìn)行極限受拉狀態(tài)的校核，以防止節(jié)點材料或焊縫的斷裂，同時運用模型試驗來確定應(yīng)力在復(fù)雜節(jié)點幾何表面上的分布情況，并且可以運用鑄造段以減小這些節(jié)點的應(yīng)力集中。

c.過渡節(jié)點和帶筋板節(jié)點：浮箱與立柱和甲板與立柱節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計通用原則同樣適用于過渡節(jié)點和帶筋板節(jié)點。對于幾何構(gòu)造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該運用有限元進(jìn)行分析，并且可以通過模型試驗來進(jìn)行驗證。

d.細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計：為防止整體結(jié)構(gòu)在服役期間局部開裂，屈曲，應(yīng)該進(jìn)行細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

3.6 船體穩(wěn)性要求

張力腿平臺設(shè)計應(yīng)該滿足ABS MODU 柱式穩(wěn)性裝置要求。這些標(biāo)準(zhǔn)包括了完整、破艙和充水穩(wěn)性的要求。張力腿平臺最小定傾高度和艙室配載也是在這些穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立起來的。

對張力腿平臺下列穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)的估算適用于豎直向上的張力腿平臺(即垂直就位的狀態(tài))。在確定某一工況下對穩(wěn)性最危險的方向要和適用的穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)相匹配。

3.7 事故載荷設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計另外應(yīng)考慮意外事故的發(fā)生?！耙馔馐鹿省笔侵府惓Ｇ闆r的集合，包括碰撞，落物，火災(zāi)，爆炸或充水等各種意外事件。