“自强”号生产平台结构强度分析*

顾 俊 唐 尧

(哈尔滨工程大学多体船技术国防重点学科实验室 哈尔滨 150001)

“自强”号生产平台结构强度分析*

顾 俊 唐 尧

(哈尔滨工程大学多体船技术国防重点学科实验室 哈尔滨 150001)

改造平台;地震工况;结构强度;结构优化

根据海洋平台国际通用规范,应用StruCAD*3D软件对改造后的“自强”号固定平台的作业、自存、地震三个典型工况进行强度计算分析,建立平台的船体桩腿计算模型。计算得出三个典型工况,尤其是地震工况下平台结构的位移和应力响应,为平台结构的强度校核和结构优化提供参考。

0 引 言

海上石油钻井平台是我国海洋石油开发的关键设备,由于其安全性不够而引发的事故不仅影响国家油气开发的长远规划,而且会给海洋环境和海洋生物带来灾难。本文按照《海上移动平台入级与建造规范》,从平台结构的总体强度出发,以“自强”号平台为例,对其在作业、自存、地震三个典型工况下的安全性进行讨论。

1 平台结构

1.1 结构概述

“自强”号平台为三桩腿连接沉垫支撑平台,由原“渤海自强”号钻井平台通过检修、改造后成为具有油、气、水综合处理功能的生产平台,简称WZ10-3AP平台。工作标准水深37.5m,作业区域为我国南海。

平台的结构材料:桩腿采用高强度船用钢DH36;型钢基本是ABS的A级钢,围桩区关键板为船用高强度板DH36,平台主体结构板采用一般强度船用钢:ABS的A级钢。

1.2 平台主体结构

“自强”号由3条桩腿及沉垫支撑的钻井平台主体改造而成,平台主体结构为驳船形式,艏部及艉部左右两舷侧延伸出平台体构成3个固桩区。平台主体结构还有:直升机甲板(位于顶层)、上层甲板、主甲板、排水甲板和船底。

1.3 桩腿

平台有3根圆管桩腿,每根直径3.048m,平台承受载荷通过桩腿传递给沉垫。每根桩腿设有两列齿条,成180°夹角,桩腿壁厚1.25 in～2.5 in不等。

1.4 平台设计主尺度

平台主尺度长×宽×型深:58.22 m×40.23 m×4.88 m,具体见图1。

沉垫尺度长×宽×型深:59.588m×49.990 m×3.048m,具体见图2。

图1 WZ10-3AP固定平台实景照

图2 沉垫示意平面图

1.5 结构模型

本平台桩腿和平台的连接是通过齿轮齿条啮合系统来实现,二者之间通过齿轮齿条来传递竖向力,同时平台升降室壁有导向结构来约束他们之间的水平位移。在建模时通过设定主从节点来模拟二者之间的上述约束关系。另外,因为平台为沉垫式移动平台,所以在着底状态时,桩腿底部边界条件的考虑按照《海上移动平台入级与建造规范》的相关规定,在海底泥面处铰接。沉垫模型考虑底板铰接在海床上。

结构分析工具采用美国Zentech公司研制的StruCAD*3D程序(4.30版本),该程序为针对海上固定、移动式结构物进行结构有限元分析的专用软件,可以完成包括静力、动力以及疲劳分析在内的各种分析计算。船体及桩腿模型图结构模型实体图如图3、图4:

图3 船体和桩腿3D模型图

图4 船体3D模型图

2 计算载荷

平台结构上的载荷主要包括固定荷载、可变荷载、环境荷载及地震加速度的不同组合。

2.1 船体和桩腿模型载荷

2.1.1 固定载荷和可变载荷

固定载荷主要包括平台结构的自重和设备载荷,其中自重由程序根据所建模型自动完成计算。可变载荷主要涉及到各水密舱的配载、平台作业时的相关载荷、直升机降落对平台的冲击载荷、甲板吊机载荷和其他的生活供应设备等。

2.1.2 环境载荷

环境载荷包括风、浪、流,还有水位的作用。

环境载荷计算组合标准:通过分析选取一系列最不利的载荷组合,经过计算得出“最大波浪+对应的流+对应的风载荷”组合为最不利组合。本次评估在进行操作状态平台分析和极端情况下平台分析时均取上述载荷组合,根据1998年改造设计规格书:环境载荷分别选取一年一遇风、浪、流和50年一遇风、浪、流作为分析条件。

对于上述风、浪、流组合,考虑下面3种不同水位下对平台的作用。

·最低潮位;

·最低潮位+风暴潮位;

·最低潮位+风暴潮位+天文潮位。

2.1.2.1 风载荷

根据《海上移动平台入级与建造规范》,风压P和作用在构件上的风力F计算公式分别为:

式中 V——设计风速(m/s);

Ch——暴露在风中构件的高度系数;

Cs——暴露在风中构件的形状系数;

S——受风构件的正投影面积(m2)。

引入风载荷系数F1和风力矩系数M1:

则有:F=0.000 613×F1×V2(kN)

式中:ZS为受风构件形心距平台基线的垂直距离。

2.1.2.2 波浪载荷

a)正常作业状态波浪载荷的计算

平台处于正常作业状态时,波浪直接作用在桩腿上。桩腿属于小尺度孤立桩柱,其波浪力采用Morison公式由程序自动完成计算,波浪理论采用Stokes五阶波理论。计算中考虑海流的矢量叠加。

式中 Cd,Cm——拖曳力系数和惯性力系数。考虑到圆柱上附有齿条,计算中取

Cd=1.5,Cm=2.0;

D——圆形构件的直径;

u——垂直于构件轴线的水质点相对于构件的速度分量;

a——垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加速度分量。

b)其他状态波浪载荷的计算

采用三维水动力理论,对平台拖航状态下的运动与波浪载荷进行计算,并将计算得到的波浪载荷施加到水线以下的主船体外围板上相应单元。

2.1.3 海生物的影响

海生物增加的水动力作用通过增大水下结构外径来考虑,其重力作用是计算程序通过海生物的厚度直接计算得出。海生物的厚度通过2009年特检报告水下部分统计得出。

2.1.4 地震作用

根据《海上移动平台入级与建造规范》,地震作为载荷作用时,不考虑与其他环境载荷(风、浪、流)的组合作用,只考虑与静力载荷的组合。在此,地震工况考虑地震作用和平台重力载荷的组合效应。

3 船体及桩腿强度计算

船体及桩腿强度的计算考虑作业工况、自存工况和地震工况,作业工况和自存工况为拟静力分析过程,地震工况为动力分析过程。

3.1 船体和桩腿作业、自存工况下的强度计算

标准水深37.5m,考虑和天文潮、风暴潮的联合作用。作业工况和自存工况各考虑3种水深情况。

作业、自存工况下的计算分析流程见图5:

图5 拟静力分析流程

3.1.1 计算结果及分析

3.1.1.1 结构最大位移

为了了解平台在作业、自存工况下的最大位移,选取3根桩在主甲板水平处的点为参考点,它们在各个组合工况下的位移如表1:

表1 作业、自存工况下平台最大位移

从表1可以看出,在作业、自存工况下,环境载荷作用方向为横向时将引起结构发生最大横向位移(水平),值为-35.22 cm;环境载荷作用方向120°时将引起结构发生最大纵向位移(水平),值为26.82 cm。船体垂向位移比较小,为-1.02 cm。

3.1.1.2 应力

a)梁结构

在作业工况下,杆件最大应力比为1.0＞0.5的梁单元125个,通过计算结果显示应力比＞0.8的单元主要分布于主甲板上对应船体中纵处的横向加强梁。

图6 作业工况下船体梁应力

桩腿最大应力比为0.69,有一定的强度裕度。

b)板结构

主甲板、底板、船体外围板以及舱壁板等板单元的应力比情况如图7、图8:

图7 作业、自存工况下船体主甲板计算应力

3.2 船体和桩腿地震工况下的强度计算

根据该平台改造详细设计,取地震参数为0.16 g。

地震工况分析过程见图9:

图8 作业、自存工况下船底板计算应力

图9 地震工况分析流程

3.2.1 地震参数

根据规范要求,在地震作用下,不考虑与其它环境载荷的联合作用。在对结构进行响应谱分析的时候地面加速度取值为0.08 g(垂直)和0.16 g(水平)。竖向地面峰值加速度为水平方向地面峰值加速度的1/2。

3.2.2 加载工况

3.2.2.1 重量条件

在地震工况下,模型重力计算由程序自动进行,总重量由表2中的几种基本条件组成。

3.2.2.2 组合工况

对于地震时的动载荷,按照完全二次组合(CQC)方法在三个方向上对前20阶模态响应进行组合,方向响应谱系数见表3。

表2 地震工况下的重量条件列表

表3 方向响应谱系数

程序计算完三个方向上的响应后,使用平方和的平方根方法,对上述三个方向的响应进行组合,组合系数见表4。

表4 方向组合系数

静、动载荷的组合由程序完成。由于响应谱得到的动载荷是没有方向的,因此,在静、动载荷组合时,为得到最危险的荷载条件,进行如下处理:

·假定所有构件的动、静载下得到的应力一致为拉应力;

·假定所有构件的动、静载下得到的应力一致为压应力。

具体组合工况如表5所示:

表5 地震条件下组合工况列表

3.2.3 计算结果及分析

3.2.3.1 频率

平台的固有频率是平台的本质属性,决定着平台的动力特性和动力响应特征,所以对平台进行地震作用的谱分析法前,首先计算了平台结构的前20阶振动模态。

下面给出偏移放大150倍的1阶和2阶模态图(图10、图11):

3.2.3.2 变形

为了解平台在地震工况下的最大位移,选取3根桩在主甲板水平处的点为参考点,它们在各个组

图10 一阶模态

图11 二阶模态

合工况下的位移如下:

对上述计算结果统计见表6:

表6 地震工况下船体最大位移

从表6可以看出,相对作业、自存工况,地震工况下因为不考虑和其他环境条件(风、浪、流)的组合作用,纵向最大位移(水平)为-3.34 cm,最大横向位移(水平)为-2.59 cm。船体垂向位移较小。

3.2.3.3 应力情况

a)梁结构

横梁、底肋板、纵桁、舱壁垂直和水平扶强材等强力构件以及桩腿的应力比情况如图12所示:

图12 地震工况下船体梁单元计算应力

桩腿最大应力比为0.29,在地震作用下有较高的安全裕度。

b)板结构

主甲板、底板、船体外围板以及舱壁板等板壳单元的应力比情况如图13:

图13 船底板大应力位置

4 结论和建议

评估过程中充分考虑了移动平台“自强”号作为固定平台使用的规范适用性问题,深入了解了移动平台转固定平台使用的校核工况变化影响和许用应力变化影响,并结合移动平台结构形式合理确定了整体强度分析建模原则。

评估工具为业界权威的海洋工程钢结构设计分析软件,其有效保证了对海洋环境条件风、浪、流、海生物等的准确计算加载以及结构形式的合理模拟,并能依据国际通用规范自动对船体结构进行规范校核。

依据平台的结构形式和载荷状况,把“自强”号平台的船体桩腿计算模型进行模拟。根据“自强”号的实际使用要求,确定分析了其在作业、自存和地震工况下的整体强度,结论如下:

(1)在作业、自存和地震工况下,该平台的应力水平在现阶段满足规范规定的强度要求;

(2)船体在作业、自存工况作用下,应力较大板单元主要分布在主甲板靠近3个固桩区的部分,和C-1舱处的船底板。应力比较大的梁单元主要分布于主甲板上对应船体中纵处的横向加强梁。平台在自存极限风暴作用下的水平位移较大,在垂直方向上的位移较小;

(3)船体在考虑0.16 g加速度的地震工况作用下,应力比较大的板单元主要分布在C-1舱处的船底板上,应力比较大的梁单元主要分布于主甲板各肋位处的横向加强梁。平台在地震作用下的水平、垂直位移都较小;

(4)C-1舱甲板上在1998年改造后加装了中央控制室,其较大的重力载荷通过支撑柱和舱壁传递到该舱底板,同时因为该舱处船舯附近,有较大的中垂弯距,造成C-1舱底板是船体板的主要高应力区;

(5)桩腿的最大应力比是0.69,有一定的安全裕度。其主要原因是原平台结构形式为自升式钻井平台,在改造为固定平台后,船体改造后重量要明显小于原来的钻井作用重量。

[1] 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[M].2005.

[2] APIRP 2A(WSD).Recommended Practice for Planning,Designing,and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design[M].2000.

[3] 中国船级社.钢质海船入级与建造规范[M].2001.

[4] 中国船级社.材料与焊接规范[M].1998.

[5] AISC.钢结构手册[M].1980.

[6] IACS.REQUIRMENTS CONCERNING OFFSHORE MOBILED RILLING UNITS[M].1996.

[7] IMO.CODE FOR THE CONSTRUCTION AND EQUIPMENT OF MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS[M].1989.

Structural Strength Analysis on“ZiQiang”Production Platform

Gu Jun Tang Yao

amended platform;earthquake condition;structure strength;structure optimization

Based on the international general rules about platforms,with the application of StruCAD*3D,the structural strength of the amended fixed platform—“Zi Qiang”has been calculated and analyzed in three typical working condition including operation condition,storm condition and earthquake condition,and a calculation model of platform's hull and legs is established.The displacement and stress response obtained in the three typical conditions,especially in the earthquake condition,can provide reference for the assessment of structural strength and the optimization of the platform.

U 661.43

A

1001-9855(2010)06-0010-06

2010-07-06

顾 俊(1986-),男,汉族,江苏人,在读硕士研究生,研究方向:环境载荷与结构强度。

唐 尧(1986-),男,汉族,辽宁人,在读硕士研究生,研究方向:环境载荷与结构强度。