TLP張力腿下部連接結構分析

王世圣, 呼文佳，趙晶瑞, 韓旭亮

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引 言

TLP是一種典型的深水浮式平臺，主要用于深水油氣田開發。TLP作為油氣田開發裝置可以用于干式采油，采油樹安裝在平臺上，便于鉆井、完井和修井作業。

TLP采用張緊的鋼管，即張力腿系泊。張力腿的預張力來自浮體的剩余浮力，預張力作用在張力腿平臺的垂直張力腿系統上，使張力腿時刻處于受拉的繃緊狀態。較大的張力腿預張力使平臺平面外的運動(橫搖、縱搖和垂蕩)較小，近似于剛性。張力腿與平臺和海底基座的連接采用鉸鏈連接，因此在水平方向可以順應水平環境載荷運動，依靠預張力使得平臺恢復平衡。張力腿平臺系泊方式使得平臺具有良好的運動性能。TLP在位期間，遭受風、浪和流載荷聯合作用，張力腿及其相關的連接構件承受交變載荷作用，張力腿及其上下連接的結構強度和疲勞強度對整個TLP系統的安全性有很大影響，尤其是張力腿下部連接結構，由于該結構位于水下幾百米，甚至數千米，其工作狀態或損傷情況不便監測和檢查，因此在該結構的設計中需要格外重視，確保該結構的強度和疲勞強度滿足設計要求。本文基于LH16-2 TLP的總體性能分析，研究了張力腿系泊系統的受力情況，依據張力腿的外力計算結果對張力腿下部連接結構的強度和疲勞強度進行了分析，獲得了一些結論，對相關技術人員有一定參考價值。

1 TLP張力腿系統組成

LH16-2 TLP主要由上部設施模塊、平臺主體(包括四立柱、連接四立柱的旁通)和張力腿系泊系統組成，系統包括8根張力腿，分成4組，分別布置在4個立柱的外側底部。平臺主尺度如表1所示。

表1 平臺主尺度

張力腿系泊系統包括張力腿和上下連接結構，如圖1所示。下部連接結構如圖2所示。張力腿下部連接結構由張力腿底部接頭組件、樁頭接收器組成，在安裝時張力腿連接器插入接收器旋轉一定角度，樁頭接收器就可以將張力腿連接器鎖住。由于張力腿始終承受拉伸載荷作用，可以保證兩者的連接狀態。張力腿連接器是一個組合結構(見圖1)，張力腿管與連接器圓頭結構是柔性連接，這樣可以減小張力腿管柱的附加彎曲應力。張力腿平臺在位期間承受變化環境載荷作用，載荷通過張力腿管柱傳遞給連接器和接收器，因此相關組成結構長期承受交變載荷作用，必須具有足夠的結構強度和疲勞強度。張力腿下部連接結構位于水下數百米，甚至1 000多米，檢修不便，根據API RP 2T的相關要求，對于失效后嚴重影響生產的關鍵部位和不便于修理的部位，要考慮一定的安全余度。要求張力腿與樁基連接裝置結構的疲勞壽命應至少是服役壽命的10倍。

圖1 張力腿系統

圖2 下部連接結構

2 載荷工況

張力腿平臺在位期間承受風、浪、流環境載荷作用，在環境載荷作用下平臺發生偏移，張力腿管柱承受的載荷也隨著平臺的偏移發生變化。一般張力腿與樁基連接裝置結構的設計需要考慮張力腿靜態和動態張力。TLP平臺在平衡位置僅承受靜載荷作用，靜載荷可通過剩余浮力的計算獲得。TLP在環境載荷作用下，平臺運動使得張力腿承受交變拉力作用，在不同工況下張力腿張力可通過總體性能分析獲得。根據API RP 2T的相關要求，張力腿張力計算須考慮在位完整工況，極限完整工況和一根張力腿移除生存工況。表2給出了三種工況下張力腿與樁基連接裝置結構的設計載荷。

表2 設計載荷

在表1中，安全級別的定義參見API RP 2T。它包括環境條件和安全因子，用于校核總體可靠性，保證有一定的設計裕度。頂傾角是指張力腿軸線和垂向的夾角。

每個工況張力腿張力均分解為水平分量和豎直分量。為獲得各工況的最危險應力，水平分量0°～90°每隔45°一個間隔，如圖3所示。每一種工況的最大應力結果是選取這3個方向中工況結果的最大值。值得注意的是，上述水平載荷是傾斜的張力腿張力的水平分量，該傾斜張力以水平分量和豎直分量的組合形式施加在有限元模型中。張力載荷通過剛性單元施加筋腱連接器柔性單元旋轉中心。

圖3 張力載荷水平分量方向

3 結構強度分析

3.1 分析模型

張力腿與樁基連接裝置結構模型包括張力腿連接器錐形上吊耳結構及相鄰上下環形結構、樁接收器以及附在壁內的吊耳。結構采用通用有限元軟件進行有限元結構建模及分析。主要荷載傳遞路徑采用SOLID185單元模擬，角落和非常規形狀部件采用SOLID187單元模擬，張力腿連接器上的吊耳與樁接收器內的吊耳的接觸采用接觸單元(contact element)170和174模擬，外部荷載傳遞采用LINK180單元模擬。整個結構有限元模型高度為3.2 m。

由于研究對象為張力腿與樁基連接裝置，并且TLP的8個連接裝置的結構形式完全一致，所以可以選取任何一張力腿對應的連接裝置結構作為研究對象。在網格劃分時，對重點關注的區域如吊耳，采用細網格Element185劃分。為節省運算時間，對于其他區域采用較為粗糙的網格。該有限元模型共有109 200個單元，153 700個節點。整體有限元模型如圖4所示。

(a)

(b)

3.2 結構強度分析結果

在建立了結構有限元模型后，對模型施加邊界條件，邊界條件施加在模型樁接收器環形結構底部,在此邊界上的Ux、Uy和Uz三個平動自由度全部被約束。結構強度有限元分析共考慮表2中的三種工況，對于每種工況，還有三個方向子工況用于獲取最大應力結果。應力結果均取平均單元應力。在三種工況下，結構應力分析結果如表3～表5所示。

表3 連接裝置相關結構強度應力結果(正常作業)

表4 連接裝置相關結構強度應力結果(極限工況)

表5 連接裝置相關結構強度應力結果(生存工況)

根據表3～表5張力腿連接裝置相關結構強度應力結果，三種工況依次是在生存工況下結構應力最大。在張力腿連接裝置中樁頭管與樁連接，載荷由張力腿連接器組件施加，結構應力小于張力腿連接器組件。張力腿連接器組件與張力腿連接受力復雜，結構應力較大，如圖5所示。最大應力部位出現在張力腿連接器吊耳上，但其有效應力仍小于許用應力，張力腿連接裝置相關結構強度滿足規范要求。

圖5 張力腿連接器應力云圖-生存工況

4 結構疲勞分析

張力腿平臺的服務使用壽命為20年，因此要求張力腿與樁基連接裝置結構疲勞設計壽命應高于200年。根據API RP 2T的相關要求，對于失效后嚴重影響生產的關鍵部位和不便于修理的部位，要考慮一定的安全余度。例如，對于不進行檢修的區域，如張力腿與樁基連接裝置結構，其疲勞壽命應至少是服役壽命的10倍。

TLP平臺張力腿與樁基連接裝置結構的疲勞分析采用時域方法和與之相關的雨流計數法。在時域方法中，長期的波浪海況離散成為有代表性的短期海況。通過對每一個短期海況的分析算出張力腿上的張力，并將其施加到連接結構的模型上。通過結構分析，計算出應力響應。雨流計數法用于張力時間序列的應力循環的估計；累計的疲勞損傷則是基于S-N曲線。

4.1 有限元模型

張力腿與樁基連接裝置結構的疲勞分析和結構強度分析使用同一個有限元模型，唯一的區別是劃分的單元尺寸。根據海洋結構物疲勞分析的相關規范，熱點處推薦使用尺寸為板厚×板厚的網格單元，并且在遠離關鍵部位的網格劃分尺寸逐漸增大；從而簡化整個結構模型，提高計算效率。

4.2 熱點及熱點應力

疲勞損傷一般發生在應力集中處，如變截面、焊接接頭等。所以，疲勞計算一般選取這些接頭處的熱點，如圖6和圖7所示。熱點區域處節點的主要應力結果如表6所示。

圖6 樁接收器上的熱點區域

圖7 張力腿連接器上的熱點區域

表6 熱點主要應力乘數

根據表6所示的熱點應力，采用雨流計數法，將每一種海況下應力循環次數疊加起來，形成用于疲勞損傷的總的應力循環次數。基于DNV規范RP-C203中的疲勞曲線C曲線，可獲得連接裝置結構熱點處疲勞壽命計算結果，如表7所示。張力腿與樁基連接裝置結構最短的疲勞壽命到達了96 888年，遠高于設計要求的200年。

表7 熱點處的疲勞壽命

5 結 語

張力腿系泊系統是張力腿平臺的重要組成部分，張力腿連接裝置是整個系統的關鍵部件，要求該組件結構強度和疲勞壽命必須滿足規范要求，以保證張力腿平臺的在位安全。為保證張力腿連接裝置的結構強度和疲勞壽命，對其進行了結構分析，獲得結論如下：

(1) 張力腿連接裝置作為平臺系統關鍵部件，其結構強度必須滿足規范要求，須進行作業工況、極限工況和張力腿移除的生存工況下的強度校核，每個工況下的有效應力應小于許用應力。

(2) 平臺在環境載荷作用下，做往復運動，為獲取各工況的最危險應力，對每一種工況，需要考慮張力腿載荷在不同傾角時的水平分量和垂直分量。水平分量從0°～90°，每隔45°一個間隔。對每一種工況，最大應力結果是從這3個方向的結果中選取最大值。

(3) 依據張力腿連接裝置實際結構建立結構有限元模型，計算結果表明在生存工況下張力腿連接器組件結構應力較大，最大應力部位出現在張力腿連接器吊耳上，但其有效應力仍小于許用應力，張力腿連接裝置相關結構強度滿足規范要求。

(4) 根據API RP 2T的相關要求，對于失效后嚴重影響生產的關鍵部位和不便于修理的部位，要考慮一定的安全余度，其疲勞壽命應至少是服役壽命的10倍。熱點區域的疲勞壽命計算結果表明張力腿與樁基連接裝置結構最短的疲勞壽命超過了設計壽命。