南海海域张力腿平台总体和局部结构强度分析

，，，，

(中海油研究总院，北京 100028)

南海海域张力腿平台总体和局部结构强度分析

冯加果，谢彬，王春升，谢文会，王世圣

(中海油研究总院，北京 100028)

参考国际海洋工程行业中TLP平台总体结构强度和局部结构强度分析的经验和工程做法，以某TLP为例完成总体结构和局部结构强度分析，验证该平台结构强度满足规范要求，但平台结构设计尚有一定优化空间。

张力腿平台；结构强度分析；荷载施加；有限元

张力腿平台(tension leg platform，TLP)是我国南海深水油气开发所倚重的重要平台型式之一[1-2]，其结构强度分析是确保平台在役期间安全运营的重要环节，通过强度分析可以确定危险工况及平台结构在相应海况环境下的响应，还可以有针对性地捕捉结构设计中的关键节点和部位，为下一步的详细设计、建造、特检等提供指导[3-5]。我国海域目前尚没有使用TLP平台，需要借鉴国际海洋工程行业积累的经验，因此，考虑基于某潜在的TLP工程项目，介绍国际海洋工程界对TLP平台结构强度分析的经验做法，同时对总体结构强度和局部结构进行了分析和探讨，总结TLP平台局部结构分析的难点、重点。

1 TLP总体结构强度分析方法

根据TLP的总体尺度规划和结构尺度规划设计结果，建立TLP整体结构的ANSYS有限元模型，并根据重量控制报告检查重量、重心等信息，确保TLP的整体结构模型的几何信息、重量信息等与设计值一致，其中TLP总体结构强度分析中的水动力载荷采用设计波方法提供，下船体的结构强度分析流程图见图1。

图1 下船体结构强度分析流程图

1.1 工况及环境条件要求

根据《API-RP-2T》(2010版)[6]的推荐做法，TLP平台强度分析考虑如下环境条件及工况。

操作工况：1年一遇台风环境条件。

极端工况：100年一遇台风环境条件。

生存工况：1 000年一遇台风环境条件。

根据《ABS MODU》规范[7]的规定，平台在操作工况、极端工况和生存工况下，需要针对以下典型工况获取总体结构强度分析的设计波。

1)下船体间最大横向撕裂力。

2)关于平台水平横向轴的最大横向转矩。

3)2下船体之间的最大纵向剪切力。

4)下船体最大垂向弯矩。

5)最大纵向甲板惯性力。

6)最大横向甲板惯性力。

设计波流程及方法参见《ABS MODU规范》[7]。

1.2 校核标准

TLP总体结构强度分析的校核标准参考ABS MODU规范[7]，各工况安全系数如表1所示。

1.3 荷载施加

根据《API-RP-2T》(2010版)[6]和业界做法，TLP总体结构强度分析中需要考虑静荷载和动荷载，其中静荷载包括静水压、立管预张力、张力腿预张力、重力、偏移和沉降引起的静水压、风荷载，动荷载包括水动力荷载、惯性力、波浪爬升动水压荷载等。有以下几点需要注意。

表1 各工况安全系数表

1)为了考虑立管和张力腿的动力效应引起的TLP平台结构荷载响应的影响，在施加立管预张力和张力腿预张力中，考虑将张力腿和立管干重的1/3作为质量考虑到结构模型中。

2)在wamit计算提供的波浪力中未考虑波浪爬升引起的波浪力，因此在结构模型中单独考虑波浪爬升动水压荷载，国外业界取值为：从浮箱以上到水线面的立柱波浪力的10%～14%。

3)虽然根据DNV-RP-C103 COLUMN STABILISED UNITS[8]的建议，在柱稳性平台的总体结构强度分析中可以忽略风力和流力，但《API-RP-2T》(2010版)[6]建议在TLP总体结构强度分析中采用1 h平均风速来考虑风荷载。

1.4 边界条件

与其他类型的平台不同，TLP总体结构强度分析中的边界条件需要考虑张力腿和立管(TTR)刚度的影响，采用弹簧单元在X,Y,Z方向上模拟边界条件，弹簧刚度采用下列公式。

Kz=EA/L

(1)

Kx=Ky=T/L

(2)

式中：Kz为轴向刚度；Kx为x方向水平刚度；Ky为y方向水平刚度；A为张力腿最小截面面积；L为张力腿长度；T为张力腿预张力；E为弹性模量。

2 TLP平台局部结构强度分析方法

完成TLP平台总体结构强度分析后，筛选出需要重点关注的局部结构，开展这些局部结构强度分析。局部结构强度分析采用ANSYS软件，其模型可以从总体结构模型中获取，也可以重新建立，但要求建立的结构模型更精细，尤其是比较关注的连接部位需要详细建模，大梁建议采用板单元模拟。一般情况下，在ANSYS中板单元采用shell181，梁单元采用beam188，其中张力腿固定结构Tendon Porch、立柱与上部模块连接结构Mating Post等需要采用铸造结构Casting的部位采用solid 285实体单元。在划分网格单元时，大部分网格可采用总体结构强度的网格密度，对于总体结构强度分析中应力较大的连接部位以及根据工程经验判断需要关注的部位，其附近的网格密度为4t～8t，t为板厚。局部结构强度分析模型中的边界远离关注的区域，在切面上的节点X，Y，Z3个方向固定约束即可。局部结构强度分析的校核标准与总体结构强度分析相同。

3 算例

根据前述方法，采用ANSYS软件进行某TLP平台的结构强度分析。建立的总体结构计算模型见图2，总体结构强度计算结果见表2。结论如下。

图2 某TLP平台下船体总体结构计算模型

1)船体的总体结构强度满足规范要求；

2)平台总体结构强度UC值大部分在0.4左右，部分在0.1左右，UC值较大部位见表2。从结果可以看出，该平台部分构件优化空间较大，比如立柱通道、立柱水平舱壁等。

3)该平台的控制工况是操作工况(1年一遇)，部分位置生存工况(1 000年一遇)的UC值较大，但与操作工况相差不大，最大UC值为0.71(对应最大应力170.7 MPa)，出现在1年一遇工况下的Mating Post结构。

4)对比各区域UC值可知，结构应力较大的区域主要有立柱与上部模块连接结构Mating Post、立柱与浮箱连接结构Node和张力腿固定结构Tendon Porch等，在局部结构强度分析中予以关注。

根据总体结构强度分析结果，重点针对Mating Post、Node和Tendon Porch 3个局部结构进行局部结构强度分析，这3个局部结构模型图分别如图3～5所示，局部结构强度分析结果分别见表3～5，从分析结果可以得到以下认识。

表2 某TLP平台下船体总体结构强度计算结果

图3 Mating Post局部结构模型

图4 Node局部结构模型

图5 Tendon Porch局部结构模型

1)Mating Post局部结构强度满足规范要求，控制工况为1年一遇操作工况，应力较大结构为Post及Post与立柱连接的过渡肘板，最大UC值为0.78。

2)Node局部结构强度满足规范要求，但有3处结构存在应力集中的热点应力，分别位于肘板末端，进一步分析发现这3处强度超过规范要求的结构不在浮箱与立柱连接的主要传力构件上，不会对立柱与浮箱连接局部关键连接位置的应力产生影响，只是由于这3块肘板引起应力集中，可通过修改肘板形状等方式予以改善。

3)Tendon Porch局部结构分析中，立柱内部的支撑结构以及Tendon Porch与立柱连接的结构均满足规范要求，但铸件以及铸件与立柱连接的大肘板上存在一些热点应力(如图6所示)，主要是由于连接的大肘板与铸件连接部位产生应力集中，考虑通过将连接部位也采用铸件Casting即可改善。总而言之，Tendon Porch局部结构强度薄弱位置为Casting以及Casting与立柱连接的大肘板，这是设计难点和重点，对平台安全非常关键，需要在详细设计中重点关注。另外，与其他局部结构分析工况不同，由于Tendon Porch局部结构的载荷受Tendon分析工况的影响，因此，除了所介绍的分析工况，Tendon Porch局部结构强度分析还需要考虑1根张力腿移除的相关组合工况。

图6 Tendon Porch局部结构中铸件和支撑的大肘板结构应力云图

表3 Mating Post局部结构强度分析模型

表4 Node局部结构强度分析结果

表5 Tendon Porch局部结构强度分析结果

4)比较3个局部位置的结构分析结果可以看出，Tendon Porch局部结构问题最严重，需要进行重新设计，说明该位置的结构设计是TLP结构设计中的重点和难点。

4 结论

1)分析结果表明该TLP平台总体结构强度满足规范要求，控制工况主要为一年一遇操作工况，1 000年一遇生存工况对总体结构设计影响较小，Mating Post、Node和Tendon Porch是局部结构设计和强度分析的重点。

2)鉴于该TLP平台总体结构强度分析中大部分UC值较小(0.4左右)，说明该平台结构有优化的空间，将UC值较小的构件适当减小尺寸，同时优化部分肘板的弧度或尺寸，将应力集中的能量适当释放。

3)从Tendon Porch局部结构分析结果表明，Tendon Porch结构的铸件以及铸件与立柱连接的大肘板存在较大的热点应力，该位置的结构需要进行重新设计，说明该位置的结构设计是TLP结构设计中的重点和难点，建议今后加强对这一位置的研究分析。

[1] “典型深水平台概念设计研究”课题组.张力腿平台安装分析[J].中国造船,2005,46(增刊):457-463.

[2] 谢彬,张爱霞,段梦兰.中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型[J].石油学报,2007,28(1):115-118.

[3] YANG Jiahui REN Michael, TLP hull structural design and analysis[J]. Engineering Sciences 2013,11(4):35-40.

[4] 姜哲,崔维成,李阳,等.张立腿平台浮箱框架结构强度分析方法研究[J].舰船科学技术，2016(10):56-61.

[5] 梁瑜.张力腿平台POST结构强度分析[J].船海工程，2016，45(1)：133-136.

[6] American Petroleum Institute. API-RP-2T-2010.Recommended practice for Planning, Design, and Constructing Tension Leg Platforms[S].API,2010.

[7] American Bureau of Shipping. ABS-MODU-2012. American Bureau of Shipping, “Rules for Building and Classing Mobile Offshore[S].ABS,2012.

[8] Det Norske Vertas. DNV-RP-C103. Column Stabilized Units[S].DNV,2012.

Structural Global and Local Strength Analysis of Tension Leg Platform in South China Sea

FENGJia-guo,XIEBin,WANGChun-sheng,XIEWen-hui,WANGShi-sheng

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

The experience and engineering practice of foreign industries for the global and local structure strength analysis of the TLP platform was studied. The global structural strength and local structure strength of a certain TLP was assessed. The results showed that the structural strength of the platform can meet the code requirements, but the platform structure design still has some optimization space.

tension leg platform (TLP); structural strength assessment; loading; FEM

U674.38;U661.43

A

1671-7953(2017)05-0170-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.044

2017-02-27

修回日期：2017-03-22

国家973计划(2015CB251203)

冯加果(1985—)，男，硕士，高级工程师

研究方向：海洋工程浮式平台