深水半潜式钻井平台典型节点强度研究＊

谢文会 谢 彬

(中海油研究总院深水工程重点实验室)

深水半潜式钻井平台典型节点强度研究＊

谢文会 谢 彬

(中海油研究总院深水工程重点实验室)

基于SESAM软件,提出了深水半潜式钻井平台典型节点强度分析方法,并利用该方法研究了目标平台立柱与撑杆连接处节点强度性能。首先进行平台危险波浪载荷分析,得到平台危险波浪载荷;然后进行危险波浪载荷条件下的平台整体强度分析,确定平台立柱与撑杆连接处节点结构模型的载荷边界条件;最后依据分析确定的载荷边界条件及典型节点受到的波浪载荷进行局部强度分析。分析结果表明,目标平台典型节点的结构强度满足使用要求。

深水半潜式钻井平台 典型节点 整体强度 局部强度 载荷边界

第六代半潜式钻井平台代表着当前世界钻井平台的先进水平,这类平台结构形式简单,连接节点大大减少。第六代半潜式钻井平台的节点由空间板架结构构成,节点尺度远大于以往半潜式钻井平台节点,应力分布情况十分复杂,而平台主要结构连接处典型节点结构的失效破坏往往会危及平台整体结构的安全,因此这些节点的强度性能成为制约平台安全作业的关键因素之一[1-3]。基于SESAM软件,提出了一套平台典型节点结构分析方法,并针对目标平台立柱与撑杆连接处典型节点进行了强度分析。

1 平台典型节点强度分析方法

由于深水半潜式钻井平台连接节点结构形式复杂,为有效分析结构应力场分布,要采用有限元方法分析静载荷和危险波浪载荷条件下结构的局部强度。根据SESAM软件的特点和结构有限元计算基本原理,首先根据典型节点在平台结构中所处的位置分析平台在何种波浪载荷工况时典型节点受力最大、应力水平最高;然后用PatranPre模块建立平台波浪载荷模型,用Wadam模块计算平台整体结构受到的波浪载荷,再将平台受到的波浪载荷传递给平台整体结构有限元模型,用Sestra模块进行平台整体结构有限元分析,确定平台节点局部结构有限元模型的载荷边界条件;最后将平台节点受到的波浪载荷传递给节点局部结构有限元模型,同时与节点受到的波浪载荷工况相对应,用Submod模块将波浪载荷工况的载荷边界条件传递给平台典型节点局部结构有限元模型进行局部结构强度分析,确定局部结构的应力水平。半潜式平台典型节点局部强度分析流程见图1。

图1 半潜式平台典型节点强度分析流程

2 平台波浪载荷计算

目标平台的主体结构为一双下浮箱、四立柱、箱型甲板、艏艉立柱间各用2根横撑连接的框架结构(图2),平台总长度114.07m,宽度78.68m,高度(基线到主甲板)38.2m。进行波浪载荷分析时,目标平台的吃水、排水量、回转半径等参数见表1。

图2 目标平台主体结构

表1 目标平台吃水、排水量及回转半径

图3 目标平台3D波浪载荷计算模型

使用SESAM软件PatranPre模块按照目标平台外部几何形状和尺寸建立平台的3D波浪载荷计算模型,该模型共有3 408个板单元(图3)。在进行波浪载荷分析时,为考虑流体粘性力影响,在平台垂荡自由度上加上了3%的临界阻尼。研究认为,目标平台受到最大横向撕裂力、最大横向扭矩、最大纵向剪切力时各连接节点受力情况最恶劣[4-5]。考虑目标平台作业海域的环境条件,利用设计波随机计算方法[6-10]研究确定平台在生存、作业、拖航状态下受到危险波浪载荷(即最大横向撕裂力、最大横向扭矩及最大纵向剪切力)作用时的设计波参数与设计波载荷(表2)。

表2 目标平台危险波浪载荷及设计波参数

3 平台典型节点强度分析

3.1 有限元模型

目标平台的整体结构有限元模型、立柱与撑杆连接处典型节点有限元模型及该典型节点在平台结构中的位置如图4所示。

目标平台整体结构有限元模型主要包括4个立柱、2个浮箱、4根横向支撑、一体化的上部甲板结构及一些基本结构,由大约60 000个板单元、50 000个梁单元和300个质量元构成,大部分梁单元和板单元的尺寸为1.5m左右。立柱与撑杆连接处典型节点有限元模型由板单元建立,在保证抗弯刚度相等的原则下采用角钢等效模拟球扁钢类型的扶强材,模型采用矩形板单元建立,最小单元尺度约为t ×t(t为板厚),最大单元尺度约为0.1m×0.1m,该局部结构模型由大约80 000个板单元构成。

3.2 波浪载荷

使用SESAM软件Wadam模块,根据辐射—绕射理论计算平台在遭受最大横向撕裂力、最大横向扭矩及最大纵向剪切力时整体结构和局部典型节点受到的波浪载荷,并将所得波浪载荷分别传递到平台整体结构有限元模型和典型节点局部结构有限元模型。平台结构受到的静水力载荷和波浪载荷,在计算过程中要分步计算并传递给结构模型;结构计算时要分别针对静水工况和波浪载荷工况进行有限元分析,最后进行应力组合,确定结构应力水平。图5为整体结构受到的波浪载荷示意图,图6为局部结构受到的波浪载荷示意图。

3.3 载荷边界条件

在进行局部强度分析之前,首先要分析各危险载荷工况下目标平台整体结构强度,计算得到平台主体结构位移场,从而确定典型节点局部结构模型的载荷(位移)边界条件;随后用Submod模块将各载荷工况下由整体强度分析得到的边界条件逐一准确地传递给典型节点局部模型,结合由相应波浪载荷分析确定的节点结构波浪载荷即可准确地分析节点局部结构的应力分布及应力水平。

3.4 计算结果

用有限元方法对平台立柱与撑杆连接处典型节点的应力分布情况进行研究。首先分析拖航状态、作业状态、生存状态下,当波浪入射方向为 90°、120°、135°,即目标平台受到最大横向撕裂力、最大横向扭矩、最大纵向剪切力作用时平台的整体强度,确定立柱与撑杆连接处节点模型相应工况的载荷边界条件,然后根据载荷边界条件和节点波浪载荷分析相应工况下节点的强度。图7为平台整体结构波浪入射方向示意图。

图7 平台整体结构波浪入射方向示意图

图8为生存状态下波浪入射方向为90°(即目标平台受到最大横向撕裂力作用)时节点局部结构的应力云图,最大应力出现在结构扶强材肘板连接处,为291.0MPa。设计中,立柱与撑杆连接处局部结构采用EQ36钢材建造,其屈服强度为355.0MPa,根据ABS-MODU规范,结构在波浪载荷条件下许用应力系数取1.11,该种钢材许用应力为 320.0 MPa。计算结果表明,该状态下结构最大应力低于材料许用应力,平台遭受最大横向撕裂力时,立柱与撑杆连接处节点强度满足规范[9-10]要求。

图8 生存状态下波浪入射方向为90°时节点局部结构等效应力云图

图9为生存状态下波浪入射方向为120°(即目标平台受到最大横向扭矩作用)时节点局部结构的应力云图,最大应力出现在立柱与撑杆连接处肘板应力集中位置,为517.4MPa。根据中国船级社《钢制海船入级规范》规定,对该处0.2m×0.2m区域内所包含的所有单元应力进行平均[9],得到的平均应力为315.5MPa,低于该典型节点钢材的许用应力320.0MPa;同时,除该立柱与撑杆连接处肘板应力集中位置外,其余结构应力水平均低于320.0 MPa。因此,在平台遭受最大横向扭矩时立柱与撑杆连接处节点强度满足规范[9-10]要求。

图10为生存状态下波浪入射方向为135°(即目标平台受到最大纵向剪切力作用)时节点局部结构的应力云图,最大应力出现在立柱与撑杆连接处肘板应力集中位置,为512.6MPa。同上所述,对该处0.2m×0.2m区域内单元应力进行平均,得到的平均应力为316.7MPa,低于该典型节点钢材许用应力320.0MPa;同时,除立柱和撑杆连接处肘板应力集中位置外,其余结构应力水平均低于320.0MPa。因此,在平台遭受最大纵向剪切力时,立柱与撑杆连接处节点强度也满足规范[9-10]要求。

同样,对作业状态、拖航状态下平台立柱与撑杆连接处节点局部结构的应力水平也进行了分析,结果见表3。

由表3计算结果可知,在作业状态和拖航状态下节点结构应力水平低于钢材许用应力 320.0 MPa,因此结构强度满足规范[9-10]要求。

表3 作业、拖航状态下平台立柱与撑杆连接处节点局部结构应力水平

4 结论

本文开展深水半潜式钻井平台结构连接典型节点强度研究,解决了平台典型连接节点的分析技术问题,建立了一套基于SESAM软件的典型节点强度分析流程,并成功应用于深水半潜式钻井平台典型节点强度分析,证实了目标平台立柱与撑杆典型连接节点强度满足规范要求,得到如下结论:

(1)基于SESAM软件的半潜平台典型节点强度分析方法程序简单,可操作性强,可方便地应用于浮式平台局部结构分析。

(2)各种危险波浪工况下的强度分析表明,目标平台立柱与撑杆连接处典型节点强度满足规范要求,设计合理可行。

(3)通过对目标平台典型节点的分析认为,目标平台遭受斜浪时,立柱与撑杆连接处典型节点结构应力水平较高。由此,平台作业时应尽量避免斜浪方向,这将有利于目标平台典型节点结构的安全。

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(编辑:张金棣)

Abstract:The local strength analysis method for typical joints of deepwater semi-submersible rig is proposed based on SESAM software.Firstly,critical wave load is calculated for the platform.Then the global strength of platform under the critical wave load is analyzed,so the load boundary of model for column/brace joints is determined.Finally,the local strength of typical joint is calculated based on the load boundary and wave load of the typical joints. The analysisresultsshow that structural strength of the typical joint satisfies the rule requirements.

Key words:deepwater semi-submersible rig;typical joint;global strength;local strength;load boundary.

Local strength analysis for typical joints of deepwater semi-submersible rig

Xie Wenhui Xie Bin
(Deepwater Engineering Key L ab,CNOOC Research institute,Beijing,100027)

2010-01-11 改回日期:2010-04-09

＊国家高技术研究发展计划(863计划)经费资助项目“3 000米水深半潜式钻井平台关键技术研究”(2006AA09A103)部分研究成果。

谢文会,男,2007年毕业于天津大学船舶与海洋工程专业,获博士学位,现主要从事海洋工程结构设计及设计理论研究。地址:北京市东城区东直门外小街6号海油大厦(邮编:100027)。