張力腿平臺POST結構強度分析

梁　瑜

(海洋石油工程股份有限公司設計公司 浮式結構設計部，天津 300451)

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張力腿平臺POST結構強度分析

梁瑜

(海洋石油工程股份有限公司設計公司 浮式結構設計部，天津 300451)

為確保深海中張力腿平臺(TLP)結構的安全和可靠運行，針對TLP平臺關鍵部位：連接船體與上部組塊的對接立柱(POST)的結構強度，采用ANSYS軟件建立TLP平臺的“POST”結構模型，分析在位工況：一年一遇、百年一遇以及千年一遇等環(huán)境條件下的POST結構強度，確定POST這一TLP關鍵結構滿足強度要求，計算分析結果合理，可為TLP平臺的POST結構強度評估提供參考。

張力腿平臺；POST結構；有限元；強度分析

張力腿平臺(tension leg platform, TLP)[1-4]作為一種用于深海油氣開采，生產(chǎn)和加工處理的海洋結構物，是深水浮式平臺的主要形式之一，已經(jīng)得到廣泛應用。TLP平臺具有運動性能好，抵抗惡劣環(huán)境作用能力強，可移動和經(jīng)濟性好等特點，具有良好的發(fā)展前景。

TLP總體上可將其按結構分成平臺上體、立柱、浮箱、張力腿和錨固基礎五部分。通常又將立柱和浮箱組合體稱為平臺主體，而將平臺上體、平臺主體統(tǒng)稱為平臺本體。從結構特點上看，張力腿平臺就像一個倒置的鐘擺，是一個剛性系統(tǒng)和彈性系統(tǒng)兩者綜合的復雜非線性動力系統(tǒng)[5-6]。

對接支柱(POST)，作為連接TLP船體與上部組塊的關鍵結構(示意于圖1)，在海洋環(huán)境荷載作用下，POST結構是較危險部位[7]，其結構強度能否滿足設計要求是整個TLP平臺結構設計的關鍵，是確保平臺結構安全的重中之重。

圖1　POST結構三維示意

1　環(huán)境條件

TLP平臺POST結構分析海況條件見表1。其中，工況：A、B、S分別代表：操作工況、極端工況和生存工況。

表1　海況條件

2　結構模型建立

采用ANSYS軟件建立POST結構的有限元模型。POST結構模型從TLP整體結構模型中獲得，并進一步細化，從整體強度計算結果得知，全部四個POST中，西南方位(SW)的POST結構應力水平最高，故選其作為分析對象。

模型范圍包括：POST結構(立柱頂部往上2 000 mm處)，立柱頂部(距基線36 800 mm至距基線56 500 mm)及其支撐結構。模型見圖2、3。

模型中，POST結構、立柱外板、立柱頂板、立柱環(huán)肋、艙壁板、桁材面板、桁材腹板、垂向骨材以及所有加強肘板等連接結構，均采用SHELL181單元建模。網(wǎng)格尺寸：細化區(qū)域150 mm;其他區(qū)域：500 mm。

模型節(jié)點總數(shù)：80 450，單元總數(shù)：86 506。

圖2　POST結構分析模型(1)

3　載荷的施加與邊界條件

對于每種計算工況，在上部組塊與船體交界處(即結構模型POST頂部)，施加由上部組塊傳遞而來的動載荷與靜載荷之和，1 000年、100年以及1年回復期的該載荷值，從各工況的整體結構分析模型中獲得。該載荷通過MPC單元施加集中載荷于模型的POST結構頂部。1年回復期施加的載荷值見表2。

圖3　POST結構分析模型(2)

表2　1年回復期工況POST頂部載荷值

邊界條件：從整體強度分析模型中，讀取位于立柱下端邊界處的位移，見圖4。

圖4　邊界條件

4　計算結果分析

4.1許用應力

API RP-2T[8]針對TLP平臺結構分析規(guī)定了許用應力標準。對于板殼結構，可以采用Von Mises等效應力進行校核。該等效應力的許用應力為F=Fy/FS，相應的安全因子和許用應力值見表3。

表3　安全因子和許用應力

4.2計算結果

為便于計算分析，將整個計算模型分為15組(Group)，各組的具體位置見圖5～7。

圖5　構件分組示意圖(1～9組)

采用ANSYS軟件對POST結構進行準靜態(tài)結構分析。各工況下，各主要結構部位應力最大值計算結果見表4。

由以上分析結果可知，在操作、極端、生存等工況下，POST結構的所有構件von Mises應力最大值均小于許用應力值，因此，該TLP平臺POST結構滿足強度要求。

圖6　構件分組示意圖(10～11組)

圖7　構件分組示意圖(12～15組)

1000YearStressEnvlope1000YearStressEnvlopelYearStressEnvelopeCMPELEMAllowabieNAMESLGEStressUCELEMAllowabieSLGEStressUCELEMAllowabieSLGEStress?UCMaxControlLoadConditionUCForUnitycheck[Mpa][Mpa][MPa][MPa][MPa][MPa]GRP_1153.59345.00.45132.79310.80.43100.34241.30.420.451000YearGRP_2166.41345.00.48140.43310.80.45121.82241.30.500.501YearGRP_3110.03345.00.32104.10310.80.33105.27241.30.440.441YearGRP_4157.09345.00.46142.85310.80.46132.78241.30.550.551YearGRP_596.50345.00.2883.88310.80.2759.43241.30.250.281000YearGRP_6163.70345.00.47151.27310.80.49142.31241.30.590.591YearGRP_778.54345.00.2366.87310.80.2246.79241.30.190.231000YearGRP_869.03345.00.2061.67310.80.2052.23241.30.220.221YearGRP_9201.13345.00.58177.91310.80.57159.12241.30.660.661YearGRP_10163.70345.00.47151.27310.80.49142.31241.30.590.591YearGRP_11153.59345.00.45132.79310.80.43100.34241.30.420.451000YearGRP_1269.03345.00.2061.67310.80.2052.23241.30.220.221YearGRP_13104.73345.00.30101.11310.80.3391.61241.30.380.381YearGRP_14262.89345.00.76221.26310.80.71163.37241.30.680.761000YearGRP_1579.91345.00.2367.82310.80.2252.02241.30.220.231000Year

5　結論

1)基于本文針對張力腿平臺POST結構強度分析發(fā)現(xiàn)，在操作、極端、生存等工況下，POST結構所有構件均滿足強度要求。

2)由于垂向加強筋與環(huán)肋連接部位為主要受力部位且位置特殊等原因，在各計算工況中應力相對其他結構較大，所以設計中應予以結構加強的考慮。

3)POST作為連接TLP船體與上部組塊的關鍵結構，該結構是整個平臺較危險部位，其結構強度校核應引起足夠重視。

[1] MARSHALL D. Deep developments taking shape[R]. Offshore Engineer, 2003-04-02.

[2] MARSHALL D. The crowning of a prince[R]. Offshore Engineer, 2001-08-17.

[3] ANONYMOUS A.MODEC international to build new type sea platform for oil production[R]. Japan Ship Exporters’ Association, 1999.

[4] HENRIK H. The metocean aspects of the design and operation of TLPs[C]∥Aker Maritime Presentation, 2001.

[5] 楊雄文，樊洪海.TLP平臺結構型式及其總體性能分析[J].石油機械，2008,36(5)：70-73.

[6] 鮑瑩斌，舒志.中等水深輕型張力腿平臺型式研究[J].海洋工程，2001(5)：7-12.

[7] 邵景華，何勇，等.張力腿平臺局部節(jié)點強度可靠度分析方法[J].海洋工程，2012(1)：20-21.

[8] API, Recommended practice for planning, designing and constructing tension leg platform[S], Jul. 2010.

Study on POST Structure Strength Analysis of Tension Leg Platform

LIANG Yu

(Dept of Floater Engineering, COOEC, Tianjin 300451, China)

In order to insure the safe and reliable service of TLP in deep water, the strength of POST structure for TLP is studied. The finite element model of the POST structure of TLP is established in ANSYS and the local strength analysis are performed under 1 year operating condition, 100 year extreme storm condition and 1000 year survival condition respectively. The conclusion can be reached that the main structure of POST structure can meet strength requirement. The calculating result provided basis for evaluation of POST structure strength.

tension leg platform; POST structure; finite element; strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.027

2015-09-28

2015-10-12

國家工信部項目(500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā))

梁瑜(1982-)，男，碩士，工程師

P752

A

1671-7953(2016)01-0133-04

研究方向:船舶及海洋工程結構設計

E-mail:liangyu@mail.cooec.com.cn