李境偉，竇培林，張興剛

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

海洋油氣資源開發(fā)業(yè)務(wù)不斷地向2 000 m以上的超深水復雜海域延伸，在超深水海域作業(yè)，尤其是難度極高的海底鉆井工作，半潛式海洋鉆井平臺具有絕對的優(yōu)勢。超深水半潛式鉆井平臺需要具有長期作業(yè)的能力以及抵御50年一遇甚至上百年一遇的極端惡劣海況的能力。另外，超深水海域距離海岸較遠，來回運輸平臺所需的時間比較長，并且多次組裝拆卸對于鉆井設(shè)備損耗極大，因此不能很方便地對半潛式鉆井平臺進行全方位的檢修。設(shè)計人員在總體設(shè)計過程中，會標注一些相應的關(guān)鍵位置，這些地方需要定期或不定期地檢查和維修。其實這種做法是有一定風險的，特別是在長期作業(yè)后期。一些無法定期檢查或者不容易被注意到的位置，若是結(jié)構(gòu)失效就會造成非常嚴重的后果。因此，對于平臺結(jié)構(gòu)的強度分析，不僅要對總體強度進行把握，還需要根據(jù)實踐積累的經(jīng)驗對一些可能發(fā)生失穩(wěn)的部位進行深入分析，以確保平臺結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

1 目標平臺關(guān)鍵節(jié)點強度分析流程

1.1 結(jié)構(gòu)模型

超深水半潛式鉆井平臺，適用于3 000 m以上的超深水海域長期作業(yè)，總體結(jié)構(gòu)龐大并且排布復雜，為使得計算結(jié)果更加真實可信，本文結(jié)構(gòu)模型嚴格按照圖紙進行建立，如圖1所示。在浮筒上平面有4種板厚，分別為15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，多種厚度的板結(jié)構(gòu)混合排布，致使網(wǎng)格數(shù)量巨大，最終本文結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分采用網(wǎng)格尺寸0.67 m，共有節(jié)點數(shù)237 617，網(wǎng)格數(shù)490 391。模型節(jié)點數(shù)和網(wǎng)格數(shù)遠遠超過軟件限制網(wǎng)格數(shù)，因此在Sesam軟件中計算時，要對環(huán)境變量進行修改，設(shè)置一個新的系統(tǒng)環(huán)境變量擴展虛擬緩存數(shù)據(jù)量。通過本文實際應用，此方法可行。

圖1 整體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig. 1 The overall structure finite element model

1.2 邊界條件

半潛式鉆井平臺結(jié)構(gòu)有限元計算時容易出現(xiàn)六自由度的剛性位移，為消除此因素的影響，選取3個節(jié)點進行剛體位移約束，節(jié)點選取在同一水平面內(nèi)，該平面為下浮筒底面。節(jié)點1和節(jié)點2分別位于左右浮筒首尾的中縱艙壁中心線處，節(jié)點3位于左舷的下浮筒中間部位的中縱艙壁處。節(jié)點1約束x，y，z三個方向的位移約束，節(jié)點2約束y，z兩個方向的位移約束，節(jié)點3約束z方向的位移約束。

圖2 半潛式鉆井平臺邊界條件Fig. 2 Boundary conditions of semi-submersible drilling platform

2 長期預報及設(shè)計波參數(shù)的確定

2.1 典型波浪載荷工況的選取

本文采用SESAM-HydroD軟件進行半潛平臺水動力性能分析及波浪載荷長期預報。通過長期預報設(shè)計波方法進行設(shè)計波參數(shù)選取。本文主要關(guān)注的是下浮筒與立柱連接處典型十字節(jié)點結(jié)構(gòu)的安全性問題，因此主要選取下列4種典型波浪載荷工況。

1）縱向剪切

半潛平臺結(jié)構(gòu)所受的最大縱向剪切力是在波長為兩浮筒間對角線長度的1.5倍，并且結(jié)構(gòu)受到斜浪作用時，此時不僅是半潛平臺水平橫撐受到巨大的載荷作用，對于立柱與下浮筒關(guān)鍵連接節(jié)點也會產(chǎn)生非常嚴重的應力集中，如圖3所示。另外，在產(chǎn)生巨大剪切力的同時，平臺之間的水平分離力也會與之疊加，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定危險工況時應多浪向的進行考慮，特別是對于斜浪的關(guān)注。

圖3 最大縱向剪切Fig. 3 Maximum longitudinal shear

2）縱向扭轉(zhuǎn)

當半潛式鉆井平臺受到波長等于兩浮體對角線長度的波浪時，平臺結(jié)構(gòu)會受到巨大的縱向扭轉(zhuǎn)。平臺立柱結(jié)構(gòu)是上平臺甲板和下浮筒的關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)，當平臺出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)時，由于慣性等因素的影響，立柱連接節(jié)點會受到巨大載荷出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，因此在考慮典型載荷工況時要著重關(guān)注縱向扭轉(zhuǎn)運動。

圖4 最大橫向扭矩Fig. 4 Maximum lateral torque

3）橫向分離

對于四立柱、雙浮筒型式的半潛式鉆井平臺，當結(jié)構(gòu)受到橫向波浪且波長為2倍浮筒間距時，即波峰位于平臺結(jié)構(gòu)中部，波谷位于兩浮筒位置附近，如圖5所示。在此波浪載荷作用下，平臺橫撐受到巨大拉力，同時造成立柱與下浮筒十字連接節(jié)點位置受到十分嚴重的剪切力，因此需要對半潛平臺橫向分離力深入分析。

4）垂向彎曲

當半潛平臺受到波長等于或大于浮體長度且遭遇浪向為0°或180°時，此時的波峰或波谷位于中橫剖面處，平臺垂向彎曲最為嚴重，如圖6所示。此時立柱與下浮筒連接關(guān)節(jié)節(jié)點處會受到巨大的拉壓應力，長期的往復運動，會對半潛平臺結(jié)構(gòu)造成較為嚴重的疲勞損傷。

圖5 最大橫向受力Fig. 5 Maximum lateral force

圖6 中橫剖面最大垂向彎矩Fig. 6 The maximum vertical bending moment of the transverse section

本文在波浪載荷預報和結(jié)構(gòu)強度分析中使用的是DNV船級社開發(fā)的SESAM軟件。計算流程如圖7所示。

圖7 計算流程Fig. 7 Flowchart of calculation

2.2 長期預報

進行波浪載荷的長期預報，涉及到波浪統(tǒng)計資料即波浪散布圖的選取、波浪譜的選取、概率水平、入射波浪向的選取。其中，波浪散布圖選取近似中國南海海域真實情況的波浪散布圖WS3。波浪譜選取Jonswap譜，有義波高13.8 m，跨零周期11.6 s，波譜參數(shù)中增強因子自存工況2.0，作業(yè)工況2.4，參數(shù)σA為0.07，σB為0.09，得到的波浪譜如圖8所示。概率水平計算時選取10-2，10-4，10-6，10-8，10-10；入射波浪向選取0°～90°，步長15°，共7個浪向。根據(jù)上述條件分別進行計算并對比分析。

各工況下長期預報計算結(jié)果統(tǒng)計如圖9～圖12所示。

由圖9～圖12可以得到：

圖8 Jonswap波浪譜Fig. 8 Jonswap wave spectrum

圖9 橫向分離力長期預報Fig. 9 Long-term prediction of lateral separation force

1）以對數(shù)函數(shù)表現(xiàn)形式下，不論是自存工況還是作業(yè)工況，其預報幅值均隨著超越概率的減小逐漸增大，這與預報精度越高，計算值越準確的原理一致。

2）在各典型工況中，自存工況與作業(yè)工況計算結(jié)果的離散程度不同。自存工況時，計算結(jié)果較為離散，各曲線之間的間距較小近乎形成“一簇”的形式，而作業(yè)工況計算結(jié)果則不同。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果不難看出，每種典型工況下大致是分成兩部分，在橫向分離、垂向彎矩、縱向剪切3種工況下，30°，45°，60°，All inc與0°，15°，75°，90°分為2個部分，在縱向扭轉(zhuǎn)工況中30°，60°，All Inc與0°，15°，45°，75°，90°形成2個部分。通過這樣的分布結(jié)果，分析得到，30°和60°的計算結(jié)果應該是所有計算結(jié)果中占有重要比例，因為其計算結(jié)果與All Inc即平均結(jié)果始終在“一簇”，即差距非常小，在設(shè)計波參數(shù)的確定中，可以參考此規(guī)律。

3）在各典型工況中，半潛式鉆井平臺無論是在自存狀態(tài)下還是在作業(yè)狀態(tài)下，最大值所在浪向均一致，這說明對于四立柱雙浮筒結(jié)構(gòu)型式的半潛式鉆井平臺，壓載狀態(tài)不是決定長期預報值最大浪向的關(guān)鍵因素。

圖10 垂向彎矩長期預報Fig. 10 Long-term prediction of vertical bending moment

圖11 縱向剪切力長期預報Fig. 11 Long-term prediction of longitudinal shear force

圖12 縱向扭轉(zhuǎn)長期預報Fig. 12 Long-term prediction of longitudinal torsion

2.3 設(shè)計波參數(shù)確定

1）不同回復周期下的長期預報值

利用SESAM-Postresp軟件，基于Wadam水動力計算結(jié)果，進一步對不同回復周期下各剖面的波浪載荷進行預報，浪向角0°～90°范圍內(nèi)以15°等間隔分布，根據(jù)DNV所開發(fā)的軟件SESAM幫助文件中推薦，假定各浪向出現(xiàn)的概率分別為0.05，0.1，0.15，0.4，0.15，0.1，0.05，波浪的重現(xiàn)周期設(shè)置為1年、5年、10年、50年、100年?；谀虾：r資料進行長期預報計算，將計算結(jié)果中的最大值記錄在表1。

表1 各剖面不同重現(xiàn)期下的載荷長期預報值Tab. 1 Long-term forecast values of loads under different recurrence periods in each profile

從表1數(shù)據(jù)可以看出，各剖面載荷長期預報值與回復周期增長成正比關(guān)系，即隨著重現(xiàn)周期的增加，剖面載荷預報值也增加。根據(jù)DNV規(guī)范可知，浮式海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計時，疲勞壽命應為設(shè)計使用壽命的3倍，本文半潛式鉆井平臺設(shè)計使用壽命為25年，因此重現(xiàn)周期選擇時，可選擇100年進行計算，確定設(shè)計波參數(shù)。

2）確定設(shè)計波參數(shù)

根據(jù)DNV規(guī)范推薦，長期預報分析時超越概率一般選取10-8。采用長期預報設(shè)計波法確定設(shè)計波參數(shù)時，需要確定2個數(shù)值，一是在剖面載荷的長期預報值，另外一個數(shù)值是對應剖面載荷傳遞函數(shù)的最大響應值。因為設(shè)計波的波幅實際是這2個數(shù)值之間的比值，即設(shè)計波波幅等于某工況下長期預報值與該工況下最大響應幅值的比值。設(shè)計規(guī)則波的浪向、周期以及相位與響應幅值最大值所對應的參數(shù)相同。通過計算，將本文半潛式鉆井平臺各典型工況下的設(shè)計波參數(shù)統(tǒng)計在表2中。

表2 典型工況下的設(shè)計波參數(shù)Tab. 2 Design wave parameters under typical operating conditions

3 關(guān)鍵節(jié)點強度分析

利用有限元軟件SESAM-Sestra進行半潛式鉆井平臺的強度計算，有限元分析模型結(jié)構(gòu)龐大，細節(jié)復雜，板殼及艙壁結(jié)構(gòu)采用板單元進行仿真模擬，對于梁結(jié)構(gòu)采用beam單元進行模擬。所有結(jié)構(gòu)的基本屬性均按照實際設(shè)計要求進行設(shè)置，盡可能使計算結(jié)構(gòu)模型近似真實。

3.1 不同浪向下波浪壓力分布

根據(jù)長期預報法得到的設(shè)計波參數(shù)分析，在入射浪向為30°和60°，周期為7.6 s，7.8 s，8 s時，關(guān)鍵節(jié)點所處環(huán)境較為危險。因此本文通過進一步縮小范圍進行波浪載荷搜索，分析結(jié)構(gòu)受載情況。以自存工況下平臺結(jié)構(gòu)所受的波浪載荷分布圖對重點浪向及波浪周期進行分析，得到對關(guān)鍵節(jié)點影響較為嚴重的波浪參數(shù)。

圖13為水下結(jié)構(gòu)在靜水作用下的壓力分布情況，從圖中可以看出平臺水下結(jié)構(gòu)靜水中受載均勻，并且載荷大小主要與結(jié)構(gòu)所處水深有關(guān)，水深越深，結(jié)構(gòu)受到的靜水壓力越大，這與物理學中的水深與壓強的關(guān)系是一致的。

圖13 靜水壓力（自存）Fig. 13 Hydrostatic pressure（self-existing）

圖14為重點入射浪向及波浪周期下的波浪載荷分布圖，其中各圖命名組成分別為“浪向-周期”。通過6幅危險波浪載荷分布圖可以看出，入射浪向為斜浪時，波浪載荷呈對角分布。呈對角線分布的立柱與下浮筒連接位置受到較大載荷影響，從壓力分布情況反映出，本文設(shè)計波參數(shù)的選取可行。

圖14 危險波浪條件下的波浪載荷分布圖Fig. 14 Wave load distribution under dangerous wave conditions

3.2 關(guān)鍵節(jié)點應力分布分析

半潛式鉆井平臺在水中長期漂浮，從始至終靜水壓力會一直作用在半潛式結(jié)構(gòu)上。圖15為靜水壓力作用下的最大主應力分布圖，可以看出，在靜水壓力作用下，平臺結(jié)構(gòu)最大主應力分布在下浮筒的橫縱艙壁位置會發(fā)生突變，這種突變會對結(jié)構(gòu)安全造成威脅，引發(fā)結(jié)構(gòu)應力集中。

對平臺結(jié)構(gòu)立柱與下浮筒連接處的關(guān)鍵節(jié)點所受應力進行分析。首先選取2浪向、4周期組合成一系列波浪條件，如表3所示。選取連接位置的多個節(jié)點如圖16所示，通過分析各波浪條件下的節(jié)點位移變化曲線如圖17所示。分析數(shù)據(jù)可以看出，節(jié)點位移最大值出現(xiàn)在靜水條件下。由此可知靜水條件的作用不僅是最基礎(chǔ)的作用力，而且在長期過程中，靜水壓力作用下的節(jié)點位移是結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的主要部分。因此，對靜水條件下波浪作用的各應力分量進一步分析很有必要。利用SESAM后處理模塊Xtract將節(jié)點應力分解為6部分，分別為x方向的膜應力（SIGMX）、y方向膜應力（SIGMY）、x方向的彎曲應力（SIGBX）、y方向彎曲應力（SIGBY）、xy方向的剪切膜應力（TAUMXY）、xy方向的剪切彎曲應力（TAUBXY），將各點的6個應力分量如圖18所示。

圖15 靜水壓力下最大主應力Fig. 15 Maximum principal stress under hydrostatic pressure

表3 危險波浪條件Tab. 3 Dangerous wave conditions

通過分析，圖18中各應力分量無論是在自存工況還是在作業(yè)工況均在節(jié)點5和節(jié)點6處發(fā)生應力突變，因此在連接處的中部十字節(jié)點位置很有可能發(fā)生應力集中。各應力分量之間進行對比分析，變化幅度最大的是SIGMY曲線即Y方向的膜應力。另外將各分量與等效應力進行對比，從變化趨勢及數(shù)值分析，SIGMY的絕對值與MVONMISES的數(shù)值較為接近，因此可以推測結(jié)構(gòu)應力的主要影響因素是SIGMY分量，此結(jié)論對關(guān)鍵節(jié)點十字相交結(jié)構(gòu)的焊接工藝分析提供指導。

圖16 連接處的節(jié)點Fig. 16 Nodes at the junction

圖17 各工況下的位移曲線（自存）Fig. 17 Displacement curve under various working conditions（self-existing）

圖18 靜水壓力下的立柱與下浮體交接處的各分解應力分布Fig. 18 Decomposition stress distribution at the junction of upright column and floating body under hydrostatic pressure

綜合膜應力和彎曲應力等因素的影響，將各節(jié)點的結(jié)構(gòu)應力變化繪制成圖19所示的結(jié)構(gòu)應力曲線圖。從整體上分析，無論是不同裝載工況還是不同波浪條件，在節(jié)點5和節(jié)點6位置均出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，即在立柱與下浮筒連接處的中縱艙壁位置的十字節(jié)點處。自存工況中，在各波浪條件下的計算結(jié)果之間對比，LLC00009波浪條件下的結(jié)構(gòu)應力值最大，即浪向角為60°，周期為8 s時，對結(jié)構(gòu)的影響最大。通過確定的設(shè)計波參數(shù)總結(jié)得到，縱向扭轉(zhuǎn)運動對立柱和下浮筒連接的十字節(jié)點位置的影響最為嚴重。從圖19（b）中發(fā)現(xiàn)作業(yè)工況下也存在類似的規(guī)律。

圖19 結(jié)構(gòu)應力曲線圖Fig. 19 Structural stress curve

4 結(jié) 語

本文采用SESAM有限元軟件系列模塊，基于長期預報設(shè)計波法對超深水半潛式鉆井平臺進行長期預報，對各典型工況下的長期預報值進行分析，得到一系列危險的設(shè)計波參數(shù)。設(shè)計波參數(shù)中最危險工況為縱向扭轉(zhuǎn)，且最危險的波浪參數(shù)為有義波高11.30 m、波幅為5.65 m、周期為8 s、入射浪向60°、相位171.122，同時通過設(shè)計波參數(shù)計算結(jié)果確定了對關(guān)鍵節(jié)點結(jié)構(gòu)應力影響較大的2個浪向角即30°，60°和3個波浪周期即7.6 s，7.8 s，8.0 s。

在此基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵節(jié)點的結(jié)構(gòu)強度進行分析，分別從不同浪向的靜水壓力分布和關(guān)鍵節(jié)點的應力分量2個角度進行分析。通過各工況下的位移量對比發(fā)現(xiàn)，靜水工況對關(guān)鍵節(jié)點的位移作用最大；分析各應力分量之間以及等效應力的對比，得到應力分量的重要組成部分是y方向的膜應力；將立柱與下浮筒連接位置多個節(jié)點的等效應力值進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在十字節(jié)點處的應力集中程度最大，并且推測此應力集中為實踐中所暴露問題的重要原因之一。