张力腿安装及在位状态受力分析与强度评估

张力腿安装及在位状态受力分析与强度评估
王世圣;谢彬
【摘要】张力腿用于系泊TLP平台,为TLP系统的重要组成部分。

设计要求必须进行安装和在位分析,以保证平台的安全性。

张力腿在安装下主要承受波浪和流载荷作用,而在位状态还要受到平台偏移的影响。

为准确计算张力腿内力,建立了张力腿安装和在位状态下的有限元模型,采用时域分析的方法进行分析。

根据张力腿的实际结构,考虑了多种载荷,包括风、流、波浪、静水力和重力的影响。

对张力腿内力进行了数值计算。

计算结果给出了张力腿在不同状态下的最大内力,并依据规范对张力腿的总体强度进行评估。

【期刊名称】《海洋工程装备与技术》
【年(卷),期】2018(005)005
【总页数】6页(P327-332)
【关键词】平台;张力腿;外载荷;内力分析;强度评估
【作者】王世圣;谢彬
【作者单位】[1]中海油研究总院有限公司,北京100028;[1]中海油研究总院有限公司,北京100028;
【正文语种】中文
【中图分类】U656.6
0 引言
TLP是一种典型深水浮式平台，因采用一组张紧钢管系泊，所以又称为张力腿平台。

无论在安装还是在位状态下，张力腿必须始终保持受拉状态，张力腿预张力在安装时依靠浮筒产生浮力张紧，在位状态下由平台浮体的剩余浮力提供。

张力腿在安装和在位状态下，由于风、浪、流环境载荷的作用，将产生大幅度的偏移，作用在张力腿上的张力随平台偏移而增大，同时产生截面弯矩。

在TLP系统中张力腿是平
台的重要组成部分，设计要求其必须满足规范要求，以保证平台在安装和在位状态下的安全性。

以南海油气田为目标完成了TLP设计。

为验证TLP张力腿的设计是否满足要求，
本文采用有限元法，分析了安装和在位状态下的偏移和所承受的张力和弯矩，对影响张力腿张力的因素进行了讨论，最终依据规范API RP 2T[1]对张力腿的强度进
行了评估。

1 张力腿的安装分析
TLP系统主要由浮体、张力腿和立管构成。

TLP的安装过程分为两个阶段，首先是张力腿预安装，通过安装船按设计长度将张力腿安装在海底地基上，张力腿底部依靠专用连接接头与基座连接，张力腿自由站立状态靠顶部安装浮力筒提供预张力，为防止张力腿相互干涉，一般用钢缆连在一起。

第二阶段是TLP浮体与张力腿对接，TLP浮体通过船坞装船、干拖、湿拖运输到安装海域与张力腿对接，即将张力腿顶部与浮体支撑座连接在一起，再通过调节压载使张力腿保持一定预张力。

张力腿自由站立的等待期一般为6周(42天)，图1为张力腿自由站立状态下顶视图。

在图1中，张力腿自由站立状态分为两种情况，一种是无约束自由站立，另一种
是有钢缆约束自由站立，如图2所示。

张力腿自由站立状态下在风浪流等环境载
荷作用下，将产生偏移。

设计要求张力腿在自由站立状态下水平偏移量要限制在一定范围内，自由站立状态张力腿底部转角小于10°，以防止浮筒之间碰撞。

安装浮筒的位置转角应小于5°，以避免连接点处浮筒漏气。

在安装工况下还应满足强度
条件。

强度分析考虑两种情况：张力腿无约束；张力腿被钢缆约束。

张力腿自由站立状态下分析的环境条件，包括1年、10年重现期的台风条件，如表1所示。

图1 张力腿总布置顶视图Fig.1 Top view of tension leg general arrangement 图2 自由站立张力腿(有钢缆连接)Fig.2 Free standing tension (tied tendons) 表1 张力腿自由站立状态下的环境条件Table 1 Environmental conditions for tension leg under free standing condition重现期/a波浪风速/(m·s-1)流
Hs/mTz/sTp/sGamma1h10min1min表面流速/(m·s-
1)18.708.5012.301.8024.326.529.31.071012.109.6013.902.003235.439.71.55 1.1 有钢缆约束的自由站立张力腿分析
根据图1、图2，张力腿在自由站立状态下，TLP底部一角相邻的两个张力腿被系在一起，共有4对有钢缆约束的张力腿(共8根)和4根无约束的自由站立张力腿。

被钢缆约束的两根张力腿中心距63.5m，钢缆的长度决定了浮筒中心距以及张力腿的初始转角，钢缆的设计长度26.4m，初始转角0.4°，如图3所示。

图3 钢缆约束的张力腿Fig.3 Tied tendons
张力腿分析所考虑的环境作用方向为0°、45°、90°，如图4所示，分析工况如表2所示。

采用OrcaFlex 9.6建立自由站立状态下张力腿有限元模型，张力腿采用梁单元模拟，两端固定，仅保留转动自由度，转动刚度采用线性转动弹簧模拟。

在建立了分析模型后，首先进行静态分析，对
图4 环境作用方向Fig.4 Direction of environmental action
表2 分析工况Table 2 Analysis conditions工况张力腿或浮筒状态重现期/a作用方向/(°)1完整完整1002完整完整10453完整完整10904TSB破损完整105完整TSB破损10
张力腿施加流载荷，计算确定张力腿系统刚度、浮力、张力腿系统重量。

在此基础上进行水动力分析。

依据表2给出外载荷作用方向，静力分析结果如表3所示。

表3 静态分析结果Table 3 Static analysis results工况最大转角/(°)顶部(<5°)底部(<10°)UR最大偏移与水深之比/%]作用在钢缆上的载荷与钢缆破断力(399kN)之比
/%11.5635.3030.4524.7613.821.4565.1200.4523.4613.631.1684.6550.45014. 8413.441.1453.6430.44717.050.9454.4850.4386.1
由表3可以看出钢缆的破断力(MBL)为399kN，实际拉力远小于极限值，应力利用系数UR(UR=σVONMISES/σALLOWABLE)小于0.5，转角也满足要求。

自由站立状态下张力腿的动力分析，考虑波、流联合作用，最严重工况是波、流同向，分析采用同样的方法，分析工况同样采用表2所示的工况，波、流作用方向如图4所示。

计算结果如表4所示。

表4 动力分析结果Table 4 Dynamic analysis results工况最大转角/(°)顶部(<5°)底部(<10°)UR最大偏移与水深之比/%作用在钢缆上的载荷与钢缆破断力(399kN)之比
/%14.0436.9380.4476.1243.723.7206.4730.4503.7635.633.4586.1180.44714. 8516.142.5974.3290.43626.852.5254.8860.44326.6
对比表3，考虑波、流联合作用的动力分析，张力腿转角、作用在钢缆上的载荷明显增加，但仍然满足设计要求。

1.2 无约束自由站立张力腿分析
张力腿在完成安装之后靠浮筒张力自由站立。

为防止张力腿浮筒之间碰撞，部分张力腿浮筒采用钢缆约束。

如图1所示，在四个角点有四个张力腿处于无约束自由站立状态，在波、流等环境载荷作用下，受力和运动形态区别于有约束的张力腿，需要做单独分析。

图5所示为无约束自由站立张力腿。

图5 无约束自由站立张力腿Fig.5 Free-standing tendon model (untied tendon)
无约束自由站立张力腿的分析类似有约束自由站立张力腿，首先进行流作用下的静力分析，在此基础上再进行波、流联合作用的动力分析。

由于是对一根独立的自由站立张力腿进行分析，不考虑其他自由站立张力腿的影响，而且与环境载荷的作用方向无关，所以分析工况较为简单。

表5给出无约束自由站立张力腿的动力分析
工况。

表5 无约束自由站立张力腿的动力分析工况Table 5 Dynamic analysis condition for untied tendon工况浮筒状态张力腿状态每吨浮力损失/kg重现期
/a1完整完整0102部分破损完整139.413完整部分破损488.871
无约束自由站立张力腿的动力分析考虑三种工况，1年和10年重现期的环境条件，波、流同向，在建立了计算模型后采用OrcaFlex 9.6进行计算分析。

获得的结果
如表6所示。

表6 无约束自由站立张力腿的动力分析结果Table 6 Dynamic analysis results
for untied tendon工况最大转角/(°)顶部(<5°)底部(<10°)最大偏移与水深之
比%UR作用在钢缆上的载荷与钢缆破断力(399kN)之比
/%13.4336.0895.120.3138.2321.9904.1513.060.2030.4330.9823.81213.820.3 515.57
在流和波浪作用下进行了自由站立张力腿强度分析。

在自由站立的张力腿静态分析的基础上，筛选出动态分析的载荷工况，无论是无约束还是有约束情况，都满足强度要求(应力利用率小于1.0)和旋转角度要求(张力腿底部转角小于10°，张力腿支
撑浮筒小于5°)。

对比两种自由站立张力腿强度分析结果可知，对张力腿施加约束增加了张力腿的载荷，但这一措施防止了自由站立的张力腿之间的相互碰撞。

2 张力腿在位状态下的受力分析
张力腿完成安装，在静态情况下，张力腿仅承受由浮体施加的预张力，当TLP处于平均水线时，预张力为1606kN，但在风、浪、流等环境载荷作用下，浮体沿环境载荷作用方向偏移，张力腿的张力随浮体偏移而变化。

张力腿所承受的外力包括顶张紧力、波浪力、流力、重力等。

张力腿平台在长期运行期间承受多种海洋环境载荷的作用，分析目的是保证张力腿在在位条件下可以满足强度要求。

TLP采用传统的结构形式，其主尺度参数见表7，平台采用12根相同尺寸的张力腿系泊，张力腿的布置如图6所示，同时图6也给出了坐标系和环境载荷作用方向。

表7 TLP的主尺度Table 7 Principal dimensions of TLP结构名称尺寸参数单位立柱直径23.75m立柱中心间距61.00m立柱高度57.45m浮箱高度9.50m浮箱宽度12.35m设计在位吃水30.00m排水量73658t张力腿根数12—张力腿预张力(每根)1606kN张力腿直径34～42英寸张力腿壁厚1.42～1.69英寸注： 1英寸≈2.54cm。

图6 张力腿布置图Fig.6 Tendon configuration (plan view)
TLP安装水深为1500m，张力腿在位结构组成包括主管、张力腿底部和顶部过渡段以及相连接的柔性接头，单根张力腿长度1468m。

TLP系统的在位总体响应分析采用时域耦合分析的方法[2-5]，以考虑各种非线性因素的影响以及浮体、张力腿和立管的相互作用。

通过分析也可以获得张力和弯矩的时间历程。

有了张力和弯矩的时间历程，通过简单力学计算就可获得张力腿的最大和最小的有效应力，以此可以按照规范进行校核。

TLP系统的在位分析，把1000年一遇的环境重现期作为强度控制条件[6]。

对于1000年重现期条件下进行在位分析，需要考虑两种情况： 1000年重现期下高潮位(风为主)和1000年重现期下低潮位(波浪为主)。

1000年重现期下高潮位(风为
主)环境条件下分析的目的是确定最大张力腿张紧力。

这种情况发生在张力腿迎浪时，最大有效波高18m，谱峰周期16.1s，表面流速1.58m/s，最大风速65m/s,对应张力腿T8；潮位在平均海平面上1.43m,作用方向225°。

根据环境载荷作用方向，给出了受力较大的张力腿内力。

张力腿最大张力分析结果如表8所示。

图7和图8给出了张力腿张力和弯矩从张力腿底部到顶部变化规律。

表8给出了在1000重现期条件下张力腿最大张力，最大的UR值为0.76，按照API RP 2T，张力腿的设计满足要求。

表8 在1000年重现期条件下张力腿最大张力Table 8 Maximum tension of tension leg at 1000-year return period潮位类别张力腿编号最大张力/kN最大弯矩/(kN·m)最大UR高潮位
T231118.581834.740.72T434385.591429.540.76T834712.691330.620.76T11 30797.631628.670.70低潮位
T228796.381985.790.69T432044.001530.980.72T824238.271496.060.57T11 28362.821869.090.67
(a) 张力
(b) 弯矩图7 张力腿从底部到顶部受力变化图(高潮位)Fig.7 In-place tendon code check results (high tide level)
(a) 张力
(b) 弯矩图8 张力腿从底部到顶部受力变化图(低潮位)Fig.8 In-place tendon code check results (low tide level)
3 结语
为保证张力腿设计满足规范要求，采用数值计算的方法，对张力腿安装和在位状态进行了分析，分析考虑多种工况，通过计算结果与设计规范的对比，验证了张力腿的设计能够满足设计要求，主要结论如下：
(1) 对自由站立的张力腿分析表明，在自由站立状态下张力腿强度和转角满足设计要求。

对比两种自由站立张力腿分析，对张力腿施加约束增加了张力腿的载荷，但防止了自由站立的张力腿之间的相互碰撞。

(2) 对张力腿在位状态下的分析表明1000年重现期条件下张力腿强度满足要求，
张力腿内力分布的一般规律为从上到下张力逐渐减小，另外波浪和流力的作用使得张力腿同时还受弯曲作用，平台偏移导致张力腿底部弯矩最大，扭矩较小可以忽略。

(3) 张力腿受多种载荷作用，其中张紧力影响最大，张紧力大小与环境载荷大小和作用方向有关，环境载荷大小的影响是主要因素。

张力腿是TLP系统的关键部件，要保证其在位安全，必须对张力腿的强度进行全面评估。

参考文献
【相关文献】
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