深水多功能八角形生產平臺總體結構強度分析

呼文佳，王世圣，趙晶瑞

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引 言

深水多功能八角形平臺是一種集鉆、采、儲于一體的新型浮式生產平臺。設計要求平臺能長期在環境條件惡劣的南海海域生產、作業，平臺除總體性能滿足設計要求外，必須具有足夠的結構強度。本文以新型多功能八角形平臺為研究對象，開展了平臺總體結構強度分析。

深水平臺在位期間，受到的環境載荷包括風、浪、流載荷，其中波浪載荷具有隨機性，最為復雜。為簡化計算，一般規范推薦采用設計波法，即假定平臺承受規則波浪作用，把瞬時作用在平臺上的最大波浪載荷施加到平臺上，同時考慮平臺運動產生慣性力和其他載荷，認為所有外載荷保持靜力平衡，從而將動態問題轉化成準靜態問題，采用靜力結構有限元法進行結構強度分析。

設計波計算可采用長期預報和短期預報方法，Lee等采用短期預報法確定設計波，完成了半潛式平臺整體強度分析［1］；劉海霞等采用短期預報法完成了半潛式平臺結構強度分析中的波浪載荷計算［2］；Jun等采用長期預報設計波法［3］，對規范推薦的6種特征載荷下2種裝載工況的半潛平臺進行設計波計算，并完成總體結構強度分析。

由于長期預報法在隨機性方法的基礎上考慮了海域的真實統計信息，以及各個短期海況的概率，因此更符合實際海況，能夠發現對結構最不利的波浪載荷。為此，本文采用長期預報方法進行設計波計算，利用計算獲得設計波參數，對平臺結構有限元模型施加波浪載荷，進行平臺結構應力分析，并依據規范對新型平臺的總體結構強度進行評估。

1 結構基礎參數

新型多功能八角形平臺的三維示意圖如圖1所示，由上部模塊、浮體（浮體內包含儲油、水等艙室）、垂蕩板、系泊系統和立管系統組成。頂張緊立管通過浮體的八角形中心井將放置在甲板上的采油樹與水下井口連接起來。上部浮體和垂蕩板通過帶有旋轉接頭的鋼管（伸縮立柱）連接。該平臺技術創新是通過垂蕩板設計將平臺垂蕩幅值減小到一定范圍，使平臺能滿足干式采油要求。主尺度參數如表1所示。

圖1 新型多功能八角形平臺三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the new multifunctional octagonal platform

表1 新型多功能八角形平臺主尺度參數Tab.1 Main dimensions of the new multifunctional octagonal platform

依據總體設計確定的平臺主尺度參數，按照規范確定八角形船體、垂蕩板和伸縮立柱的結構尺寸。八角形船體和垂蕩板結構設計包括內外艙壁，徑向壁板，桁材和骨材布置，以及尺寸的確定。

2 設計波計算

深水平臺在位期間承受波浪載荷作用，其結構內力大小受波浪參數影響，同時也與平臺整體結構形式有關，對于柱穩式半潛式平臺的內力計算已有推薦做法。新型平臺結構形式與其他傳統式深水浮式平臺不同，新型平臺類似Spar平臺，上船體高度為47 m，伸縮立柱長度為100 m，垂蕩板厚度為3 m，總高為150 m。根據其結構特征，設置14個剖面，應用SESAM-HydroD進行剖面內力計算，通過計算得到：在水線面位置處，上船體水平剪切最大，在垂蕩周期接近平臺固有垂蕩周期時垂向加速度最大，同時連接鋼管的拉力也達到最大值，伸縮立柱所受的拉力最大值出現在伸縮立柱和下垂蕩板相交處。

根據上述結果，選定4種載荷情況進行長期統計分析，確定設計波參數。環境條件為百年一遇的生存環境，其波浪參數如表2所示。

表2 波浪參數Tab.2 Environmental parameters

在長期統計分析中，假設平臺遭遇每個浪向角的概率相等，即1/13；波浪譜同樣采用JONSWAP譜，譜峰因子為2.4，隨機海況采用南海波浪散布圖。

設計波計算考慮2種裝載工況：①在位無儲油（壓載工況）；②在位100%儲油（滿載工況）。通過長期預報獲得的設計波的參數如表3和表4所示。

表3 壓載工況下設計波參數Tab.3 Design wave parameters under ballast conditions

表4 滿載工況下設計波參數Tab.4 Design wave parameters under full load conditions

3 總體結構強度評估

3.1 有限元結構模型建立

新型平臺結構包括三部分：上船體、伸縮立柱和垂蕩板。上船體外周為壓載水艙，內周為油艙，組成結構包括外壁板、內壁板和徑向壁板，以及水平平臺，各類壁板、平臺采用板架結構，即采用桁材和骨材加強的平板。此外，還有一些附加結構。伸縮立柱是兩端帶有接頭的鋼管，垂蕩板為八角形箱體結構。由于平臺結構復雜，在建立總體結構有限元模型時，為提高計算效率，在建模過程中忽略了對總強度影響不大的結構，如樓梯間、開孔和小肘板等。建模坐標系原點設在垂蕩板底部正中心位置處，x軸以原點指向船首方向為正；y軸以中縱剖面指向左舷為正；z軸自基線向上為正。

新型平臺主體結構采用屈服強度為355 MPa的鋼材建造，局部連接區域采用550 MPa、686 MPa鋼材建造，所有鋼級材料楊氏彈性模量為206 000 MPa。

新型平臺采用縱框架結構，主體結構包括板、桁材和骨材，依據結構設計圖紙建立有限元結構模型。計算模型中板材及桁材腹板采用板單元模擬，骨材、伸縮立柱采用梁單元模擬。在高應力區和高應力變化區盡可能避免使用三角形單元，而采用四邊形單元。經過有限元網格劃分，結構共602 346個單元，337 019個節點。平臺整體結構有限元模型如圖2所示。在分析中，各方向的慣性力、重力和浮力是平衡的，在理論上不需要邊界條件。但在結構計算中需要約束平臺結構的6個剛體自由度，限制其剛體位移。結構分析主要關注船體水線面以下結構整體應力分布情況，為避免約束點在主船體可能由于應力集中產生的誤差，將邊界條件設置在主甲板強橫梁與縱骨相交位置處，沿著周向設置3個約束點，限制結構模型的6個自由度［4］。

圖2 結構有限元模型Fig.2 Structural finite element model

平臺結構模型重量的校核是通過調整部分結構的材料密度來完成的，保證總重量與浮力的誤差不大于總排水量的0.01%。

在建立總體結構有限元模型，以及施加約束后，按照表3和表4給定的各種工況下的設計波參數，利用SESAM水動力分析模塊Wadam計算水動力載荷，然后將等效規則設計波產生的水動壓力傳遞到有限元結構模型上。艙室內部液體產生的水動壓力由軟件自動施加，在完成所有載荷傳遞后，應用SESAM-Sestra模塊進行結構應力分析。

3.2 應力分析與強度評估

3.2.1 應力許用標準

平臺結構強度評估參考中國船級社《海上移動平臺入級規范（2020）》要求［5］，其規定的許用應力標準為

式中：F為許用應力；Fy為結構材料的屈服應力；F.S為材料的安全系數。根據不同的組合工況選取參數，如表5所示。

表5 許用應力衡準Tab.5 Allowable stress criteria

對于板殼結構，板材的等效應力σeqv不能超過表5所示的許用應力F，等效應力σeqv表達式為

式中：σx、σy、σz為板殼沿3個x、y、z方向上的面內應力；τxy為板殼沿x、y方向上的面內剪應力。

3.2.2 應力分析與強度評估

通過有限結構計算獲得結構應力響應。不同工況下，平臺的結構應力分布、等效應力可由軟件后處理得到。對每一種工況每一個單元的等效應力進行統計分析。可以得到所有計算工況下的等效應力結果的最大值。

在壓載工況下，對于LC1、LC2、LC3工況，平臺各部分結構應力均小于許用應力。LC4工況有局部位置出現高應力。在百年一遇海況下，LC4工況平臺上船體結構的應力分布如圖3所示。

圖3 百年一遇壓載工況應力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of ballast condition in 100-year return period

依據圖3所示的應力分布圖，上部結構應力小于下部結構應力，應力水平隨吃水增加而變大。上船體外板的最大應力為280.08 MPa，外底板最大應力為202.59 MPa，上船體內底板應力為242.23 MPa。平臺絕大部分區域應力結果滿足規范要求。在局部區域，如圖3所示，上船體徑向艙壁板和環向艙壁板相交處最大應力為379.51 MPa，不滿足規范要求。主要是壓載工況油艙是空艙，壓載艙內壓載水分布在浮體外周，在垂蕩運動中壓載水對艙壁作用增加。另外，這也是水動力載荷較大的位置。高應力區域如圖3所示，上船體裙板與外板交界處的最大應力為291.87 MPa。在裙板和舷側外板連接區域有局部應力過大現象，主要是裙板的彎曲在連接處產生應力集中。另外在上船體底部非水密艙壁的開孔處以及連接鋼管與浮體外板連接節點處也有應力集中現象，出現高應力。上船體應力分布對比圓筒形FPSO應力分布，兩者應力分布趨勢基本一致［6-7］。上船體徑向艙壁板和環向艙壁板相交處的最大應力超過許用應力，可能是由于模型簡化假設或網格質量限制。通過對局部有限元網格調整，以及對該位置骨材稍稍加強，經結構有限元分析表明該位置應力明顯下降，其他區域變化不大，均能滿足規范要求。

在滿載工況下，LC8工況下，局部出現高應力。上船體非水密艙壁最大應力為295.957 MPa，垂蕩板上底板最大應力為257.2 MPa，均能滿足規范要求。在滿載工況下，油艙充滿原油，原油儲存在艙室內對艙壁有加強作用，在一定程度上減輕了外部水壓的作用，所以總體應力水平較壓載工況低。

垂蕩板整體應力水平均滿足規范要求。在不同工況下，垂蕩板上下表面所受水壓力相差不多，說明垂蕩板所在深度，波浪激勵力的作用已經弱化很多，垂蕩板主要承受的外力以該位置深度的外部靜壓以及內部的液體壓力為主，因此垂蕩板上的應力分布比較均勻。

伸縮立柱連接平臺與垂蕩板，是平臺的重要組成部分，對平臺系統的失效起到關鍵作用。依據表1設計參數：立柱直徑為1.12 m，壁厚為0.038 m。通過計算獲得伸縮立柱在百年一遇的最大截面應力為293.19 MPa，依照API-RP-2T規范［8］，滿足規范要求。

4 結 語

（1）依據新型平臺的結構形式，沿縱向設置剖面，通過計算篩選出平臺結構剖面載荷最大的剖面，用于設計波參數的統計分析。

（2）設計波參數計算采用長期預報法，獲得對結構最不利波浪載荷，將設計波施加在平臺結構模型上進行結構應力計算，為平臺的結構安全評估提供保障。

（3）通過有限元分析，得出各工況下上船體、垂蕩板結構應力分布，結果表明平臺應力分析結果滿足規范要求，立柱最大拉力也在允許范圍內。平臺總體結構設計基本合理。