深水半潜式钻井平台总体强度分析_白艳彬
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第202150卷年第4
2期 月
文章编号 :1001-4500(2010)02-0022-06
中 国海 洋平 台 CHI NA O FFS HO RE PL A T FO RM
V ol .25 N o .2 A pr ., 2010
深水半潜式钻井平台总体强度分析
白艳彬 , 刘 俊 , 薛鸿祥 , 唐文勇
表 1 自存工况设计波参数
Fra Baidu bibliotek
计算 工况
1 2 3 4 5 6 7
浪向 波浪圆频率 /(°) /(rad/ s)
1 80
0 .65
关键词 :深水半潜式平台 ;强度 ;波浪载荷 ;工况选取 中图分类号 :U 661.43 文献标识码 :A
Global Strength Analysis of A Deepwater Semi-Submersible Platform
BA I Yan-bin , LIU Jun , XU E H ong-xiang , T A NG W en-yong
(Shang hai Jiao T ong Uni versity , Shanghai 200240 , China)
Abstract :Global streng t h analysi s of a six t h generati on deep-w at er semi-subm ersible platf orm is demo nst rated in this paper .Wave induced loads and platf orm mot ion are calculated by means of three-dimensional dif fraction met ho d .T he parame ters o f desig n w ave are o bt ai ned by spect rum analy sis met hod .Wave load prediction of 21 w ave load conditio ns in three dif ferent si tuatio ns is described .A t t he same t ime , three-dimensional F EM model is est ablished t o analy ze st ructure g eneral st reng th of the platf o rm .Combining w it h w ave load predi ct ion and st ructure analy tic resul ts , principles of conditi on selection and key facto rs w hich co ntro l g eneral st reng t h are put fo rw ard .Such co nclusions w ill be as some refe rences to design , st ructural st reng th analy sis , selectio n of typical nodes f or f atig ue assessment and st ructure optimizatio n i n t he f uture .
(3)
无航速入射波速度势表示为
ΥI =Re[ I ·eiωt ]
(4)
式中 ,
I
=i
Ag ω
·
c
os
hk co
(z + sh kH
H
)· e -ik (x co s
β+y
sinβ)
(其中
:k
为波数
;β为浪向角 ;ω为入射波圆频率 ,
H
为水深)。
波浪载荷计算中绕射势与辐射势满足物面条件 , 使用在平台湿表面布置点源形式的 Green 函数来表示
· 23 ·
得半潜式平台成为南海油气资源勘探开发的首选 。 本文的目标平台是国内在建的第一座代表世界先进水平的第六代深水半潜式平台 , 结构形式上采用箱
式上部结构 、双浮体 、四立柱 、双横撑的形式 , 无斜撑设计避免了出现复杂管节点疲劳破坏的可能性 。但是箱 式甲板纵向与横向的大跨度特点及无斜撑设计使平台的总体强度分析成为保证平台结构安全的首要任务 。
谱分析方法确定设计波参数主要有 3 个步骤 : (1)确定水动力预报载荷 ; (2)计算预报载荷的幅频响应函数 , 确定设计波的浪向 、 波频及相位 ; (3)确定设计波波幅 , 设计波波幅是载荷长期预报值与 幅频响应函数幅值的比值 。
2 结构分析
2 .1 环境条件
结构总体强度应该满足 ABS 与 CCS 的要求 , 按照中国 南海 100 年一遇的海况条件设计 。危险波浪工况搜索采用浪
本文采用可以考虑工作海域海况条件及结构水动力特性的谱分析方法确定设计波参数 , 进行了自存工 况 、两种作业工况共三种装载情况下 21 个波浪工况的载荷预报 , 并完成了平台结构总体强度三维有限元分 析 , 在入射波与结构变形模式关系 、结构应力分析的基础上提出了计算工况选取原则及控制总体强度的关键 因素 , 这些工作可为今后深水半潜式平台的结构设计 、强度分析及形式优化提供参考 。
· 24 ·
中 国 海 洋 平 台 第 25 卷 第 2 期
作环境选择合适的预报载荷以搜索出对结构最不利的波浪 。水动力载荷预报的目的在于确定对结构强度影 响最大的波浪 。
根据半潜式平台水动力性能研究 , 水动力载荷预报的载荷有浮箱间的横向力 、水平横向扭矩 、中纵剖面 垂向剪切力 、甲板处纵向与横向运动引起惯性力 、浮箱垂向弯矩等 。 本文根据甲板设备布置及平台结构特点 增加中横剖面的垂向弯矩及平台垂向运动引起的惯性力的预报 , 以考察平台沿横向的垂向弯曲强度及重型 设备放置处的结构强度 。 1 .3 设计波参数确定 设计波参数包括波幅 、浪向 、波浪频率 、相位 。 确定设计 波波幅的方法有确定性方法与谱分析方法 。 文献[ 1] 采用极 限波高法确定设计波波幅 , 但极限波高法不能考虑平台的水 动力特性及工作区域的环境特点 。
国内建造的深水平台数量不多 , 但对其结构强度分析一直很受重视 。 文献[ 1 , 2] 根据船级社规范进行了 平台的结构强度校核 ;文献[ 3] 提出 Spar 平台总体强度分析方法 , 但这些研究均未涉及计算工况的选取原 则 , 船级社也未明确给出针对半潜式平台的分析工况选取原则 。 海洋平台总体强度分析的关键是计算波浪 诱导载荷与运动 , 文献[ 4] 采用三维绕射理论频域法计算了半潜式平台的波浪载荷 ;文献[ 5] 应用时域格林函 数法求解波浪与三维物体间的绕射与辐射问题 。
=U y =U z =0 ;节点 2 :U y =Uz =0 ;节点 3 :U z =0 。 2 .4 设计波参数 根据工作海域的海洋环境条件 , 采用谱分析方法确定的 自存工况及两个作业工况的设计波参数见表 1 ～ 表 3 , 相位表 征入射波与结构的相对位置 , 作为结构分析的初始相位 。
1 总体强度分析方法
由于大型海洋结构物可以严重影响入射波的流场 , 各船级社[ 6 ～ 8] 推荐使用三维绕射理论计算波浪载荷 。
本文采用三维绕射理论计算平台湿表面的水动压力及波浪诱导的运动 , 基于波浪载荷频域法和谱分析的设
计波法是一种综合考虑船舶与海洋结构物的水动力性能 、工作海域的海况条件 、波浪回复周期等因素 , 为结
2 .3 位移边界条件
结构有限元计算时需要消除平台六个自由度的刚体运动 , 选取 3 个节点约束刚体位移 , 节点取在浮体的
一个与水平面平行的平面内 。 节点 1 、2 位于右舷浮箱中纵舱壁 , 节点 3 位于左舷浮箱中横舱壁 。 节点 1 :U x
第 2 期 白艳彬等 深水半潜式钻井平台总体强度分析
流场势函数 。平台六个自由度运动临界阻尼系数需要根据水动力模型试验的结果进行修正 , 本文波浪载荷
计算采用的临界阻尼系数参考文献[ 9] 的水池模型实验进行修正 , 垂荡运动临界阻尼系数取 2 %～ 7 %。
1 .2 水动力载荷预报
平台的波浪诱导载荷在不同周期 、浪向 、相位的波浪条件下差异很大 , 需要根据结构形式 、装载工况和工
向区间 0 ～ 180°, 步长 15°, 浪向在 0 ～ 180°等概率分布 ;波浪频 率 0 .1 ～ 1 .5 rad/ s , 步长 0 .05 rad/ s , 波浪载荷长期预报使用
Jon sw
ap
谱
。S
ζ(ω)
=
α· g2 ω5
exp
-1 .25(ωωp )4 γk ,
k =e xp -(2ω(-σωω p )p )2 2 , γ为谱峰提升因子 , 生存工况取2 .4 ,
(上海交通大学 , 上海 200240)
摘 要 :以某新型第六代深水半潜式钻井平台为分析对象 , 依据三维绕射理论计算波浪诱 导载荷与运 动 , 采用谱分析法确定设计波参数 , 进行了自存 、作业等装载情况下 21 个波浪工况的波浪载荷预报 , 并建立 三维有 限元模型完成了平台结构总体强度分析 。 结合波浪载荷 预报及结构 分析结 果 , 提 出了计 算工况 选取原则 及控 制总体强度的关键因素 , 可为今后深水半潜式平台的结构设 计 、总体 强度分 析 、选 取疲劳 强度典 型节点及 形式 优化提供参考 。
收稿日期 :2009-10-09 基金项目 :国家(八六三)项目“3 000 m 水深半潜式钻井平台关键技术研究” (2006AA 09A 103) 作者简介 :白艳彬(1983 -),男 , 硕士研究生 , 主要从事船舶与海洋工程结构物强度及疲劳强度研究 。
第 2 期 白艳彬等 深水半潜式钻井平台总体强度分析
Key words :deep-w ater semi-submersible plat fo rm ;general st reng th ;w ave load ;conditio n select ion
0 引言
新型半潜式钻井平台在抗风浪能力 、甲板变载能力 、工作水深 、钻井深度以及多功能作业(钻井 、完井 、试 油 、生产 、修井 、起重和铺管)等方面与另外两种主流的深水平台 Spar 、T LP 相比 , 有着明显的比较优势 , 这使
工作工况取 2 .0 , 平台工作水深 3 000 m 。
2 .2 计算模型
结构分析使用的计算模型包括结构模型 、质量模型 、水动
力模型与液舱模型 , 如图 1 ～ 图 4 所示 。波浪载荷使用 SESAM/ Wadam 计算 , 结构分析使用 S ESAM/ Sest ra 。水动力模
型及质量模型用来计算平台湿表面的水动压力及运动响应 。
构设计和分析提供适当载荷值的载荷处理方法 。
结构分析采用准静态分析方法 , 选择水动力预报载荷达到极值的瞬时时刻平台运动引起的惯性力 、液舱
对舱壁的水动压力与湿表面水压力施加到结构有限元模型进行有限元计算 。
1 .1 波浪载荷
深水平台对入射波流场影响大 , 绕射与辐射引起的绕射力与惯性力是波浪诱导载荷的重要分量 。绕射
液舱模型用来模拟液货对平台质量的贡献及结构计算时将液
舱的水动压力映射到结构模型 。
结构模型与水动力模型使用右手直角坐标系 , 原点取在
平台中纵剖面与中横剖面相贯线与基面相交处 。x 轴为纵向轴 , 从尾部指向首部为正 ;y 轴为横向轴 , 从中心 线指向左舷为正 ;z 轴为垂向轴 , 从基面向上为正 。
理论假设流体是均匀 、不可压缩 、无旋的理想流体 , 并且不计自由表面张力(简化自由表面边界条件), 在引入
微幅波假设后 , 简化为线性绕射理论 。
基本方程为
ΔΥ=0
(1)
速度势分解为
Υ= ΥI +ΥR + ΥD
(2)
式中 :ΥI 为入射势 ;ΥR 为辐射势 ;ΥD 为绕射速度势 。
计算波浪载荷的波面升高使用 Ai ry 波 , 波高表示为 z(x , y , t)= A · Re(ei[ ωt ) -k(xcosβ+ysinβ)]
2期 月
文章编号 :1001-4500(2010)02-0022-06
中 国海 洋平 台 CHI NA O FFS HO RE PL A T FO RM
V ol .25 N o .2 A pr ., 2010
深水半潜式钻井平台总体强度分析
白艳彬 , 刘 俊 , 薛鸿祥 , 唐文勇
表 1 自存工况设计波参数
Fra Baidu bibliotek
计算 工况
1 2 3 4 5 6 7
浪向 波浪圆频率 /(°) /(rad/ s)
1 80
0 .65
关键词 :深水半潜式平台 ;强度 ;波浪载荷 ;工况选取 中图分类号 :U 661.43 文献标识码 :A
Global Strength Analysis of A Deepwater Semi-Submersible Platform
BA I Yan-bin , LIU Jun , XU E H ong-xiang , T A NG W en-yong
(Shang hai Jiao T ong Uni versity , Shanghai 200240 , China)
Abstract :Global streng t h analysi s of a six t h generati on deep-w at er semi-subm ersible platf orm is demo nst rated in this paper .Wave induced loads and platf orm mot ion are calculated by means of three-dimensional dif fraction met ho d .T he parame ters o f desig n w ave are o bt ai ned by spect rum analy sis met hod .Wave load prediction of 21 w ave load conditio ns in three dif ferent si tuatio ns is described .A t t he same t ime , three-dimensional F EM model is est ablished t o analy ze st ructure g eneral st reng th of the platf o rm .Combining w it h w ave load predi ct ion and st ructure analy tic resul ts , principles of conditi on selection and key facto rs w hich co ntro l g eneral st reng t h are put fo rw ard .Such co nclusions w ill be as some refe rences to design , st ructural st reng th analy sis , selectio n of typical nodes f or f atig ue assessment and st ructure optimizatio n i n t he f uture .
(3)
无航速入射波速度势表示为
ΥI =Re[ I ·eiωt ]
(4)
式中 ,
I
=i
Ag ω
·
c
os
hk co
(z + sh kH
H
)· e -ik (x co s
β+y
sinβ)
(其中
:k
为波数
;β为浪向角 ;ω为入射波圆频率 ,
H
为水深)。
波浪载荷计算中绕射势与辐射势满足物面条件 , 使用在平台湿表面布置点源形式的 Green 函数来表示
· 23 ·
得半潜式平台成为南海油气资源勘探开发的首选 。 本文的目标平台是国内在建的第一座代表世界先进水平的第六代深水半潜式平台 , 结构形式上采用箱
式上部结构 、双浮体 、四立柱 、双横撑的形式 , 无斜撑设计避免了出现复杂管节点疲劳破坏的可能性 。但是箱 式甲板纵向与横向的大跨度特点及无斜撑设计使平台的总体强度分析成为保证平台结构安全的首要任务 。
谱分析方法确定设计波参数主要有 3 个步骤 : (1)确定水动力预报载荷 ; (2)计算预报载荷的幅频响应函数 , 确定设计波的浪向 、 波频及相位 ; (3)确定设计波波幅 , 设计波波幅是载荷长期预报值与 幅频响应函数幅值的比值 。
2 结构分析
2 .1 环境条件
结构总体强度应该满足 ABS 与 CCS 的要求 , 按照中国 南海 100 年一遇的海况条件设计 。危险波浪工况搜索采用浪
本文采用可以考虑工作海域海况条件及结构水动力特性的谱分析方法确定设计波参数 , 进行了自存工 况 、两种作业工况共三种装载情况下 21 个波浪工况的载荷预报 , 并完成了平台结构总体强度三维有限元分 析 , 在入射波与结构变形模式关系 、结构应力分析的基础上提出了计算工况选取原则及控制总体强度的关键 因素 , 这些工作可为今后深水半潜式平台的结构设计 、强度分析及形式优化提供参考 。
· 24 ·
中 国 海 洋 平 台 第 25 卷 第 2 期
作环境选择合适的预报载荷以搜索出对结构最不利的波浪 。水动力载荷预报的目的在于确定对结构强度影 响最大的波浪 。
根据半潜式平台水动力性能研究 , 水动力载荷预报的载荷有浮箱间的横向力 、水平横向扭矩 、中纵剖面 垂向剪切力 、甲板处纵向与横向运动引起惯性力 、浮箱垂向弯矩等 。 本文根据甲板设备布置及平台结构特点 增加中横剖面的垂向弯矩及平台垂向运动引起的惯性力的预报 , 以考察平台沿横向的垂向弯曲强度及重型 设备放置处的结构强度 。 1 .3 设计波参数确定 设计波参数包括波幅 、浪向 、波浪频率 、相位 。 确定设计 波波幅的方法有确定性方法与谱分析方法 。 文献[ 1] 采用极 限波高法确定设计波波幅 , 但极限波高法不能考虑平台的水 动力特性及工作区域的环境特点 。
国内建造的深水平台数量不多 , 但对其结构强度分析一直很受重视 。 文献[ 1 , 2] 根据船级社规范进行了 平台的结构强度校核 ;文献[ 3] 提出 Spar 平台总体强度分析方法 , 但这些研究均未涉及计算工况的选取原 则 , 船级社也未明确给出针对半潜式平台的分析工况选取原则 。 海洋平台总体强度分析的关键是计算波浪 诱导载荷与运动 , 文献[ 4] 采用三维绕射理论频域法计算了半潜式平台的波浪载荷 ;文献[ 5] 应用时域格林函 数法求解波浪与三维物体间的绕射与辐射问题 。
=U y =U z =0 ;节点 2 :U y =Uz =0 ;节点 3 :U z =0 。 2 .4 设计波参数 根据工作海域的海洋环境条件 , 采用谱分析方法确定的 自存工况及两个作业工况的设计波参数见表 1 ～ 表 3 , 相位表 征入射波与结构的相对位置 , 作为结构分析的初始相位 。
1 总体强度分析方法
由于大型海洋结构物可以严重影响入射波的流场 , 各船级社[ 6 ～ 8] 推荐使用三维绕射理论计算波浪载荷 。
本文采用三维绕射理论计算平台湿表面的水动压力及波浪诱导的运动 , 基于波浪载荷频域法和谱分析的设
计波法是一种综合考虑船舶与海洋结构物的水动力性能 、工作海域的海况条件 、波浪回复周期等因素 , 为结
2 .3 位移边界条件
结构有限元计算时需要消除平台六个自由度的刚体运动 , 选取 3 个节点约束刚体位移 , 节点取在浮体的
一个与水平面平行的平面内 。 节点 1 、2 位于右舷浮箱中纵舱壁 , 节点 3 位于左舷浮箱中横舱壁 。 节点 1 :U x
第 2 期 白艳彬等 深水半潜式钻井平台总体强度分析
流场势函数 。平台六个自由度运动临界阻尼系数需要根据水动力模型试验的结果进行修正 , 本文波浪载荷
计算采用的临界阻尼系数参考文献[ 9] 的水池模型实验进行修正 , 垂荡运动临界阻尼系数取 2 %～ 7 %。
1 .2 水动力载荷预报
平台的波浪诱导载荷在不同周期 、浪向 、相位的波浪条件下差异很大 , 需要根据结构形式 、装载工况和工
向区间 0 ～ 180°, 步长 15°, 浪向在 0 ～ 180°等概率分布 ;波浪频 率 0 .1 ～ 1 .5 rad/ s , 步长 0 .05 rad/ s , 波浪载荷长期预报使用
Jon sw
ap
谱
。S
ζ(ω)
=
α· g2 ω5
exp
-1 .25(ωωp )4 γk ,
k =e xp -(2ω(-σωω p )p )2 2 , γ为谱峰提升因子 , 生存工况取2 .4 ,
(上海交通大学 , 上海 200240)
摘 要 :以某新型第六代深水半潜式钻井平台为分析对象 , 依据三维绕射理论计算波浪诱 导载荷与运 动 , 采用谱分析法确定设计波参数 , 进行了自存 、作业等装载情况下 21 个波浪工况的波浪载荷预报 , 并建立 三维有 限元模型完成了平台结构总体强度分析 。 结合波浪载荷 预报及结构 分析结 果 , 提 出了计 算工况 选取原则 及控 制总体强度的关键因素 , 可为今后深水半潜式平台的结构设 计 、总体 强度分 析 、选 取疲劳 强度典 型节点及 形式 优化提供参考 。
收稿日期 :2009-10-09 基金项目 :国家(八六三)项目“3 000 m 水深半潜式钻井平台关键技术研究” (2006AA 09A 103) 作者简介 :白艳彬(1983 -),男 , 硕士研究生 , 主要从事船舶与海洋工程结构物强度及疲劳强度研究 。
第 2 期 白艳彬等 深水半潜式钻井平台总体强度分析
Key words :deep-w ater semi-submersible plat fo rm ;general st reng th ;w ave load ;conditio n select ion
0 引言
新型半潜式钻井平台在抗风浪能力 、甲板变载能力 、工作水深 、钻井深度以及多功能作业(钻井 、完井 、试 油 、生产 、修井 、起重和铺管)等方面与另外两种主流的深水平台 Spar 、T LP 相比 , 有着明显的比较优势 , 这使
工作工况取 2 .0 , 平台工作水深 3 000 m 。
2 .2 计算模型
结构分析使用的计算模型包括结构模型 、质量模型 、水动
力模型与液舱模型 , 如图 1 ～ 图 4 所示 。波浪载荷使用 SESAM/ Wadam 计算 , 结构分析使用 S ESAM/ Sest ra 。水动力模
型及质量模型用来计算平台湿表面的水动压力及运动响应 。
构设计和分析提供适当载荷值的载荷处理方法 。
结构分析采用准静态分析方法 , 选择水动力预报载荷达到极值的瞬时时刻平台运动引起的惯性力 、液舱
对舱壁的水动压力与湿表面水压力施加到结构有限元模型进行有限元计算 。
1 .1 波浪载荷
深水平台对入射波流场影响大 , 绕射与辐射引起的绕射力与惯性力是波浪诱导载荷的重要分量 。绕射
液舱模型用来模拟液货对平台质量的贡献及结构计算时将液
舱的水动压力映射到结构模型 。
结构模型与水动力模型使用右手直角坐标系 , 原点取在
平台中纵剖面与中横剖面相贯线与基面相交处 。x 轴为纵向轴 , 从尾部指向首部为正 ;y 轴为横向轴 , 从中心 线指向左舷为正 ;z 轴为垂向轴 , 从基面向上为正 。
理论假设流体是均匀 、不可压缩 、无旋的理想流体 , 并且不计自由表面张力(简化自由表面边界条件), 在引入
微幅波假设后 , 简化为线性绕射理论 。
基本方程为
ΔΥ=0
(1)
速度势分解为
Υ= ΥI +ΥR + ΥD
(2)
式中 :ΥI 为入射势 ;ΥR 为辐射势 ;ΥD 为绕射速度势 。
计算波浪载荷的波面升高使用 Ai ry 波 , 波高表示为 z(x , y , t)= A · Re(ei[ ωt ) -k(xcosβ+ysinβ)]