深水半潛式鉆井平臺關鍵部位波浪載荷敏感性分析＊

白艷彬劉 俊張朝陽粟 京劉華祥

(1.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室; 2.中國海洋石油總公司)

深水半潛式鉆井平臺關鍵部位波浪載荷敏感性分析＊

白艷彬1劉 俊1張朝陽1粟 京2劉華祥2

(1.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室; 2.中國海洋石油總公司)

以我國第一艘擁有自主知識產權的第6代深水半潛式鉆井平臺為目標平臺,基于線性三維繞射理論,采用線性載荷譜分析法和有限元法,在前人進行總體強度分析的基礎上,選取2個典型組合工況分析了連接平臺主體結構的關鍵部位對波浪載荷的敏感性,分析結果可為半潛式平臺的波浪載荷分析、疲勞節點選取等提供參考。

深水半潛式鉆井平臺 關鍵部位 波浪載荷 敏感性

隨著我國深海油氣田的勘探開發,深水半潛式平臺關鍵技術研究成為國內海洋工程領域的研究熱點,其中包括系泊特性與水動力性能[1-2]、結構強度與疲勞壽命分析[3-4]等研究。深海平臺管節點的疲勞問題是發生結構失效的重要問題[4-6],對于不存在復雜管節點的深水半潛式鉆井平臺而言,其總體強度和關鍵部位的局部強度成為確保結構安全的關鍵因素。已有研究者根據美國船級社和挪威船級社的海上移動式平臺規范[7-10]以及集裝箱船波浪載荷直接計算的搜索方法,采用頻率步長0.05rad/s、浪向步長15°對我國第一艘擁有自主知識產權的第6代半潛式鉆井平臺進行了總體強度分析[11],但由于連接平臺主體結構的關鍵部位是控制平臺結構強度的關鍵因素,所以對上述深水半潛式鉆井平臺關鍵部位進行波浪載荷敏感性分析具有重要的工程實用意義。本文在已有的總體強度分析的基礎上,選取兩個典型工況進行連接平臺主體結構關鍵部位波浪頻率和浪向的敏感性分析,旨在為總體強度分析的波浪載荷搜索、局部強度分析和疲勞分析節點選取等提供參考。

1 波浪載荷分析理論

據文獻[8],在滿足百年一遇的海況設計時,深水半潛式鉆井平臺總體強度分析時可不考慮風、海流作用,只考慮波浪載荷作用,因此準確計算平臺遭受的波浪載荷成為平臺結構強度分析的關鍵。

1.1 波浪載荷計算

波浪誘導載荷與運動采用線性勢流理論計算。假設流體是均勻、不可壓縮、無旋的理想流體,在引入微幅波假設后,根據拉普拉斯方程、水底條件、物面條件、線性化的自由表面條件和初始條件,首先求得無航速的入射波速度勢φI,即

式(1)中:A為遭遇波浪的波幅;ω為遭遇波浪頻率; β為浪向角;k為波數;H為水深。

根據入射波速度勢得到二維波面方程

流場中的速度勢Φ滿足拉普拉斯方程

簡諧變化的速度勢寫成

線性速度勢φ可以分解為

求得速度勢后就可得到平臺濕表面的水動壓力

水動力載荷可以是指定截面的力、彎矩和指定點單位質量的慣性力,其響應可表示為

式(7)中:H(ω,β)為單位波幅下的響應,即載荷的傳遞函數;|H(ω,β)|為傳遞函數幅值;θ為某時刻載荷響應與入射波之間的相位差。

1.2 線性載荷譜分析和短期、長期預報

深水半潛式鉆井平臺運動與載荷的譜分析和短期、長期預報是建立在以下3個基本假設基礎之上:一是平臺視為時間恒定的線性系統;二是認為波浪和平臺運動是各態歷經的平穩隨機過程;三是風浪和平臺響應視為窄帶譜。平臺線性系統的水動力載荷的響應譜密度函數SR(ω)為

式(8)中:Sη(ω)為波浪譜密度函數。

短期海況波浪幅值及波浪誘導載荷幅值符合Rayleigh分布,Rayleigh分布概率密度函數 f(x)為

波浪誘導運動和載荷可以看作是很多短期Rayleigh分布的加權和,采用二參數的Weibull分布來擬合載荷的長期分布 FL(x)[13],即

式(10)中:q為尺度參數;h為形狀參數。

響應值是 x時,超越概率Q(x)為

2 深水半潛式鉆井平臺關鍵部位波浪載荷敏感性分析

目標平臺是我國第一艘第6代半潛式鉆井平臺,甲板變載能力9 000t,配備DPS-3輔助動力定位系統。工作海域為中國南海,作業水深3 000m,波浪譜采用Jonswap譜,波陡參數生存工況取2.4,作業工況取2.0。

深水半潛式鉆井平臺總體強度分析結果[11]表明,所有裝載工況下橫撐的最大等效應力全部出現在最大水平扭轉狀態,上部結構、立柱和浮箱的最大等效應力出現在最大水平扭轉狀態或最大縱向剪切狀態,最大水平扭轉狀態和最大縱向剪切狀態是總體強度分析的關鍵計算工況;而且自存工況和作業工況3兩種裝載工況下的平臺主體結構總體應力水平高于作業工況1和作業工況2兩個裝載工況,因此在本研究中選取自存工況和作業工況3這2個裝載條件下的2個典型組合工況進行波浪頻率和浪向的敏感性分析。2個典型工況的設計波參數見表1。

表1 自存工況和作業工況3的設計波參數

平臺立柱與上部甲板以及立柱與浮箱的連接處是平臺結構的關鍵部位,在本研究中選取關鍵部位的高應力區域進行局部結構細化來研究其對波浪載荷的敏感性。具體為位于立柱外板上方的縱橫連續艙壁相交且位于雙層底之間的區域1和位于立柱外板與浮箱中縱艙壁交接處的區域2(圖1)。

圖1 敏感性分析區域示意圖

圖2～9和表2～5中的部位1和部位2分別指區域1和區域2中最大等效應力所在的位置。

2.1 波浪頻率敏感性分析

波浪頻率敏感性分析的波浪頻率為2個典型工況(自存工況和作業工況3)對應的波浪頻率鄰近的±0.03rad/s范圍,步長為0.01rad/s,目的是研究波長變化對關鍵部位等效應力變化的影響。

2.1.1 自存工況

自存工況縱向剪切和水平扭轉狀態下最大等效應力隨波浪頻率的變化曲線見圖2、3。部位1和部位2在最大縱向剪切狀態和最大水平扭轉狀態下的等效應力數據見表2。從圖2、3和表2可知,區域1和區域2的關鍵部位對波浪頻率的敏感性不高,位于區域2的關鍵部位對波浪頻率的敏感性高于位于區域1的關鍵部位,最大水平扭轉狀態下2個關鍵部位對波浪載荷的敏感性都高于最大縱向剪切狀態。

表2 2個關鍵部位波浪頻率敏感性數據

2.1.2 作業工況3

作業工況3縱向剪切和水平扭轉狀態下最大等效應力隨波浪頻率的變化曲線見圖4、5。部位1和部位2在最大縱向剪切狀態和最大水平扭轉狀態下的等效應力數據見表3。從圖4、5和表3可知,區域1和區域2的關鍵部位對波浪頻率敏感性不高,位于區域2的關鍵部位對波浪頻率的敏感性高于位于區域1的關鍵部位,最大水平扭轉狀態下2個關鍵部位對波浪載荷的敏感性都高于最大縱向剪切狀態。

表3 2個關鍵部位波浪頻率敏感性數據

2.2 波浪浪向敏感性分析

波浪浪向敏感性分析的浪向為2個典型工況(自存工況和作業工況3)對應的波浪浪向鄰近的±10°范圍,步長為2.5°,目的是研究浪向變化對關鍵部位等效應力變化的影響。

2.2.1 自存工況

自存工況縱向剪切和水平扭轉狀態下最大等效應力隨浪向的變化曲線見圖6、7。部位1和部位2在最大縱向剪切狀態和最大水平扭轉狀態下等效應力數據統計見表4。從圖6、7和表4可知,區域1和區域2的關鍵部位對波浪浪向的敏感性不高,位于區域2的關鍵部位對波浪浪向的敏感性高于位于區域1的關鍵部位,最大水平扭轉狀態下位于區域2的關鍵部位對波浪載荷的敏感性高于最大縱向剪切狀態。

表4 2個關鍵部位浪向敏感性數據統計

2.2.2 作業工況3

作業工況3縱向剪切和水平扭轉狀態下最大等效應力隨波浪浪向的變化曲線見圖8、9,部位1和部位2在最大縱向剪切狀態和最大水平扭轉狀態下等效應力數據統計見表5。從圖8、9和表5的數據可知,區域1和區域2的關鍵部位對波浪浪向的敏感性不高,位于區域2的關鍵部位對波浪浪向的敏感性高于位于區域1的關鍵部位。

表5 2個關鍵部位浪向敏感性數據統計

3 結論

以我國第一艘擁有自主知識產權的第6代深水半潛式鉆井平臺為目標平臺,在前人進行總體強度分析的基礎上,選取2個典型組合工況,分析了關鍵部位對波浪載荷的敏感性,結果表明,關鍵部位對波浪頻率和浪向的敏感性不高。立柱與浮箱的連接部位對波浪載荷的敏感性高于位于連接上部結構與立柱的連接部位,前者位于將波浪載荷從浮箱傳遞至立柱及上部結構的載荷傳遞路徑上,承受較大的交變載荷;最大水平扭轉狀態下2個關鍵部位對波浪頻率的敏感性高于最大縱向剪切狀態。平臺主體結構的連接結構是控制結構強度的關鍵部位,也是疲勞強度分析的關鍵部位,疲勞強度分析應重點關注位于波浪載荷傳遞路徑上的立柱與浮體的連接結構以及可能承受較大交變載荷的橫撐與立柱的連接結構。

[1] 陳新權,譚家華.基于迎浪中垂蕩響應最小化的超深水半潛式平臺型式優化[J].上海交通大學學報,2008,42(6):934-938.

[2] 張威,楊建民,胡志強,等.深水半潛式平臺模型試驗與數值分析[J].上海交通大學學報,2007,41(9):1429-1434.

[3] 梁園華,鄭云龍,劉剛,等.BINGO9000半潛式鉆井平臺結構強度分析[J].中國海洋平臺,2001,16(5-6):21-26.

[4] 馬網扣,王志清,張海彬.深水半潛式鉆井平臺節點疲勞壽命譜分析研究[J].海洋工程,2008,26(3):1-8.

[5] LUO Y H,LU R,WANGJ.Time domain fatigue analysis for critical connections of truss spar[C].Proc of the Eleventh (2001)International offshore and Polar Engineering Conference,1:362-368.

[6] LUO MYH,WANG J J.Spar topsides-to-hull connection fatigue-Time domain vs.frequency domain[C].ISOPE-2003,1: 280-284.

[7] AMERICAN BUREAU OF SHIPPLING.Rules for building and classing mobile offshore drilling unit[S].Houston:ABS, 2008.

[8] DET NORSKE VERITAS.Column-stabilized units[S].DNV, 2005.

[9] DET NORSKE VERITAS.Fatigue methodology offshore ships [S].DNV,2005.

[10] AMERICAN BUREAU OF SHIPPLNG.Spectral-based fatigue analysis for floating offshore structures[S].ABS,2005.

[11] 白艷彬,劉俊,薛鴻祥,等.深水半潛式鉆井平臺總體強度分析[J].中國海洋平臺,2010,25(2):22-27.

[12] 劉應中,繆國平.船舶在波浪上的運動[M].上海:上海交通大學出版社,1986.

[13]DET NORSKE VERITAS.Interactive postprocessor for general response analysis[M].DNV,2004.

(編輯:葉秋敏)

Abstract:Based on potential theory,spectral-based wave load analysis and finite element method,the sensitivity analysis of wave load on key joints of thesixth generation semi-submersible platform (the first one of China,with independent intellectual property rights)has been conducted for two typical operation behaviors and by using the results of the whole strength analysis.The results could provide the references for wave load analysis and fatigue nodeselection ofsemi-submersible platform.

Key words:semi-submersible platform;key joints; wave load;sensitivity

Wave load sensitivity analysis of key joints of deepwater semi-submersible platform

Bai Yanbin1Liu Jun1Zhang Chaoyang1Su Jing2Liu Huaxiang2
(1.State Key L aboratory of Ocean Engineering, Shanghai J iao Tong University,Shanghai,200240;
2.China N ational Of f shore Oil Corporation, Beijing,100010)

2009-11-23 改回日期:2010-03-07

＊國家“863”高技術研究發展計劃項目(2006AA09A103)部分成果。

白艷彬,男,上海交通大學在讀研究生,主要從事海洋結構物結構強度及疲勞強度研究。地址:上海市閔行區東川路800號上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院(郵編:200240)。