王世圣, 謝 彬, 謝文會

(中海石油研究總院,北京100027)

深水半潛式鉆井平臺冗余強度評估

王世圣, 謝 彬, 謝文會

(中海石油研究總院,北京100027)

為評估深水半潛式鉆井平臺冗余強度,應用SESAM軟件,建立了深水半潛式鉆井平臺破損結構的有限元模型,并依據(jù)生存工況計算設計波參數(shù),通過計算獲得生存工況下六種波浪載荷。然后再將設計波浪載荷施加到結構模型上,通過結構有限元計算分析獲得了總體結構的應力計算結果和應力分布趨勢,通過對比完整結構與破損結構的最大應力的變化,對半潛式鉆井平臺的破損強度進行了評估。

深水半潛式鉆井平臺;結構模型;有限元;應力分布;冗余強度

0 引言

深水半潛式鉆井平臺作為深水油氣田開發(fā)的重要設備,長期在惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè),不時承受著海洋環(huán)境載荷的作用。根據(jù)ABS設計規(guī)范[1]規(guī)定,深水半潛式鉆井平臺不僅在完整狀態(tài)下具有足夠的整體強度,而且在局部破損后仍能保證其整體不破壞。因此,我們不但需要對半潛式鉆井平臺進行總體結構強度分析,還需要進行冗余結構強度分析。由于平臺的對稱性,在相同的工況條件下船艏和船艉的一根橫撐破斷對結構的影響相差不大。一般半潛式鉆井平臺的冗余結構強度分析的假定條件是半潛式鉆井平臺船艏的一根橫撐破斷,冗余結構強度分析與總體結構強度分析一樣,均采用有限元法進行。分析工況采用生存工況。

本文建立了深水半潛式鉆井平臺破損結構的有限元模型,并按照百年一遇的生存工況計算波浪載荷,然后施加到結構有限元模型上,進行結構計算,同時根據(jù)計算結果對結構冗余強度進行了評估。

1 破損結構的有限元模型的建立

深水半潛式鉆井平臺的主體結構由兩個旁通和四根立柱與之連接一起的立柱構成,立柱截面形狀多為正方形或矩形。半潛式鉆井平臺的殼體結構包括下浮體、立柱,它們都包含多個由縱橫艙壁隔開的內部艙室,以及水密或非水密平臺,且殼體、立柱和內部艙室壁板都設有很多縱、橫加強筋予以加強。在建立半潛式鉆井平臺的結構模型時為減輕建模工作量和降低有限元網格劃分的難度,在反映結構真實承載能力的前提下,須做相應的簡化。在建立半潛式鉆井平臺的總體結構模型時,外板、艙壁、甲板等平板構件采用四節(jié)點或三節(jié)點殼單元,平臺骨架(包括縱析、縱骨、橫梁、肋骨等加強結構)簡化為空間梁單元,但對于殼體加強骨架中尺度較大的板,為提高計算精度要用板單元模擬。橫撐管由于結構尺寸較大也采用殼單元。在有限元網格劃分過程中,對聯(lián)結部位(如:立柱與下浮體聯(lián)結處、立柱與上甲板聯(lián)結處以及橫撐管與立柱聯(lián)結處)要注意細化網格。圖1所示為半潛式鉆井平臺破損結構的有限元模型。

冗余結構強度分析的邊界條件是在平臺的下浮箱上取3個節(jié)點,節(jié)點1限制X、Y、Z向三個移動自由度,節(jié)點2限制Y、Z向三個移動自由度,節(jié)點3限制Z向三個移動自由度。理論上平臺在重力、慣性力和波浪力作用下是一個自平衡體系,所有約束反力應當為零,因此要求反力足夠小才能保證計算精度。一般要求約束反力小于總重量的0.1%。

圖1 冗余結構強度計算模型

2 載荷組合工況

按照ABS設計規(guī)范,需要對拖航、作業(yè)/連接和生存3種狀態(tài)分別進行半潛式鉆井平臺的總體結構冗余強度分析。但冗余強度分析的目的是要求結構在局部破損的情況下不發(fā)生整體結構失效,對比三種工況,在生存狀態(tài)下,半潛式鉆井平臺出現(xiàn)局部破損時最容易發(fā)生整體結構失效,因此半潛式鉆井平臺的冗余強度分析只考慮生存狀態(tài)。在生存狀態(tài)下平臺所遭受的最具危險性的水動力載荷有:

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)最大縱向甲板質量加速運動引起的慣性力;6)最大橫向甲板質量加速運動引起的慣性力。

根據(jù)ABS規(guī)范給定的方法,按照百年一遇的海洋環(huán)境條件對以上六種危險工況進行設計波分析,通過計算獲得這些工況的設計波參數(shù)見表1。

表1 生存狀態(tài)下設計波參數(shù)及水動力載荷

按照表1給定的生存狀態(tài)下設計波參數(shù),在建立冗余結構強度計算模型后,利用Sesam程序分析計算水動力載荷,并將水動力載荷直接映射到整體結構有限元模型上,應用模塊Sestra進行平臺的結構計算,冗余結構的有限元計算結果由Xtract輸出,在Xtract模塊中可以迭加靜水壓力和水動力共同作用的結果并以等效應力云圖的方式輸出計算結果。

3 許用應力

深水半潛式鉆井平臺浮體結構主要采用高強度鋼制造,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度鋼材,屈服極限達到550 MPa。ABSMODU規(guī)范對深水半潛式鉆井平臺結構各工況時規(guī)定了的許用應力標準。對于應力分量和由應力分量組合而得的應力,兩者的許用應力計算公式為

式中:FY為材料屈服極限;FS為安全系數(shù)。

對于板結構,可以采用Von Mises等效應力進行校核。等效應力的許用應力見表2。

表2 等效應力的許用應力

4 計算結果與對比分析

應用Sesam程序,根據(jù)確定的設計波參數(shù)對半潛式鉆井平臺進行了冗余強度計算,計算結果給出了在不同工況下平臺破損結構的總體應力分布,以及主要結構部分的應力分布和最大應力的作用位置,為判斷結構的安全余度和改進結構提供了依據(jù)。半潛式鉆井平臺破損結構總體應力分布如圖2～圖7。

半潛式鉆井平臺冗余度分析的目的是通過破損結構與完整結構的計算結果對比,確定半潛式鉆井平臺是否具有一定冗余度。對于不同的工況,破損結構與完整結構的計算結果存在明顯的差異,下面將對比六種工況下,破損結構與完整結構的計算結果,以確定這些工況的結構強度冗余度,最后確定平臺結構總的強度冗余度。六種工況下破損結構與完整結構上最大應力見表3。

圖6 最大縱向甲板質量加速作用工況

圖7 最大橫向甲板質量加速作用工況

表3 六種工況下破損結構與完整結構上最大應力

根據(jù)圖2～圖7六種工況下結構總體應力分布及表3給出的六種工況下破損結構與完整結構上最大應力,破損結構與完整結構的應力對比如下:

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

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

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,及下浮體的相關結構出現(xiàn)高應力區(qū),但破損結構與完整結構最大應力差別不很大。該工況是六種工況中最危險的工況,故要求結構作總體加強。

工況4在最大垂向彎矩作用下,引起應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。下浮箱橫艙壁和強框架,在各個工況下總是出現(xiàn)高應力點,這主要是由有限元網格劃分不合理造成的。

工況5在最大縱向甲板質量加速運動引起的慣性力作用下,結構破損沒有引起結構應力的顯著增加,該工況不是結構冗余強度的控制工況。

工況6最大橫向甲板質量加速運動引起的慣性力,結構破損沒有引起結構應力的顯著增加,該工況不是結構冗余強度的控制工況。

5 結論

(1)通過冗余強度結構分析以及與完整結構強度分析結果對比,可以看出六種計算工況中的前四種工況為冗余強度的控制工況。在這四種工況中,結構的破損(前橫撐的缺失)導致結構應力分布發(fā)生明顯變化,或高應力區(qū)轉移,或最大應力明顯增加。(2)根據(jù)計算結果,前橫撐破損造成結構最大應力明顯變化的主要部位包括:橫撐、上甲板BHD、下浮箱縱艙壁、立柱強框架和立柱外板。這些部位需要加強結構強度。(3)在有限元網格劃分時,由于主要考慮了立柱和下浮箱的網格協(xié)調,在下浮箱橫艙壁和下浮箱強框架上出現(xiàn)了個別不規(guī)則單元,從而造成個別高應力點的出現(xiàn),但這并不能反映真實的應力,需要通過局部模型修正。(4)根據(jù)冗余強度分析結果,完整結構經過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

國家高技術研究發(fā)展計劃(八六三)經費資助項目“深水半潛式鉆井平臺關鍵技術”(2006AA09A103)

王世圣(1962-),男,博士,從事深水海洋石油開發(fā)工程結構研究。