深水半潛式鉆井平臺(tái)冗余強(qiáng)度評(píng)估

王世圣, 謝 彬, 謝文會(huì)

(中海石油研究總院,北京100027)

深水半潛式鉆井平臺(tái)冗余強(qiáng)度評(píng)估

王世圣, 謝 彬, 謝文會(huì)

(中海石油研究總院,北京100027)

為評(píng)估深水半潛式鉆井平臺(tái)冗余強(qiáng)度,應(yīng)用SESAM軟件,建立了深水半潛式鉆井平臺(tái)破損結(jié)構(gòu)的有限元模型,并依據(jù)生存工況計(jì)算設(shè)計(jì)波參數(shù),通過(guò)計(jì)算獲得生存工況下六種波浪載荷。然后再將設(shè)計(jì)波浪載荷施加到結(jié)構(gòu)模型上,通過(guò)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析獲得了總體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力分布趨勢(shì),通過(guò)對(duì)比完整結(jié)構(gòu)與破損結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力的變化,對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)的破損強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。

深水半潛式鉆井平臺(tái);結(jié)構(gòu)模型;有限元;應(yīng)力分布;冗余強(qiáng)度

0 引言

深水半潛式鉆井平臺(tái)作為深水油氣田開(kāi)發(fā)的重要設(shè)備,長(zhǎng)期在惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè),不時(shí)承受著海洋環(huán)境載荷的作用。根據(jù)ABS設(shè)計(jì)規(guī)范[1]規(guī)定,深水半潛式鉆井平臺(tái)不僅在完整狀態(tài)下具有足夠的整體強(qiáng)度,而且在局部破損后仍能保證其整體不破壞。因此,我們不但需要對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,還需要進(jìn)行冗余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。由于平臺(tái)的對(duì)稱性,在相同的工況條件下船艏和船艉的一根橫撐破斷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響相差不大。一般半潛式鉆井平臺(tái)的冗余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的假定條件是半潛式鉆井平臺(tái)船艏的一根橫撐破斷,冗余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析一樣,均采用有限元法進(jìn)行。分析工況采用生存工況。

本文建立了深水半潛式鉆井平臺(tái)破損結(jié)構(gòu)的有限元模型,并按照百年一遇的生存工況計(jì)算波浪載荷,然后施加到結(jié)構(gòu)有限元模型上,進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)冗余強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。

1 破損結(jié)構(gòu)的有限元模型的建立

深水半潛式鉆井平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)旁通和四根立柱與之連接一起的立柱構(gòu)成,立柱截面形狀多為正方形或矩形。半潛式鉆井平臺(tái)的殼體結(jié)構(gòu)包括下浮體、立柱,它們都包含多個(gè)由縱橫艙壁隔開(kāi)的內(nèi)部艙室,以及水密或非水密平臺(tái),且殼體、立柱和內(nèi)部艙室壁板都設(shè)有很多縱、橫加強(qiáng)筋予以加強(qiáng)。在建立半潛式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型時(shí)為減輕建模工作量和降低有限元網(wǎng)格劃分的難度,在反映結(jié)構(gòu)真實(shí)承載能力的前提下,須做相應(yīng)的簡(jiǎn)化。在建立半潛式鉆井平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)模型時(shí),外板、艙壁、甲板等平板構(gòu)件采用四節(jié)點(diǎn)或三節(jié)點(diǎn)殼單元,平臺(tái)骨架(包括縱析、縱骨、橫梁、肋骨等加強(qiáng)結(jié)構(gòu))簡(jiǎn)化為空間梁?jiǎn)卧?但對(duì)于殼體加強(qiáng)骨架中尺度較大的板,為提高計(jì)算精度要用板單元模擬。橫撐管由于結(jié)構(gòu)尺寸較大也采用殼單元。在有限元網(wǎng)格劃分過(guò)程中,對(duì)聯(lián)結(jié)部位(如:立柱與下浮體聯(lián)結(jié)處、立柱與上甲板聯(lián)結(jié)處以及橫撐管與立柱聯(lián)結(jié)處)要注意細(xì)化網(wǎng)格。圖1所示為半潛式鉆井平臺(tái)破損結(jié)構(gòu)的有限元模型。

冗余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的邊界條件是在平臺(tái)的下浮箱上取3個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)1限制X、Y、Z向三個(gè)移動(dòng)自由度,節(jié)點(diǎn)2限制Y、Z向三個(gè)移動(dòng)自由度,節(jié)點(diǎn)3限制Z向三個(gè)移動(dòng)自由度。理論上平臺(tái)在重力、慣性力和波浪力作用下是一個(gè)自平衡體系,所有約束反力應(yīng)當(dāng)為零,因此要求反力足夠小才能保證計(jì)算精度。一般要求約束反力小于總重量的0.1%。

圖1 冗余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算模型

2 載荷組合工況

按照ABS設(shè)計(jì)規(guī)范,需要對(duì)拖航、作業(yè)/連接和生存3種狀態(tài)分別進(jìn)行半潛式鉆井平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)冗余強(qiáng)度分析。但冗余強(qiáng)度分析的目的是要求結(jié)構(gòu)在局部破損的情況下不發(fā)生整體結(jié)構(gòu)失效,對(duì)比三種工況,在生存狀態(tài)下,半潛式鉆井平臺(tái)出現(xiàn)局部破損時(shí)最容易發(fā)生整體結(jié)構(gòu)失效,因此半潛式鉆井平臺(tái)的冗余強(qiáng)度分析只考慮生存狀態(tài)。在生存狀態(tài)下平臺(tái)所遭受的最具危險(xiǎn)性的水動(dòng)力載荷有:

1)最大橫向撕裂力;2)最大橫向扭矩;3)最大縱向剪切力;4)最大垂向彎矩;5)最大縱向甲板質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)引起的慣性力;6)最大橫向甲板質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)引起的慣性力。

根據(jù)ABS規(guī)范給定的方法,按照百年一遇的海洋環(huán)境條件對(duì)以上六種危險(xiǎn)工況進(jìn)行設(shè)計(jì)波分析,通過(guò)計(jì)算獲得這些工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 生存狀態(tài)下設(shè)計(jì)波參數(shù)及水動(dòng)力載荷

按照表1給定的生存狀態(tài)下設(shè)計(jì)波參數(shù),在建立冗余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算模型后,利用Sesam程序分析計(jì)算水動(dòng)力載荷,并將水動(dòng)力載荷直接映射到整體結(jié)構(gòu)有限元模型上,應(yīng)用模塊Sestra進(jìn)行平臺(tái)的結(jié)構(gòu)計(jì)算,冗余結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果由Xtract輸出,在Xtract模塊中可以迭加靜水壓力和水動(dòng)力共同作用的結(jié)果并以等效應(yīng)力云圖的方式輸出計(jì)算結(jié)果。

3 許用應(yīng)力

深水半潛式鉆井平臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)主要采用高強(qiáng)度鋼制造,鋼材的屈服極限為355 MPa,在立柱與上甲板的連接部位采用超高強(qiáng)度鋼材,屈服極限達(dá)到550 MPa。ABSMODU規(guī)范對(duì)深水半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)各工況時(shí)規(guī)定了的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于應(yīng)力分量和由應(yīng)力分量組合而得的應(yīng)力,兩者的許用應(yīng)力計(jì)算公式為

式中:FY為材料屈服極限;FS為安全系數(shù)。

對(duì)于板結(jié)構(gòu),可以采用Von Mises等效應(yīng)力進(jìn)行校核。等效應(yīng)力的許用應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2 等效應(yīng)力的許用應(yīng)力

4 計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

應(yīng)用Sesam程序,根據(jù)確定的設(shè)計(jì)波參數(shù)對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行了冗余強(qiáng)度計(jì)算,計(jì)算結(jié)果給出了在不同工況下平臺(tái)破損結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力分布,以及主要結(jié)構(gòu)部分的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力的作用位置,為判斷結(jié)構(gòu)的安全余度和改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。半潛式鉆井平臺(tái)破損結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布如圖2～圖7。

半潛式鉆井平臺(tái)冗余度分析的目的是通過(guò)破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比,確定半潛式鉆井平臺(tái)是否具有一定冗余度。對(duì)于不同的工況,破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果存在明顯的差異,下面將對(duì)比六種工況下,破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果,以確定這些工況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度冗余度,最后確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)總的強(qiáng)度冗余度。六種工況下破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力見(jiàn)表3。

圖6 最大縱向甲板質(zhì)量加速作用工況

圖7 最大橫向甲板質(zhì)量加速作用工況

表3 六種工況下破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力

根據(jù)圖2～圖7六種工況下結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布及表3給出的六種工況下破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力,破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)的應(yīng)力對(duì)比如下:

工況1在最大橫向撕裂力作用下,下浮箱縱艙壁最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力,冗余度不夠,需要加強(qiáng)。由于前橫撐破損,橫向撕裂力由一根橫撐承擔(dān),橫撐最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力,冗余度不夠,需要加強(qiáng)。在立柱強(qiáng)框架上也出現(xiàn)了同樣的問(wèn)題。其他部位在同一工況下破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力接近。

工況2在最大橫向扭矩作用下,箱型甲板的應(yīng)力大于許用應(yīng)力,但破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力接近。由于最大橫向扭矩主要由箱型甲板和橫撐承擔(dān),高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在箱型甲板和橫撐上,故兩者均需要加強(qiáng)。

工況3在最大縱向剪切力作用下,使得箱型甲板與立柱連接部位,及下浮體的相關(guān)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū),但破損結(jié)構(gòu)與完整結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力差別不很大。該工況是六種工況中最危險(xiǎn)的工況,故要求結(jié)構(gòu)作總體加強(qiáng)。

工況4在最大垂向彎矩作用下,引起應(yīng)力增加的部位是下浮箱縱艙壁,這是由于下浮箱的縱向彎曲造成的。下浮箱橫艙壁和強(qiáng)框架,在各個(gè)工況下總是出現(xiàn)高應(yīng)力點(diǎn),這主要是由有限元網(wǎng)格劃分不合理造成的。

工況5在最大縱向甲板質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)引起的慣性力作用下,結(jié)構(gòu)破損沒(méi)有引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力的顯著增加,該工況不是結(jié)構(gòu)冗余強(qiáng)度的控制工況。

工況6最大橫向甲板質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)引起的慣性力,結(jié)構(gòu)破損沒(méi)有引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力的顯著增加,該工況不是結(jié)構(gòu)冗余強(qiáng)度的控制工況。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)冗余強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析以及與完整結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果對(duì)比,可以看出六種計(jì)算工況中的前四種工況為冗余強(qiáng)度的控制工況。在這四種工況中,結(jié)構(gòu)的破損(前橫撐的缺失)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化,或高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移,或最大應(yīng)力明顯增加。(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,前橫撐破損造成結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力明顯變化的主要部位包括:橫撐、上甲板BHD、下浮箱縱艙壁、立柱強(qiáng)框架和立柱外板。這些部位需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。(3)在有限元網(wǎng)格劃分時(shí),由于主要考慮了立柱和下浮箱的網(wǎng)格協(xié)調(diào),在下浮箱橫艙壁和下浮箱強(qiáng)框架上出現(xiàn)了個(gè)別不規(guī)則單元,從而造成個(gè)別高應(yīng)力點(diǎn)的出現(xiàn),但這并不能反映真實(shí)的應(yīng)力,需要通過(guò)局部模型修正。(4)根據(jù)冗余強(qiáng)度分析結(jié)果,完整結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)修改可以保證在生存狀態(tài)下具有足夠的冗余度。

[1] ABS.ABSRules for building and classing mobile offshore drilling units[S].Houston:American Bureau of Shipping,2006.

[2] ABS.ABS-Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S].2001,part 3-Hull construction&Equipment.

Study on Redundancy Strength of the Deepwater Sem i-Submersible Drilling Rig

WANG Shi-sheng, XIEBin, XIEWen-hui

(CNOOC Research Institue,Beijing 100027,China)

In order to study redundancy strength of the deepwater semi-submersible drilling rig,damaged structural model is built by SESAM softw are.Acco rding to survival condition design wave parameters,six wave loads in survival conditon are calculated,and then they are app lied to the damaged structural model.The stress and its distribution trend are go tten by finite element analysis.Through contrasting the change of maximum stress between damaged structure and comp lete structure,evaluation of redundancy strength of sem i-submersible drilling rig ismade.

deepw ater sem i-submersible drilling rig;structural model;finite element;stress distribution;redundancy structural strength

P751

A

2009-12-30

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(八六三)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目“深水半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)”(2006AA09A103)

王世圣(1962-),男,博士,從事深水海洋石油開(kāi)發(fā)工程結(jié)構(gòu)研究。