超深水钻井船月池舱段结构总体强度分析

(中远海运重工有限公司， 辽宁 大连 116600)

0 引 言

随着海洋钻井和开发技术的不断进步，探明程度还很低的深水海域将是未来油气开发新的增长点。与半潜式钻井平台相比，钻井船在超深水作业海域和更深钻井深度方面拥有较明显的优势，除了甲板面积和可变载荷大、储油能力强的特点外，还附带一定的试采和处理功能，可以在钻完勘探井后直接对油田进行精确分析，在为采油公司提供有力资料的同时缩短工期并节约运营成本。因此，研发设计新一代兼具试采、储存和处理能力的超深水钻井船，具有很强的市场竞争力，有利于占领新一代海洋工程装备市场先机，符合《中国制造2025》发展新兴高端装备制造业战略[1-4]。

月池舱段甲板安装钻台和钻井模块，下部敞开与海水贯通，沉重的甲板载荷和大开口结构对整船总纵强度和局部强度都有恶劣影响[5-6]。因此，保证月池区域结构的安全性是整船实现作业功能的基本保障和关键所在。

利用美国船级社软件Drillship 2.0对某新型钻井船的工字型月池区域结构进行强度计算，分析结果并进行相应的优化和改进。

1 船型参数与有限元模型

1.1 船型参数

新一代超深水钻井船具有双井架和双防喷器，DPS 3动力定位功能，最大钻井深度为15 500 m，最大作业水深为3 660 m，可以在中国南海、北非等多海域作业，兼具试采、储存和处理能力。主尺度参数如表1所示。为保证钻井船整体紧凑性和降低重心，便于双防喷器和采油树的布置和作业，月池甲板采用工字型开孔。钻井模块支撑结构位置如图1所示。

表1 超深水钻井船主尺度参数

图1 月池舱段甲板布置图

1.2 有限元模型的简化模拟

工字型月池大开孔几乎跨越整个舱段，钻井模块的质量大而且重心高，3个舱段模型包含整个月池舱段、与之相邻的泥浆舱段和隔水管舱段，以及艏艉舱段端部的横舱壁结构，模型范围如图2所示，其中整个钻井模块支撑结构位于月池区域正上方。Drillship 2.0 整合Femap作为其前后处理软件，Nastran作为求解器。使用Femap软件进行结构有限元建模，建模过程应遵循以下原则：

(1) 构件的厚度为扣除腐蚀裕量后的净厚度。若板厚采取构件的建造厚度，则在后处理过程中，需要对应力进行线性转换[7]。Drillship 2.0软件同时支持两种板厚的模型进行总体强度计算，所以应用建造厚度进行建模。

(2) 板单元边长比不能超过3，对于高应力区，板单元边长比应接近1。

图2 月池舱段有限元模型

(3) 坐标系：x轴为沿船长方向，艏向为正；y轴为沿垂直方向，向上为正;z轴为沿船宽方向，右舷为正。

月池区域结构均使用高强钢，最小屈服强度为3 600 kg/cm2(约355 MPa)。3个舱段有限元模型如图2所示。模型端部施加刚体位移约束，由模型艉向端面关联纵向构件x方向线位移约束、两个端面横向构件的z方向弹簧约束和两个端面垂向构件的y方向弹簧约束构成。调节弯矩分别施加在两个端面的关联纵向构件上[8]。

2 载荷与工况

2.1 载荷

结合载荷的作用对象和相对位置，将载荷分为3类：内部载荷、外部载荷和船体梁载荷。其中，船体梁载荷包含垂向总剪力和总弯矩(波浪和静水)、水平波浪剪力和波浪弯矩，根据以下公式得到：

Mv-total=Msw+kukcβVBMMwv

(1)

Fv-total=Fsw+kukcβVSFFwv

(2)

MHE=kukcβHBMMH

(3)

FHE=kukcβHSFFH

(4)

式(1)～式(4)中：Mv-total、MHE、Fv-total、FHE分别为垂向总弯矩、水平弯矩、垂向总剪力和水平剪力；Mwv、Msw分别为垂向波浪弯矩和静水弯矩；Fwv、Fsw分别为垂向波浪剪力和静水剪力；MH、FH分别为水平波浪弯矩和剪力；ku=1为载荷因数；kc为不同组合工况中船体梁载荷的修正因数[8]；βVBM、βVSF、βHBM、βHSF分别为作业海域相对于北大西洋海域关于垂向波浪弯矩、垂向波浪剪力、水平波浪弯矩和水平波浪剪力的环境烈度因子[9]。 其中，Msw、Fsw取自装载手册，考虑到钻井船设备数量和种类繁多、质量控制复杂等因素，增加一定裕量。

在Drillship 2.0软件中，使用SEAS模块指定钻井船作业海域的波浪环境，通过相应的环境烈度因子计算船体运动的加速度、幅值、波浪弯矩、外部压力、波浪剪力、相对波面升高等载荷数据。根据不同舱室定义加载内部载荷，结合舱室信息和构件类型扣除结构腐蚀裕量，对不同构件类型使用归一化强度因子进行强度评估[8]。

2.2 计算工况

新一代超深水钻井船区别于常规钻井船的3种典型运营模式[10]，具有4种运营模式:航行、钻井、生产和风暴自存，其中生产模式包含试采、储油和处理作业。针对所有运营模式展开总体强度计算，装载工况至少包含以下类别：

(1) 包含最大静水垂向弯矩和剪力相对应的装载工况。对目标舱段，筛选中垂和中拱工况下绝对值最大的静水弯矩和剪力(区分正负)，得到对应的装载工况[8]。

(2) 静水舱压试验工况。每个舱在测试静水压头时邻近舱是空舱，吃水为1/3结构吃水。对于双层底中的舱，测试静水压头是舱顶加透气管高度与舱壁甲板高度中的大者；对于其他舱则为到透气管高度与高出舱顶2.4 m中的大者[8]。

月池舱段装载工况选择信息如表2所示。

表2 装载工况表

在总体强度分析中，不同的装载工况内，需针对不同目标控制载荷采用不同的载荷组合方式[7]。

3 计算结果与分析

3.1 计算结果

在月池舱段内结构强度校核结果通过屈服因子和屈曲因子来呈现，如表3所示，屈服和屈曲因子许用值为1。

表3 月池舱段结构计算结果

通过表3可以看出：水密平台和中纵舱壁利用率较低，这是因为该部分构件属于局部构件，基本不参与总纵强度；舷侧外板利用率偏低，这是为了弥补月池开孔对总纵强度的影响，对部分外板结构进行了较大的板厚增加；其他部位构件的使用率比较高，仍能满足规范要求。图3为横向强框屈曲因子云图以及纵向舱壁和水密构件的屈服因子云图。

图3 部分结构屈服屈曲因子云图

3.2 钻井模块的内力传递与加载模拟

钻井模块质量大而集中，其重心垂向坐标远高于船体的整体重心。由于船体的运动，钻井模块产生较大的惯性力，在设备商没有提供准确的基座支反力的情况下，如何真实准确地模拟钻井模块及其上部设备的载荷传递，对计算结果有较大影响。由于Drillship 2.0软件不能直接加载力和弯矩载荷，不考虑大钩载荷，将钻井模块质量分为立根和井架整体两个质量点单元，与支撑结构的连接采用两种不同的方式模拟并进行对比分析。加载一：通过Femap软件中的REB 3单元连接，能够加权分配并传递力和弯矩。加载二：利用刚性杆单元连接，只传递力不传递转动弯矩。两种加载方式如图4所示。

图4 钻井模块两种不同的加载方式

通过图5中的单元进行两种加载方式的应力对比，其中编号1为根部肘板细化区域，应力云图如图6所示，选取其中的最大值进行对比，其他应力值如表4所示。通过表4对比结果可以看出，两种加载方式对甲板结构基本没有影响，如节点8。对于钻井模块腿部支撑结构，加载一普遍比加载二的应力高，最高甚至达到29%，如节点6。其原因有两点：第一，钻井模块本身质量大、重心高，当船体处于横浪时横向加速度最大，钻井模块支撑结构处于最危险状态，由船体运动引起的惯性载荷在支撑结构中占主导；第二，立根通过指梁扶持垂直堆放于钻台上，在跟随船体运动时传递垂向载荷到钻台结构，水平方向的惯性力通过指梁传递到井架结构，相对钻台结构没有转动弯矩产生，加载一与实际作业相比增加了立根的转动弯矩，偏于保守，加载二则相对真实地模拟实际作业中的载荷传递，加载方式更合理，结果也比较准确。

图5 钻井模块支持结构局部模型 图 6 不同加载方式肘板细化模型最大应力云图对比图

项目节点编号12345678910应力/(kg·cm-2)加载一5 034.00827.99714.63993.011 722.101 905.401 388.001 511.901 274.601 167.00加载二4 209.00938.43542.90854.501 413.601 357.401 033.501 517.30965.611 150.00应力降低率0.16-0.130.240.140.180.290.2600.240.01

3.3 月池不规则大开孔对船体梁的宏观、局部影响

3.3.1 总纵强度及甲板结构

工字型月池开孔大幅减小了甲板横截面积，最大处减小67%，影响纵向构件的连续性，对船体梁总纵强度较为不利。通过局部增大甲板和舷侧外板的板厚进行弥补，为使其总纵强度满足规范要求，该区域甲板板厚超过其他区域甲板厚度的1～2倍。计算发现，自存工况下的中垂状态最危险：工字型开孔肩部角隅是高应力区(见图7)，存在明显的应力集中现象，这是由于开孔附近结构向开孔内有较大的相对变形，从而产生较高的压应力，并与总纵弯曲应力叠加；工字型开孔腹部角隅不承受总纵弯曲应力，端部允许自由变形，属于低应力区。对工字型开孔肩部角隅采用抛物线形状圆滑过渡，采用80 mm高强钢板进行嵌入补强，利用局部细化子模型进行计算，应力结果如图8所示，疲劳寿命最低为194年，均满足规范要求。

图7 月池区域甲板应力与变形图 图8 甲板艏部月池角隅细化模型最大应力云图

3.3.2 纵舱壁结构

工字型月池开孔导致左右舷距中7 m处各有一道纵舱壁结构在靠近主甲板端处不连续，在不连续的位置有局部应力集中，通过采用局部嵌入板的方式进行加强。艏部月池开孔与隔水管舱室之间的纵舱壁前后间断，甲板端产生较大的变形，纵舱壁结构承受较大的剪切应力，需整体增加板厚。该结构形式对强度不利，应尽量避免。加强方式如图9所示。

图9 月池开孔区域纵舱壁结构局部加强图

3.4 水密底纵桁结构

水密底纵桁结构的屈服强度和屈曲强度在初始阶段都不满足规范要求，主要是因为其结构在承受总纵弯曲应力的同时也承受板架弯曲、纵骨弯曲和板格弯曲应力。船体梁的中垂变形以及月池开孔对总纵强度的削弱导致该部分结构总纵弯曲应力偏高，占据总应力的2/3，再与局部弯曲应力叠加，易超出材料的许用范围。通过增加板厚提升其屈服强度，通过增加板厚或增加防屈曲加强筋提升屈曲强度。修改前后计算结果对比如图10所示。

图10 水密底纵桁结构修改前后屈服和屈曲强度因子对比图

4 结 论

(1) 钻井模块的不同加载方式对其支撑结构的响应有较大影响，局部区域两种加载方式的应力差高达29%。使用REB 3单元加载相对保守，可用于设计初期阶段，初步确定对钻台及其支撑结构的需求和可行性；使用刚性杆单元加载相对真实准确地模拟载荷传递的加载方式，可用于最终确定构件尺寸，能有效地避免偏于保守的过盈设计。

(2) 工字型月池大开孔大幅削弱了船体梁的甲板剖面模数和总纵强度，可以通过局部增加甲板板厚的方式进行弥补。开孔肩部角隅和其他因月池开孔导致的纵舱壁不连续区域会产生局部应力集中，可采用抛物线型圆滑过渡或局部嵌入板增加板厚的方法进行加强。

(3) 水密底纵桁结构屈服和屈曲强度易失效，需要考虑整体应力或局部应力的叠加效应。

(4) 该钻井船其他3个舱段也按照此流程进行强度计算，结果相对真实准确，可为其他钻井船提供参考。