自升式钻井平台结构强度分析研究

李红涛, 李 晔

(中国船级社海工审图中心,天津300457)

自升式钻井平台结构强度分析研究

李红涛, 李 晔

(中国船级社海工审图中心,天津300457)

阐述了自升式钻井平台结构强度的基本理论,提出了结合移动平台结构特点的结构强度分析,并以一桁架桩腿自升式平台为例,通过有限元分析和求解来说明此类移动平台结构强度分析的过程及方法。

自升式钻井平台;结构强度;有限元分析;桁架式桩腿

0 引言

自升式钻井平台是指具有活动桩腿,且其主船体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行钻井作业的平台,此种平台在海洋石油开发中被广泛应用。自升式海洋平台与导管架固定平台相比,结构整体柔性较大,振动响应较为强烈,且随着海洋工程向深海发展,环境越来越恶劣,载荷不确定因素增多,因此,自升式钻井平台的结构安全越来越受到重视,而结构强度分析自然就成为设计阶段的重要研究内容[1]。

本文以自升式钻井平台的结构安全为目的,阐述了结构强度理论,包括屈服强度理论、屈曲强度理论和疲劳强度理论;并结合自升式钻井平台结构特点,提出了总体性能分析、船体强度分析及局部强度分析3个主要的结构强度分析;最后以一桁架式桩腿的自升式钻井平台为例,通过有限元分析和求解,阐述此类移动平台结构强度分析的过程及方法,对工程实践有指导作用,并为工程设计人员提供借鉴。

1 结构强度失效形式

自升式钻井平台结构强度失效形式主要有3种,即屈服强度失效、屈曲强度失效及疲劳强度失效。

1.1 屈服强度[2]

对于桩腿、甲板间支撑等独立构件,其屈服强度应满足下式(1)、(2):

承受轴向拉伸和弯曲组合作用时

承受轴向压缩和弯曲组合作用时

式中符号含义可参见参考文献[2]。

对于平台大部分结构:带扶强材的板结构,其屈服强度应按相当应力σeq校核:

1.2 屈曲强度[2]

受压杆件的整体屈曲临界应力σcr按下式计算:

式中σE为欧拉应压杆件的整体屈曲安全系数取值可见参考文献[2]。

板格的屈曲强度可按如下公式进行校核:

式中:σx、σy、τxy为板格长、短边压应力及剪切应力值;σxcr、σycr、τxy为临界屈曲应力;Sbu为安全系数,其取值可见参考文献[2]。

1.3 疲劳强度[3,4][5][7]

疲劳校核的目的是确保平台结构在营运期间有足够的疲劳寿命,一般不应少于20年。发生疲劳破坏的结构一般要承受循环载荷,自升式钻井平台易发生疲劳的位置为桁架式桩腿的杆件节点处,因此务需对之进行疲劳分析。疲劳强度校核一般采用谱分析方法,具体过程可参见文献[5]。

2 结构强度分析内容

根据自升式钻井平台的工作特性和结构特点,其结构强度分析可分为总体性能、船体强度及局部强度分析。

2.1 总体性能分析

自升式钻井平台的总体性能分析主要是考核其站立工作状态下的整体安全情况,包括桩腿强度、锁紧系统(升降系统)承载性能、预压载性能、桩靴承载性能及抗倾稳性。总体性能会直接影响平台的操作安全及作业能力,因此需予重点关注。具体计算方法和过程请详见参考文献[6]。

2.2 船体强度分析

平台设计时,应确保船体具有足够的强度,除承载设备及人员外,还能抵御环境载荷及功能载荷产生的不利影响。船体强度的失效形式主要为船体板或梁发生屈服、屈曲。受力主要工况为站立工况和拖航工况。站立工况下,预压载和悬臂梁外伸状态,船体受力最大,预压载时,船体压载舱和甲板的应力较高,悬臂梁外伸作业时,悬臂梁底座处主甲板及舱壁受力较大,且围阱周围的结构应力较高;拖航工况下,桩腿和固桩结构的应力较高。

2.3 局部强度分析

局部强度分析主要是对自升式平台局部受力较大的结构单独进行计算分析。根据自升式钻井平台的结构特点,应予强度分析的局部结构为:围阱区、桩靴、生活楼、直升机甲板、吊机底座、悬臂梁、钻台、设备底座等。局部结构一般所受工作载荷较大,因此,这些结构在设计时强度应予保证。

图1 有限元模型

局部强度分析一般采用有限元分析方法,由计算得到的应力进行板的屈服、屈曲校核。

3 算例

算例中的平台为悬臂梁式自升式平台,采用三角形箱形主船体,配有三个桁架式桩腿,艏一艉二,升降系统为电动齿轮升降系统,每个桩腿弦杆一套;全船并配有9套锁紧系统,在拖航、作业及自存状态下,锁紧系统将桩腿弦杆齿条板锁死;平台每个桩腿带有一个圆形的桩靴,拖航时可收回船底。平台的作业环境条件及参数如表1所示。

表1 环境条件及作业参数

图2 桩腿弦杆应力比

3.1 总体性能分析

根据该平台结构特点,使用有限元软件SACS建立如图1所示的有限元模型,所有结构由梁单元模拟。坐标原点位于静水面,x方向指向船艏,y方向指向左舷,z方向竖直向上。

3.1.1 功能载荷包括固定载荷和可变载荷。固定载荷主要包括平台结构自重和设备重量,可变载荷主要包括各液舱的配载、平台作业的相关载荷等。

3.1.2 环境载荷主要包括风、波浪、海流以及P-Delta载荷。环境载荷作用方向在算例中从0°～180°间共取5个方向,各方向环境载荷值见表2。

表2 环境载荷

3.1.3 计算结果 有限元分析结果表明,算例平台桩腿强度、锁紧系统承载能力、桩靴承载能力、抗倾稳性、预压载能力及升降系统保持能力是足够的,因此,算例平台总体性能满足规范要求。桩腿弦杆最大应力比及发生位置如图2所示。

3.2 船体强度分析

使用MSC/Patran有限元软件,建立如图3所示的船体有限元模型。模型中可采用板壳单元、梁单元及管单元等适当组合。本文将平台模拟为空间板壳、梁的组合结构。

计算工况主要分为作业、自存及预压载3种工况,载荷值见表3。

表3 载荷列表

有限元分析结果表明,船体结构的最大相当应力(发生在悬臂梁固定底座下横舱壁处,由悬臂梁外伸载荷引起)为318 MPa,小于允用应力319 MPa,因此船体主要结构屈服强度满足要求。选取受压或剪应力较大的板格按公式(5)进行屈曲分析,计算结果,屈曲因子均小于1,表明屈曲强度满足要求。

作业工况、环境条件0°入射下,船体的相当应力云图见图4。

3.3 局部强度分析

本文选取最关键的围阱结构进行强度分析。围阱区主要包括升降室、锁紧系统基座、上下导向结构及甲板、舱壁等。使用MSC/Patran有限元软件,建立如图5所示的有限元模型。

计算工况主要分为拖航、自存及预压载3种工况,计算载荷如表4所示。

表4 载荷列表

有限元分析结果表明,围阱结构的最大相当应力(发生在锁紧系统上基座面板处,由锁紧系统受力引起)为313 MPa,小于允用应力319 MPa,因此围阱区主要结构屈服强度满足要求。选取受压或剪应力较大的板格按公式(5)进行屈曲分析,计算结果,屈曲因子均小于1,表明屈曲强度满足要求。

自存工况下,围阱区的相当应力云图见图6。

3.4 桩腿疲劳分析

3.4.1 海况条件

对算例中的桁架桩腿杆件节点处进行疲劳分析。本文采用北海的一年波浪散布图。每一点的P-M谱见图7。

3.4.2 应力幅频率传递函数的确定

计算中选取STOKES 5阶波理论,波高1 m,周期从4.5 s～30 s共18个频率作用于3.1节所述有限元模型。对于每个波浪,选取72个波峰位置计算平台的最大、最小倾覆力矩,将最大、最小倾覆力矩波峰位置桩腿杆件的应力相减,即可得到名义应力幅。图8为桩腿与船体下导向结构交接处弦杆的名义应力幅传递函数,图中3条曲线分别表示波浪0°、90°及120°3个方向入射的传递函数。名义应力幅频率传递函数再乘以动力放大系数(DAF)和应力集中系数(SCF)即可得到应力幅频率传递函数。

DAF的求解可采用SDOF方法求解;SCF可采用DNV推荐的做法求解[7]。

3.4.3 应力幅响应谱

确定输入谱和频率传递函数后,利用公式(7)即可求得应力幅响应谱。对应于图8所表示杆件的响应谱(0°、90°及120°)如图9所示。

3.4.4 疲劳寿命

采用Miner疲劳累计损伤理论,按1.3节所述方法对算例平台的桩腿进行疲劳寿命分析,计算结果如表5所示。

表5只列出了疲劳寿命较短的一部分弦杆和撑杆,算例平台最小疲劳寿命的弦杆处于下流向桩腿,且位于桩腿与围阱下导向结构的交界处;最小疲劳寿命的撑杆处于下流向桩腿,且位于桩靴上方位置。由分析结果可知,此算例平台桩腿的疲劳寿命为165年,满足规范要求的20年。

表5 桩腿疲劳寿命

图9 响应谱函数

4 结论

本文经理论与算例相结合,阐述了自升式钻井平台结构强度的计算原理和分析方法,并得到以下结论:

(1)自升式钻井平台结构强度的失效形式主要有屈服强度失效、屈曲强度失效和疲劳强度失效3种形式。

(2)自升式钻井平台结构强度分析包括总体性能分析、船体强度分析及局部结构强度分析。

(3)总体性能分析决定了平台的操作安全和作业能力;船体强度分析保障了整个船体结构的安全;局部分析保证了船体局部结构的强度。

(4)本文采用谱分析方法进行疲劳计算。由于DAF、SCF等参数的计算比较保守,且假定平台工作水深、气隙及入泥都不变,因此计算的疲劳寿命也比较保守。

(5)桩腿是强度分析中较为薄弱的部位;但却是平台的关键结构,因此,在设计中安全系数应留有余量,日常使用中应注意维护保养。

[1] 李润培,王志农.海洋平台强度分析[M].上海交通大学出版社,1992.

[2] 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] DNV Rp-C203.Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structure[M].2000.

[4] Cronin D J,Godfrey P S,Hook P M,et al.Spectral Fatigue Analysis for Offshore Structures[J].Numerical Method in Offshore Engineering.1978,281-315.

[5] Maddox N R,Wildenstein A W.A Spectral Fatigue Analysis for Offshore Structures[C].OTC 2261,1975,185-194.

[6] 李红涛,徐捷,李晔.自升式海洋平台站立状态下的性能分析[J].中国海洋平台.2009,24(4):38-42.

[7] DNV Classification Notes.Fatigue Strength Analysis for Mobile Offshore Units[M].1984.

Research on Structure Strength Analysis for Self-Elevating Drilling Units

LI Hong-tao, LI Ye
(Offshore Engineering Plan Approval Center of CCS,Tianjin 300457,China)

The theory of structure strength analysis for self-elevating drilling units is illustrated.Based on the structure characteristic of jack-up units,the contents for structure strength analysis are proposed.As an example,a jack-up with truss legs is analyzed by FEA method,which can explain the process and method for strength analysis of jack-up units.

jack-up;structure strength;finite element analysis;truss leg

P752

A

2009-09-11;修改稿收到日期:2010-03-15

李红涛(1976-),男,博士,从事海洋工程结构设计与研究工作。

1001-4500(2010)02-0028-06