海洋平臺管節點極限強度分析方法研究

趙開龍，劉成名，姚志廣

（1.中國石油集團工程技術研究院，天津300451；2.中國船級社海工技術中心，北京100007）

海洋平臺管節點極限強度分析方法研究

趙開龍1，劉成名2，姚志廣1

（1.中國石油集團工程技術研究院，天津300451；2.中國船級社海工技術中心，北京100007）

管節點作為海洋平臺結構中十分重要且薄弱的環節，其極限強度分析是海洋平臺安全評估的重要內容，也是一項十分復雜的工作，選擇正確的方法和分析手段是得到準確分析結果的前提。文章應用MSC.PATRAN軟件建立平臺管節點分析的有限元模型，分別使用局部模型法和嵌入式模型法對管節點進行分析，對比其計算結果，認為采用嵌入式模型法更為精確。

管節點；極限強度；局部模型法；嵌入式模型法

0 引言

管節點是海洋平臺中一個十分重要且薄弱的環節，對其強度進行合理、有效的評估是十分必要的。

管節點強度分析是一項十分復雜的工作，選擇正確的方法和分析手段是得到準確分析結果的前提。管節點的分析方法很多，可分為試驗統計法、薄殼理論法、簡化分析法（包括截面法、環模型法、沖剪應力法、有效寬度法、塑性鉸線法、弦桿壁承壓模型法、弦桿受剪模型法等）、有限元法及半解析數值法等。目前廣泛采用的是有限元方法，采用這種方法時，準確建立平臺管節點分析有限元模型是得到精確分析結果的前提。本文利用有限元軟件MSC.PATRAN建立平臺管節點分析有限元模型，其分析方法分為兩種：一種是局部模型法，此方法比較常用，是一種傳統的管節點分析方法；另一種是嵌入式模型法，即將管節點結構用板殼單元模擬并嵌入整體模型中。本文分別采用這兩種方法對某一平臺上的特殊管節點進行強度計算，通過對比其計算結果，認為采用嵌入式模型法對管節點進行強度分析更為合理。

1 管節點判定準則

1.1 管節點判定準則

海洋平臺中存在大量圓管與圓管相交的部位，但并不是所有這些部位都能成為有關規范中規定的管節點，所以在進行管節點極限強度評估之前，必須根據相應的規范要求，準確地確定哪些節點是管節點。根據ABS規范，規定如下：

且有τ=t/T；β=d/D；γ=D/（2T）式中g——間隙/mm；

D——弦管直徑/mm；

t——撐管壁厚/mm；

T——弦管壁厚/mm；

d——撐管直徑/mm。

由此可知，對管節點的判定實際上就是判定節點處的幾何參數，滿足公式（1）要求的可以確定為管節點。

1.2 管節點極限強度評估適用的載荷情況

在實際操作中，管節點結構會承受各種不同的載荷形式。按照ABS規范中的規定，管節點極限強度評估對下列載荷情況適用：撐管受軸向載荷作用；撐管受面內彎矩作用；撐管受面外彎矩作用；弦管受軸向載荷作用；弦管受面內彎矩作用；弦管受面外彎矩作用；上述各種載荷的組合。

1.3 管節點破壞形式

管節點的破壞形式是依據管節點的構造形式、幾何形式和承載情況而定的（見圖1），規范中給出的破壞形式有：

（1） 弦管局部失效：包括撐管附近弦管管壁塑性失效；撐管由焊縫處與弦管斷裂；弦管局部皺褶。

（2） 弦管整體失效：包括弦管截面整體變形；弦管彎曲失效；近撐管間弦管剪切失效。

圖1 管節點破壞形式

2 管節點分析方法

2.1 局部模型法

局部模型法首先要建立平臺的整體模型。在整體模型中，管節點的弦管和撐管用梁單元模擬。從整體結構計算結果中提取管節點端部位移，作為局部模型分析的邊界條件；然后進行二次建模，即建立管節點局部模型。撐管和弦管單元采用板單元模擬，施加邊界條件和載荷，在兩端采用MPC（多點約束）進行模擬，重新計算得到管節點局部的結構受力，如圖2所示。

2.2 嵌入式模型法

嵌入式模型法，是指直接將管節點的撐管和弦管結構采用殼單元進行模擬并嵌入到平臺的整體模型中，通過對整體模型在各種作業工況下的強度計算，直接提取管節點上各單元的受力。該方法充分考慮了整體模型對管節點的影響，不需要二次建模及簡化分析，避免了二次分析時，因邊界條件和計算載荷的簡化及近似處理對計算結果產生的誤差。該方法的計算結果較為接近管節點結構中各部位的實際受力情況。

圖2 管節點局部模型

3 管節點極限強度校核

3.1 模型參數

本文選取某半潛式平臺中的一處典型管節點作為研究對象，其具體參數見表1。

表1 管節點幾何參數

3.2 計算結果

本文分別采用局部模型法、嵌入式模型法兩種方法對該管節點在平臺處于中垂、中拱的兩種典型工況（分別稱為第一、第二工況）下的受力進行計算，并對計算結果進行分析。圖3～4為兩種方法計算得到的應力云紋圖，圖5給出了Mises應力結果對比。

3.3 結果分析

由計算結果（見表2）可以看出，兩種方法得到的計算結果存在著一定的差異，究其原因，主要有以下幾點：

（1） 局部模型方法中，整體模型采用梁單元模擬弦管和撐管，不能直接模擬管材各點受力情況。

（2） 局部模型方法中，邊界條件是由其整體模型中得到的，將這些邊界條件施加到局部模型時必定帶來一定的誤差。

（3） 局部模型在考慮外界載荷時，只能利用整體模型中梁單元的受力、位移等數值進行處理得到，無法充分考慮整體結構對局部的影響。

圖4 第二工況應力云紋圖/MPa

圖5 Mises應力結果對比

表2 兩種工況采用兩種方法的計算結果（Mises應力/MPa）

而嵌入式模型法避免了二次分析時，因邊界條件和計算載荷的簡化及近似處理對計算結果產生的誤差，充分考慮了整體模型對管節點的影響，不需要二次建模及簡化分析。因此，嵌入式模型法的計算結果比局部模型法更接近管節點構件的實際受力情況。

4 結論

從計算結果可以看出，采用嵌入式模型法得到的結果偏于安全。此方法直接將管節點用殼單元在整體模型中進行模擬，充分考慮了整體結構對管節點局部的影響，排除了局部模型法中簡化處理對結果造成的影響，故其計算結果更為精確，更能直接反映管節點的實際受力情況，所以本文推薦采用嵌入式模型法對管節點的強度進行分析。

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Abstract：Tubular joint is a kind of very important and weak link of offshore platform structure.Its ultimate strength analysis is significant to the safety assessment of offshore platform and is a very complex task.So choosing the right methods and means is the precondition to get accurate results.In this paper,the software MSC.PATRAN is applied to establish the accurate finite element model of tubular joint analysis and the model is solved with the local model and the embedded model approaches respectively.By comparing the calculated results,it is shown that the result obtained from the embedded model approach is more accurate.

Key words:tubular joint;ultimate strength;local model method;embedded model method

（12）Ultimate Strength Analysis Method for Tubular Joints of Offshore Platform

ZHAO Kai-long（CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451,China）,LIU Cheng-ming，YAO Zhi-guang

TE54 TE951

A

1001－2206（2011）01－0012－04

趙開龍（1983-），男，山東德州人，工程師，2009年畢業于哈爾濱工程大學船舶與海洋結構物設計制造專業，碩士，現從事結構分析工作。

2010-08-16；

2010-11-04