北海惡劣海況下半潛鉆井平臺總體屈服及屈曲強度分析

郭勤靜，李 磊，陳書敏，李德江

(中集海洋工程研究院，山東煙臺264000)

北海惡劣海況下半潛鉆井平臺總體屈服及屈曲強度分析

郭勤靜，李 磊，陳書敏，李德江

(中集海洋工程研究院，山東煙臺264000)

針對在北極及北極圈極寒惡劣海域工作的半潛式鉆井平臺總體強度問題,利用DNV專業軟件SESAM對國內首座入級DNV船級社的自主研發基礎設計項目——半潛式鉆井平臺進行總體強度分析。計算結果表明:平臺總體強度情況滿足要求,需要對局部連接處進行細化分析,根據強度利用率認為局部結構可以進一步優化。

半潛鉆井平臺;維京龍;SESAM;總體強度分析;強度利用率;結構優化

北海及北極圈海域極寒氣候和惡劣海況對海工裝備的性能要求苛刻,在這種海況下工作的半潛式鉆井平臺的整體結構強度就顯得極為重要。平臺在總體強度分析通過船級社審核后才可以進行其他的設計建造工作,因此,其總體強度分析成為半潛平臺基礎設計與送審過程中的重要技術內容［1］。文中就國內首例自主研發并入級DNV的半潛鉆井平臺,采用DNV船級社開發的專業設計分析軟件SESAM進行總體強度分析。

1 半潛式鉆井平臺簡介

半潛式鉆井平臺North Drangon(維京龍)采用GM4-D設計,基礎設計由Global Maritime與煙臺中集來福士海洋工程有限公司共同承擔,后者負責所有基礎設計圖紙及總體分析報告的完成及送審DNV,完成全部詳細設計和生產設計,并基于設計建造經驗,對該平臺進行升級優化。North Dragon滿足冰區拖航要求,可在北極圈附近海域作業,能夠抵御北海百年一遇的風暴。

North Dragon最大工作水深500 m,最大鉆井深度8 000 m,服務溫度-25℃,滿足冰級要求。

該平臺的主要結構尺度見表1。

表1 平臺主尺度 m

該平臺配置DP3動力定位系統和8點系泊系統,滿足挪威海事局(NMD)要求和挪威海上工業標準(NORSOK),入級挪威船級社(DNV)。North Dragon是國內首次由承建方總包建造并自主設計的半潛式鉆井平臺項目。

2 總體有限元模型

采用SESAM進行總體強度分析計算,通常需要準備總體質量模型和莫里森模型［2］。

2.1 總體質量模型

總體質量模型是一個板梁結組合的模型,主要的板結構以殼單元模擬,而一般的筋、框架面板、環形筋及甲板上小的型材等用梁單元模擬,梁單元等效考慮其軸向及彎曲剛度,以非偏心梁的方式考慮。平臺剛度分布情況見圖1。采用SESAM軟件GENIE建模模塊多人協作建模方法完成的總體質量模型,見圖2。在總體有限元模型中經過加載(主要是永久載荷)、調平(由于模型簡化帶來的質量分布不均衡)后計算總體質量矩陣。

2.2 莫里森模型

為保證水動力載荷順利傳遞到總體分析模型上,需要創建與水動力計算相同的濕表面及莫里森模型。莫里森模型將以超節點方式在總體質量模型中橫撐上設置相同的超節點,對莫里森梁模型屬性材質進行一定設置,用以保證莫里森模型能夠完全將水動力載荷傳遞到平臺總體模型上。自存工況下創建的莫里森模型見圖3,總體質量模型中對應莫里森模型的橫撐中超節點設置見圖4,濕表面模型見圖5,邊界條件見圖6。

圖1 半潛平臺剛度分布

圖2 半潛平臺總體有限元模型

圖3 自存工況下的莫里森模型

3 平臺所受載荷及計算方法

作用于平臺結構上的各種載荷可分為:永久載荷、可變載荷、環境載荷、意外載荷和變形載荷等［3］。在對平臺進行總體強度評估時只考慮永久載荷和環境載荷。永久載荷總體上包括鋼結構自身重量、各種設備重量和壓載艙壓載重量等。環境載荷主要包括由于波浪和流產生的水動力荷載、慣性力、風載荷以及雪冰等。由于風和流的載荷相對于波浪載荷對平臺的影響很小,因此波浪載荷是所有環境載荷中對平臺結構影響最為顯著的也是主要考慮的載荷。通常選擇百年一遇的波浪進行波浪載荷分析,采用設計波法完成波浪載荷的分析計算,并確定產生最大波浪誘導載荷的波浪高度、周期和相位等特征要素,自存工況下典型設計波的具體情況見表2。

圖4 總體質量模型中橫撐超節點設置

圖5 半潛平臺濕表面

圖6 邊界條件

4 總體強度分析計算及校核

4.1 總體屈服屈曲強度校核準則

平臺總體強度分析主要包括總體屈服強度、總體屈曲強度和總體疲勞強度分析,其實際計算過程主要是通過船級社專業的計算包或者自行開發的后處理程序批量處理計算完成整個后處理計算校核。對于入級DNV船級社的平臺來說,一般屈服屈曲強度校核主要根據DNV規范規定。針對板殼結構,總體屈服屈曲強度校核準則如下［4-5］。

表2 風暴自存工況下的典型設計波

1)總體屈服強度校核準則。

式中:σx,Sd,σy,Sd,τSd——總體單元應力分量;

σj,Sd——Von-Mises應力;

σj——材料許用屈服應力(對于常用材料, σj=355 MPa)。

考慮材料系數1.15,許用屈服應力校核為σj,Sd≤σj/1.15=355 MPa/1.15=309 MPa。

2)總體屈曲強度校核準則。相關經驗表明,對于以板格為屈曲校核對象時,極限強度狀態下是必須要校核的,并且在極限強度滿足的情況下,一定的屈曲是允許的。

非加筋板(unstiffened plate)屈曲校核根據如下公式。

式中:σx,Rd,σy,Rd,τRd——板格縱向、橫向單軸向力下的極限強度、邊緣剪切下的極限強度;

Ci——強度作用系數。

加筋板(stiffened plate)屈曲校核根據側向壓力在板一側還是筋一側分布滿足如下公式。

側向壓力在板側:

側向壓力在筋側:

4.2 總體屈服屈曲強度計算校核及結果分析

總體質量模型完成以后,對模型進行網格劃分,劃分的網格盡量均勻規則,根據DNV規范規定的邊界加載方式,即3-2-1的邊界加載方式。針對不同的工況進行加載,采用LRFD方法,在SESTRA計算模塊完成總體強度的計算,在XTRACT結果后處理模塊中,考慮靜態系數與環境載荷動態系數見表3。

表3 LRFD方法下的載荷系數

進行各種工況的組合疊加及應力搜索,得到Survival,Operation工況下總體強度結果見圖7。根據DNV規范RP-C103關于總體屈服屈曲后處理規定［6］,需要疊加總體強度分析結果與局部分析結果(框架強度分析)采用PULS表格完成總體屈服及屈曲校核。

圖7 總體屈服強度ULS自存及操作工況

圖7兩種工況下的屈服強度結果表明,平臺的總體強度基本滿足規范要求,在局部連接處存在應力水平偏高的情況,特別是連接處的內側,包括立柱與甲板的連接處,立柱浮筒與橫撐的連接處,這主要是由于各斜浪工況下產生的轉矩及分離力對整個平臺造成的影響,而針對這幾個局部連接處,需要進行細化分析,用子模型的方法進行細部強度包括屈服及疲勞強度分析計算,對細部的結構進行加強。同時,根據強度結果,通過設置許用強度值,可以考察整體結構的強度有效利用率,根據整體應力傳遞趨勢及強度有效利用率,進行部分結構的后續優化設計,降低板厚或者減小型材尺寸等,達到結構優化及減重的目的［7-8］。

5 結論

1)采用SESAM有限元分析軟件對半潛式平臺進行的總體屈服屈曲強度分析方法正確,結果合理,平臺結構總體屈服屈曲強度滿足船級社的要求。

2)該平臺上船體連接處內側部分、下船體立柱與浮筒和橫撐部分屈服強度較差,這與規范及結構力學所揭示的原理一致,由于半潛平臺的分離力及轉矩等不同受力的影響,容易導致平臺抗扭強度較差,證明連接處是平臺總體強度分析的關鍵位置,需要后續進行連接處的屈服屈曲子模型分析計算,進行局部結構加強。

3)總體分析前處理過程中的模型處理方法與之前項目的處理方式有所不同,但都可以得出合理的結果,對于利用SESAM軟件進行前處理的方法還需要研究細化,對于總體強度結構中強度利用率較低區域的結構考慮適當降低板厚和型材尺寸進行優化設計。

4)根據總體結構的強度利用率,對平臺整體剛度配置優化,并優化船型,設計系列化船型。

5)通過本次實際項目的使用以及在此基礎上進一步地結構優化及減重,陸續改進,設計出半潛平臺的船型GM4D-2#,GM4D-3#,逐漸形成了系列化深水半潛鉆井平臺項目,為國內進行北海惡劣海況下深水半潛鉆井平臺的研究和建造積累了經驗。

［1］李潤培,王志農.海洋平臺強度分析［M］.上海:上海交通大學出版社,1992.

［2］挪威船級社.SESAM用戶手冊［S］.2011.

［3］挪威船級社.DNV RP-C103 Column-stabilized units［S］.2012.

［4］挪威船級社.DNV RP-C201 Column-stabilized units［S］.2012.

［5］美國船級社.ABSRules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit［S］.2008.

［6］挪威船級社.DNV OS-C101 Offshore Steel Structures, General(LRFD Method)［S］.2012.

［7］高學靜.自升式鉆井平臺中鉆臺結構強度分析研究［J］.船海工程,2013(6):174-176.

［8］張本偉,楊清峽,梁園華.半潛鉆井平臺動力定位與錨泊混合定位控制能力分析方法研究［J］.船海工程,2013(6):146-149.

Research on Global Strength and Buckling Analysis of the Semi-submersible Drilling Rig

GUO Qin-jing,LI Lei,CHEN Shu-m in,LIDe-jiang
(Research Department,CIMC Offshore Engineering Institute Ltd.,Yantai Shandong 264000,China)

The global strength plays an important role for the safety of the semisubmersible drilling rig.The global strength analysis of the North Dragon semi-submersible drilling rig servicing on northern sea and nearby,which is the first basic design project that carried out by Yantai CIMC Raffles,is processed strictly by SESAM software.The numerical results prove that the global and buckling strength ofmost of the platform structuralmembers can fulfill the requirements except for some local connection areas;and structural optimization and weight reduction could be carried out according to the global strength result.

semi-submersible drilling rig;SESAM;global strength analysis;strength utilization ratio;structural optimization

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.025

U674.38

A

1671-7953(2015)03-0105-05

2014-10-24

修回日期:2014-12-29

泰山學者藍色產業領軍專家專項

郭勤靜(1982-),男,碩士,工程師

研究方向:海洋平臺總體結構設計與總體強度分析

E-mail:guoqinjing@hotmail.com