某400 ft自升式钻井平台主船体结构强度分析

杨 勇，曾 骥，袁洪涛

(上海外高桥造船海洋工程设计有限公司，上海 200137)

某400 ft自升式钻井平台主船体结构强度分析

杨 勇，曾 骥，袁洪涛

(上海外高桥造船海洋工程设计有限公司，上海 200137)

考虑到某400 ft自升式钻井平台在水深91.4 m作业工况下固有周期与波浪周期相近，动态放大因子较大，作业工况下悬臂梁-钻台系统具有最大工作载荷，针对该工况分析主船体结构强度，介绍主船体强度分析中模型建立和载荷施加的注意点与细节处理，确定主船体高应力区域，为自升式钻井平台的主船体结构设计和强度校核提供参考。

自升式钻井平台；主船体；模型建立；载荷施加；结构强度；有限元方法

某400 ft(121.92 m)自升式钻井平台在作业水深91.4 m的作业工况下其平台周期会与工作海域的波浪周期遭遇,导致动力放大系数很高。因此，以该工况为例，利用有限元软件MSC Patran/Nastran，参照ABS MODU规范对主船体进行结构强度分析与校核，重点是主船体结构强度分析方法与关键点的讨论。

1 有限元模型

1.1 模型概述

总体坐标系以指向船艏为+X方向，指向左舷为+Y方向，垂直向上为+Z方向。目标平台为独立三桁架桩腿式平台，平台主船体为三角形箱型结构，型长70 m，型宽68 m，型深9.5 m。主船体结构较为复杂，采用空间板梁组合结构进行建模，板结构采用板壳单元模拟，骨材与加强筋采用梁单元模拟，大的型材采用板壳单元与梁单元共同模拟。建模中对于大的开孔，需将相应位置处的单元进行删除并模拟开孔形状，忽略小的开孔[1]。鉴于有限元模型仅仅是针对结构进行建模，与平台实际情况有一定区别，重量与重心位置与实际情况不可能完全一致，因此需要采用加载质量点或是集中质量的方式来调节模型的重量与重心，使其与装载计算书相一致，并且应该注意质量单元的质量设置尽量不要超过500 kg。主船体结构采用ABS AH36级钢，其屈服强度为355 MPa。平台整体及主船体有限元模型见图1。

1.2 边界条件及桩腿与主船体的连接

边界条件采用海底泥面3 m以下铰支约束，该约束方式偏于保守，因为实际海底对于桩腿具有转动约束作用，这一作用会减少桩腿与主船体连接处的弯矩值。平台桩腿与主船体的连接接触主要存在于锁紧装置和上、下导向装置处，可采用MPC多点约束进行模拟，锁紧装置处约束为位移相同，上、下导向处约束为水平位移相同[2-3]。

2 载荷分析

2.1 固定载荷

固定载荷主要包括平台自重和设备重量，可参考装载计算书和重量控制报告。在结构有限元模型中，虽然对主船体进行实际建模可以最大程度准确反映其结构自重，但是对于舾装件、管系等的重量无法确定，因此还需利用质量点单元对模型进行重量与重心调节，以达到与装载计算书相一致的结果。自升式钻井平台上设备众多，不可能将所有设备均进行考虑，对于重量不足1 t的设备可以忽略其影响，其余设备通过MPC方式施加到有限元模型中。

2.2 可变载荷、组合载荷与压载水载荷

这三种载荷均可以在装载计算书中进行查询，参考其提供的重量与重心位置，根据载荷性质选择合理的方式进行加载。可变载荷主要包括储藏室、液态舱室(包括泥浆舱、燃油舱等，仅具有压载水功用的液态舱室除外)以及人员影响。组合载荷主要是指平台作业相关载荷，包括大钩载荷、转盘载荷及钻台载荷，等。压载水载荷指压载水舱存放压载水所产生的重量和水压。对于液态舱室，在考虑其重量的基础上，还需考虑水压对舱室的影响。也可以将组合载荷和压载水一并计入可变载荷之内[4]。

2.3 惯性载荷

惯性载荷通过对自升式平台进行波浪作用下的动态响应分析得到，主要方法包括时域分析、频域分析和单自由度法。时域分析与频域分析耗时长、较为复杂，单自由度法相对简单，建议使用该方法进行惯性载荷的计算[5]。在单自由度法中，动态放大因子fDAF为[6]

(1)

式中：Ω——自升式平台一阶固有周期与波浪周期比值；

ζ——阻尼比，取为0.07。

利用SESAM/GeniE软件对该平台进行固有周期计算,一阶固有振型图(横荡)见图2a)，一阶固有周期为12.263 s，与该工况下波浪周期13 s十分接近。对于作业工况其他水深和风暴自存工况，固有周期与波浪周期相距较远，以91.4 m水深风暴自存工况为例，该工况下平台一阶固有周期为11.255 s，与该工况下16 s的波浪周期相差较大，产生共振响应的概率很小，具体结果见图2b)。

在得到动态放大因子后，惯性载荷FI为[6]

(2)

式中：Fw·a=0.5×(最大波浪与流载荷-最小波浪与流载荷)。

将利用式(2)所求得的惯性载荷以集中力的形式施加在有限元模型的船体质心处。

2.4 波浪载荷与流载荷

波浪载荷与流载荷作用在桩腿上，对于该类小尺度构件(构件截面特征尺度/波长≤0.2)，同时其为波浪和流作用下的固定结构物(考虑自升式钻井平台为站桩情况)，利用莫里森方程进行载荷计算[7]。

(3)

式中：ρ——海水密度；CD——拖曳力系数；CM——惯性力系数；D——构件截面直径；A——构件截面面积；V——垂直于构件轴向方向的水质点(考虑波速和流速)速度。

实际计算中，将波浪方向与海流方向考虑为一致，将计算出来的载荷以集中力的形式加载到相应桩腿的单元节点上[8]。

2.5 风载荷

风载荷主要作用在主船体及其上层建筑上，由于粘性作用，风速随着与海平面距离的升高而增大，一些规范以速度分布的形式进行风载荷计算，参考文献[9]则根据高度系数来进行风速区分，这种离散式的处理方式较为方便，较多地被工程设计人员所采用，风压pw和风力Fw为

pw=0.611V2CHCS

(4)

Fw=pwA

(5)

式中： V——风速； GH——高度系数； CS——形状系数； A——受风构件的正投影面积。

风载荷的施加方式主要有两种，较为传统的方式是将风载荷以压力的形式直接施加在主船体表面，对于主船体之上的上层建筑，例如，生活楼、井架等，由于没有必要进行详细建模，可以根据其受风面积和风速计算出风力载荷，以力的形式施加于其等效质量点上[10]。文献[11]认为风载荷的变化对主船体强度的影响不大。

2.6P-Δ效应

自升式钻井平台在外部环境载荷的作用下产生侧向位移，平台自身重力将对桩腿产生附加弯矩作用。P-Δ效应按下式计算。

(6)

式中：δs——主船体一阶线弹性侧向位移；P——桩腿平均受压载荷；PE——整个桩腿弹性临界力。

二次弯矩M和等效二次力F分别为

(7)

(8)

式中：H——海底面与主船体半高处的垂直距离。

计算得到等效二次力之后，以力的形式施加于主船体型深半高位置高度上的水平面形心上，并通过MPC的方式关联到该平面的节点上。

2.7 模型载荷施加

根据2.1～2.6所述，进行载荷的计算与施加。该工况下所有载荷施加于模型,见图3。

图3 载荷施加

3 结果与讨论

3.1 计算结果

主船体结构最大应力为302 MPa，小于许用应力320 MPa(屈服应力355 MPa)，该共振工况下屈服强度满足要求，但是UC值达到0.944，对于大应力区域还是应该进行加强。

主船体的整体应力分布见图4。

图4 整体应力分布

3.2 结果讨论

应力相对较大区域是悬臂梁底座下主船体结构(见图5)、后部两桩腿围阱之间横舱壁以及相连接主要纵舱壁(见图6)。

图5 悬臂梁底座下部局部应力

图6 后部两桩腿围阱之间主舱壁局部应力

对于以上区域在结构设计中应重点关注，并做出适当加强。悬臂梁处于最大伸出状态，并且其自身包括钻台、井架在内的结构重量很大，工作载荷也较高，因此导致其底座下主船体结构应力较大；后部两桩腿围阱之间的横舱壁和纵舱壁是主要传力构件，对平台的抗倾性能较为重要，因此该横、纵舱壁连接部位应力也较高。

应力集中区域是围阱区域板与板连接角隅处(见图7)、泥浆舱底部板与板连接角隅处(见图8)，在这些位置需设立肘板，以减少应力集中。围阱区域受到力的传递的影响加之其结构特征，部分区域应力集中；泥浆舱中所装载的泥浆密度较大，并且加上近乎满载，因此底部压力较大。

图7 围阱区域连接角隅处局部应力

图8 泥浆舱底部连接角隅处局部应力

4 结论

1)该工况下，虽然平台周期与波浪周期遭遇，产生共振响应，同时，悬臂梁处于最大伸出位置并有最大工作载荷，但在该工况下主船体结构强度满足规范要求。

2)结构设计重点注意区域是悬臂梁底座下主船体结构，后部两桩腿围阱之间横舱壁以及相连接主要纵舱壁，围阱区域板与板连接角隅处以及泥浆舱底部板与板连接角隅处。

[1] 赵开龙，张大伟，姚志广.自升式平台主船体结构强度有限元分析[J].中国造船，2009，50(S)：250-254.

[2] 林钟明，陈瑞峰，姚艳萍.自升式平台的结构强度分析[J].中国造船，2005，46(S)：308-313.

[3] 杨曙光.自升式平台强度评估若干问题研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[4] 李红涛,李晔.自升式钻井平台结构强度分析研究[J].中国海洋平台，2010，25(2)：28-33.

[5] 李红涛.自升式移动平台结构动力响应研究[J].中国海洋平台，2011，26(3)：12-16.

[6] ABS.Guide nodes on dynamic analysis procedure for self-elevating units [S].ABS，2014.

[7] DNV.Environmental Conditions and Environmental Loads[S].DNV，2014.

[8] 冯国庆,李晓宇,于 昊,等.300 ft 自升式平台极限工况强度评估[J].船海工程，2011，40(5)：160-163.

[9] ABS.Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S].ABS，2014.

[10] 黄 一，栾林昌，张 崎.自升式平台主船体结构强度分析[J].船海工程，2011，40(6)：125-128.

[11] 徐兴平，畅元江.胜利九号钻井平台结构强度计算[J].中国海洋平台，2005，20(5)：39-41.

Structural strength analysis of a 400 ft self-elevating drilling unit main hull

YANG Yong, ZENG Ji, YUAN Hong-Tao

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding and Offshore Engineering Design Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

The natural period of the 400 ft self-elevating drilling unit in operational condition with 91.4 m water depth is close to the wave period which leads to a high dynamic amplification factor, and the combined loading of cantilever-drill floor system is maximum in the operation condition. The structural strength of the main hull in this load case is analyzed by FEM. The key points of modeling and loads applying methods in structural strength analysis of the main hull are studied in detail. The high-stress areas are found and it provides reference for the structural design and strength assessment of the main hull.

self-elevating drilling unit; main hull; modeling; applied loads; structural strength; finite element method

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.032

2015-07-06

杨 勇(1988-)，男，硕士，助理工程师

P751，U674.38

A

1671-7953(2015)06 -0137-04

修回日期：2015-07-31

研究方向:海洋工程水动力与结构强度

E-mail: yycjx19881030@126.com