半潜式生产平台湿拖拖点结构强度分析

梁 瑜， 田 锋， 乔晓国， 杨 亮， 毛程亮

(海洋石油工程股份有限公司 设计院， 天津 300451)

0 引 言

半潜式生产平台具有适用水深范围广、抵御恶劣海况能力强、建造技术相对成熟等优点，在国际上得到广泛的应用。目前世界上约有50座半潜式生产平台在役，主要分布在巴西海域、北海、墨西哥湾和西非海域[1-2]。

在深水浮式平台设计中，拖点结构作为拖缆与半潜式平台连接的关键结构是平台拖航分析中的重要组成部分，其结构强度能否满足设计要求是整个平台湿拖能否成功的关键，是确保半潜式平台长距离湿拖万无一失的重中之重。

目前业内关于平台拖航方面的研究主要集中于平台稳性、拖航阻力、运动性能分析等方面[3-5]，而对于深水浮式平台拖点结构设计与分析方面的研究则寥寥无几。

排水量超10万吨的大型浮式平台的湿拖拖点结构设计与分析国内尚无先例，为填补此项空白，以我国陵水17-2气田深水半潜式生产平台为例，详细介绍大型浮式平台湿拖拖点设计分析的过程和方法。

陵水17-2气田作为1 500 m水深自营油气田，采用半潜式生产平台结合水下设施的模式进行开发，是深吃水、适应钢悬链线立管的半潜式生产平台，最大排水量超11万t，同时也是凝析油储存半潜式平台[6]。

陵水17-2半潜式平台相关信息如下：

总长为91.5 m(立柱宽度21.0 m+浮筒长度49.5 m+立柱宽度21.0 m)；

浮筒尺寸为长度49.5 m×宽度21.0 m×高度9.0 m(倒角1.0 m)；

立柱尺寸为长度21.0 m×宽度21.0 m×高度59.0 m(倒角1.7 m)；

下甲板标高为60.5 m；

空船质量为53 007 t。

陵水17-2项目在综合考虑项目工期、拖航时间、拖航费用、拖航程序、拖航运动与稳性、船体强度、受台风影响等方面后，最终采用从建造场地至陵水海域湿式拖航的运输方式。

1 湿拖设计输入数据

平台湿拖的主拖采用3艘功率力拖船，系柱拖力按照300 t考虑。

平台湿拖拖航平面布置如图1所示。

图1 平台湿拖拖航平面布置图

从卸扣规格表中选取300 t载荷的卸扣，考虑到拖点结构的尺寸，将该卸扣钳口宽度改为195 mm，弓高改为500 mm，需进行特殊定制。

经与海上安装方确认，湿拖设计输入数据中选用卸扣的具体规格如表1所示。

表1 湿拖索具卸扣规格

2 拖点设计的载荷计算

依据挪威船级社(DNV)拖航规范DNV GL-ST-N001[7]，用于校核拖点极限强度的最大载荷FULC=2.0FBP+40 t(其中：FBP为拖船系柱拖力)。由于FBP取300 t，因此FULC为640 t。

采用线性有限元方法进行结构分析计算，依据AISC 360-15[8]，在同样载荷下极限强度的许用应力可比正常工作下许用应力提高三分之一。由于对拖点进行线弹性分析，因此在计算中相应地把计算载荷降低为极限强度对应载荷的0.75(1/1.33≈0.75)，但是许用应力仍为正常工作下的许用应力，即计算载荷等效为0.75FULC=480 t，将其作为计算施加载荷，用于线性有限元计算。

依据半潜式平台湿拖运动分析结果(见表2)，湿拖过程最大横摇角为7.04°。

表2 半潜式平台湿拖运动分析结果 (°)

综合考虑拖缆与水平面的夹角，拖点载荷作用方向相对于拖点平面的面外角取9°。

3 拖点结构强度分析

基于选用卸扣的几何尺寸信息(见表3)和拖点眼板的结构尺寸信息(见表4)，包括开孔直径、主板厚度、两侧贴板厚度、圆弧倒角半径等，对拖点自身几何形状与卸扣匹配性进行核算，包括：卸扣钳口宽度应大于拖点眼板总厚度、销轴直径应小于拖点眼板开孔直径、卸扣钳口宽度的间隙应为10～15 mm、拖点眼板开孔高度应大于眼板开孔最小高度要求、卸扣高度间隙应大于拖缆直径、满足贴板与主板之间焊缝的焊角最小要求等，具体结果如表5 所示。

表3 卸扣尺寸信息

续表4 拖点眼板尺寸信息 mm

表5 拖点几何形状校核结果

通过对拖点眼板的挤压强度、剪切强度、贴板焊缝强度等进行计算校核，使拖点自身几何尺寸和结构强度满足设计要求。拖点强度计算校核结果如表6所示。

表6 拖点强度计算校核结果

在对眼板的挤压强度、剪切强度等进行计算校核之后，应用SESAM GeniE软件[9]对拖点及其加强结构进行结构有限元分析计算。

拖点结构模型如图2所示。

图2 拖点有限元分析结构模型

施加载荷情况如下：

点载荷：300 000 kg×9.81 m/s2×1.6=4 708 800 N；

弯矩：300 000 kg×9.81 m/s2×1.6sin 9°×0.408 5 m=300 073 N·m；

其中：300 000 kg为载荷；9.81 m/s2为重力加速度；1.6为载荷因数；9°为拖点载荷作用方向相对于拖点平面的面外角；0.408 5 m为力臂值，由卸扣弓高(500 mm)+开孔半径(137/2 mm)-弓高半径(160 mm)计算得到。

模型载荷加载如图3所示。

图3 拖点有限元分析载荷施加

4 计算结果分析与设计优化

美国船级社(ABS)RulesforBuildingandClassing:MobileOffshoreDrillingUnits[10]针对半潜式平台结构分析规定了许用应力标准。对于板壳结构，可采用等效应力进行校核。对于EH36钢材，等效应力的许用应力为

F=Fy/fS

(1)

式中：F为许用应力；Fy为屈服极限，取355 MPa；fS为安全因数。

相应的安全因数和许用应力如表7所示。

表7 安全因数和许用应力

半潜式平台湿拖结构强度计算按照操作工况考虑，即许用应力为248 MPa。

对上述有限元结构进行计算分析后，得到立柱内侧拖点附近结构的等效应力为201 MPa，等效应力云图如图4所示。

图4 立柱内侧拖点有限元分析应力结果

立柱外侧拖点附近结构的等效应力为289 MPa，等效应力云图如图5所示。

图5 立柱外侧拖点有限元分析应力结果

应力分析结果显示有个别单元的等效应力超过许用应力248 MPa，具体如图6所示。

图6 立柱外侧拖点有限元分析超过许用应力结果

虽然图6显示超过许用应力的单元位于应力集中部位，而且是个别单元，但为了确保平台拖航过程的万无一失，仍然将拖点的主板钢材规格由原ABS EH36[11]升级为更高强度钢材API 2Y GR.60 TYPE AX[12](屈服限为414 MPa，许用应力为290 MPa)，使拖点结构完全满足平台拖航的设计要求，并对拖点图纸进行更新。

5 结 论

浮式平台拖航作业是关系整个工程项目成败的关键，任何一点设计失误都不能容忍，拖点的结构设计必须确保其自身及其加强结构强度完全满足设计要求。从拖航索具的选取、拖点计算载荷的确定、拖点自身几何尺寸的校核，到拖点结构强度的有限元计算分析，完成半潜式平台湿拖拖点设计的一整套设计分析流程，给出一套切实可行便于操作的设计分析流程。由分析过程可知，拖点设计的关键点在于：拖点几何尺寸与卸扣尺寸的匹配、拖点设计载荷的计算(包括设计载荷的确定、面外角的大小等)和拖点强度分析校核等。另外，所建立的半潜式平台湿拖拖点结构强度设计分析方法可为今后大型浮式平台湿拖拖点的结构设计提供一些有益参考。