北海恶劣海况下半潜钻井平台总体屈服及屈曲强度分析

郭勤静，李 磊，陈书敏，李德江

(中集海洋工程研究院，山东烟台264000)

北海恶劣海况下半潜钻井平台总体屈服及屈曲强度分析

郭勤静，李 磊，陈书敏，李德江

(中集海洋工程研究院，山东烟台264000)

针对在北极及北极圈极寒恶劣海域工作的半潜式钻井平台总体强度问题,利用DNV专业软件SESAM对国内首座入级DNV船级社的自主研发基础设计项目——半潜式钻井平台进行总体强度分析。计算结果表明:平台总体强度情况满足要求,需要对局部连接处进行细化分析,根据强度利用率认为局部结构可以进一步优化。

半潜钻井平台;维京龙;SESAM;总体强度分析;强度利用率;结构优化

北海及北极圈海域极寒气候和恶劣海况对海工装备的性能要求苛刻,在这种海况下工作的半潜式钻井平台的整体结构强度就显得极为重要。平台在总体强度分析通过船级社审核后才可以进行其他的设计建造工作,因此,其总体强度分析成为半潜平台基础设计与送审过程中的重要技术内容［1］。文中就国内首例自主研发并入级DNV的半潜钻井平台,采用DNV船级社开发的专业设计分析软件SESAM进行总体强度分析。

1 半潜式钻井平台简介

半潜式钻井平台North Drangon(维京龙)采用GM4-D设计,基础设计由Global Maritime与烟台中集来福士海洋工程有限公司共同承担,后者负责所有基础设计图纸及总体分析报告的完成及送审DNV,完成全部详细设计和生产设计,并基于设计建造经验,对该平台进行升级优化。North Dragon满足冰区拖航要求,可在北极圈附近海域作业,能够抵御北海百年一遇的风暴。

North Dragon最大工作水深500 m,最大钻井深度8 000 m,服务温度-25℃,满足冰级要求。

该平台的主要结构尺度见表1。

表1 平台主尺度 m

该平台配置DP3动力定位系统和8点系泊系统,满足挪威海事局(NMD)要求和挪威海上工业标准(NORSOK),入级挪威船级社(DNV)。North Dragon是国内首次由承建方总包建造并自主设计的半潜式钻井平台项目。

2 总体有限元模型

采用SESAM进行总体强度分析计算,通常需要准备总体质量模型和莫里森模型［2］。

2.1 总体质量模型

总体质量模型是一个板梁结组合的模型,主要的板结构以壳单元模拟,而一般的筋、框架面板、环形筋及甲板上小的型材等用梁单元模拟,梁单元等效考虑其轴向及弯曲刚度,以非偏心梁的方式考虑。平台刚度分布情况见图1。采用SESAM软件GENIE建模模块多人协作建模方法完成的总体质量模型,见图2。在总体有限元模型中经过加载(主要是永久载荷)、调平(由于模型简化带来的质量分布不均衡)后计算总体质量矩阵。

2.2 莫里森模型

为保证水动力载荷顺利传递到总体分析模型上,需要创建与水动力计算相同的湿表面及莫里森模型。莫里森模型将以超节点方式在总体质量模型中横撑上设置相同的超节点,对莫里森梁模型属性材质进行一定设置,用以保证莫里森模型能够完全将水动力载荷传递到平台总体模型上。自存工况下创建的莫里森模型见图3,总体质量模型中对应莫里森模型的横撑中超节点设置见图4,湿表面模型见图5,边界条件见图6。

图1 半潜平台刚度分布

图2 半潜平台总体有限元模型

图3 自存工况下的莫里森模型

3 平台所受载荷及计算方法

作用于平台结构上的各种载荷可分为:永久载荷、可变载荷、环境载荷、意外载荷和变形载荷等［3］。在对平台进行总体强度评估时只考虑永久载荷和环境载荷。永久载荷总体上包括钢结构自身重量、各种设备重量和压载舱压载重量等。环境载荷主要包括由于波浪和流产生的水动力荷载、惯性力、风载荷以及雪冰等。由于风和流的载荷相对于波浪载荷对平台的影响很小,因此波浪载荷是所有环境载荷中对平台结构影响最为显著的也是主要考虑的载荷。通常选择百年一遇的波浪进行波浪载荷分析,采用设计波法完成波浪载荷的分析计算,并确定产生最大波浪诱导载荷的波浪高度、周期和相位等特征要素,自存工况下典型设计波的具体情况见表2。

图4 总体质量模型中横撑超节点设置

图5 半潜平台湿表面

图6 边界条件

4 总体强度分析计算及校核

4.1 总体屈服屈曲强度校核准则

平台总体强度分析主要包括总体屈服强度、总体屈曲强度和总体疲劳强度分析,其实际计算过程主要是通过船级社专业的计算包或者自行开发的后处理程序批量处理计算完成整个后处理计算校核。对于入级DNV船级社的平台来说,一般屈服屈曲强度校核主要根据DNV规范规定。针对板壳结构,总体屈服屈曲强度校核准则如下［4-5］。

表2 风暴自存工况下的典型设计波

1)总体屈服强度校核准则。

式中:σx,Sd,σy,Sd,τSd——总体单元应力分量;

σj,Sd——Von-Mises应力;

σj——材料许用屈服应力(对于常用材料, σj=355 MPa)。

考虑材料系数1.15,许用屈服应力校核为σj,Sd≤σj/1.15=355 MPa/1.15=309 MPa。

2)总体屈曲强度校核准则。相关经验表明,对于以板格为屈曲校核对象时,极限强度状态下是必须要校核的,并且在极限强度满足的情况下,一定的屈曲是允许的。

非加筋板(unstiffened plate)屈曲校核根据如下公式。

式中:σx,Rd,σy,Rd,τRd——板格纵向、横向单轴向力下的极限强度、边缘剪切下的极限强度;

Ci——强度作用系数。

加筋板(stiffened plate)屈曲校核根据侧向压力在板一侧还是筋一侧分布满足如下公式。

侧向压力在板侧:

侧向压力在筋侧:

4.2 总体屈服屈曲强度计算校核及结果分析

总体质量模型完成以后,对模型进行网格划分,划分的网格尽量均匀规则,根据DNV规范规定的边界加载方式,即3-2-1的边界加载方式。针对不同的工况进行加载,采用LRFD方法,在SESTRA计算模块完成总体强度的计算,在XTRACT结果后处理模块中,考虑静态系数与环境载荷动态系数见表3。

表3 LRFD方法下的载荷系数

进行各种工况的组合叠加及应力搜索,得到Survival,Operation工况下总体强度结果见图7。根据DNV规范RP-C103关于总体屈服屈曲后处理规定［6］,需要叠加总体强度分析结果与局部分析结果(框架强度分析)采用PULS表格完成总体屈服及屈曲校核。

图7 总体屈服强度ULS自存及操作工况

图7两种工况下的屈服强度结果表明,平台的总体强度基本满足规范要求,在局部连接处存在应力水平偏高的情况,特别是连接处的内侧,包括立柱与甲板的连接处,立柱浮筒与横撑的连接处,这主要是由于各斜浪工况下产生的转矩及分离力对整个平台造成的影响,而针对这几个局部连接处,需要进行细化分析,用子模型的方法进行细部强度包括屈服及疲劳强度分析计算,对细部的结构进行加强。同时,根据强度结果,通过设置许用强度值,可以考察整体结构的强度有效利用率,根据整体应力传递趋势及强度有效利用率,进行部分结构的后续优化设计,降低板厚或者减小型材尺寸等,达到结构优化及减重的目的［7-8］。

5 结论

1)采用SESAM有限元分析软件对半潜式平台进行的总体屈服屈曲强度分析方法正确,结果合理,平台结构总体屈服屈曲强度满足船级社的要求。

2)该平台上船体连接处内侧部分、下船体立柱与浮筒和横撑部分屈服强度较差,这与规范及结构力学所揭示的原理一致,由于半潜平台的分离力及转矩等不同受力的影响,容易导致平台抗扭强度较差,证明连接处是平台总体强度分析的关键位置,需要后续进行连接处的屈服屈曲子模型分析计算,进行局部结构加强。

3)总体分析前处理过程中的模型处理方法与之前项目的处理方式有所不同,但都可以得出合理的结果,对于利用SESAM软件进行前处理的方法还需要研究细化,对于总体强度结构中强度利用率较低区域的结构考虑适当降低板厚和型材尺寸进行优化设计。

4)根据总体结构的强度利用率,对平台整体刚度配置优化,并优化船型,设计系列化船型。

5)通过本次实际项目的使用以及在此基础上进一步地结构优化及减重,陆续改进,设计出半潜平台的船型GM4D-2#,GM4D-3#,逐渐形成了系列化深水半潜钻井平台项目,为国内进行北海恶劣海况下深水半潜钻井平台的研究和建造积累了经验。

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

［2］挪威船级社.SESAM用户手册［S］.2011.

［3］挪威船级社.DNV RP-C103 Column-stabilized units［S］.2012.

［4］挪威船级社.DNV RP-C201 Column-stabilized units［S］.2012.

［5］美国船级社.ABSRules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit［S］.2008.

［6］挪威船级社.DNV OS-C101 Offshore Steel Structures, General(LRFD Method)［S］.2012.

［7］高学静.自升式钻井平台中钻台结构强度分析研究［J］.船海工程,2013(6):174-176.

［8］张本伟,杨清峡,梁园华.半潜钻井平台动力定位与锚泊混合定位控制能力分析方法研究［J］.船海工程,2013(6):146-149.

Research on Global Strength and Buckling Analysis of the Semi-submersible Drilling Rig

GUO Qin-jing,LI Lei,CHEN Shu-m in,LIDe-jiang
(Research Department,CIMC Offshore Engineering Institute Ltd.,Yantai Shandong 264000,China)

The global strength plays an important role for the safety of the semisubmersible drilling rig.The global strength analysis of the North Dragon semi-submersible drilling rig servicing on northern sea and nearby,which is the first basic design project that carried out by Yantai CIMC Raffles,is processed strictly by SESAM software.The numerical results prove that the global and buckling strength ofmost of the platform structuralmembers can fulfill the requirements except for some local connection areas;and structural optimization and weight reduction could be carried out according to the global strength result.

semi-submersible drilling rig;SESAM;global strength analysis;strength utilization ratio;structural optimization

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.025

U674.38

A

1671-7953(2015)03-0105-05

2014-10-24

修回日期:2014-12-29

泰山学者蓝色产业领军专家专项

郭勤静(1982-),男,硕士,工程师

研究方向:海洋平台总体结构设计与总体强度分析

E-mail:guoqinjing@hotmail.com