白艳彬刘 俊张朝阳粟 京刘华祥

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室; 2.中国海洋石油总公司)

深水半潜式钻井平台关键部位波浪载荷敏感性分析＊

白艳彬1刘 俊1张朝阳1粟 京2刘华祥2

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室; 2.中国海洋石油总公司)

以我国第一艘拥有自主知识产权的第6代深水半潜式钻井平台为目标平台,基于线性三维绕射理论,采用线性载荷谱分析法和有限元法,在前人进行总体强度分析的基础上,选取2个典型组合工况分析了连接平台主体结构的关键部位对波浪载荷的敏感性,分析结果可为半潜式平台的波浪载荷分析、疲劳节点选取等提供参考。

深水半潜式钻井平台 关键部位 波浪载荷 敏感性

随着我国深海油气田的勘探开发,深水半潜式平台关键技术研究成为国内海洋工程领域的研究热点,其中包括系泊特性与水动力性能[1-2]、结构强度与疲劳寿命分析[3-4]等研究。深海平台管节点的疲劳问题是发生结构失效的重要问题[4-6],对于不存在复杂管节点的深水半潜式钻井平台而言,其总体强度和关键部位的局部强度成为确保结构安全的关键因素。已有研究者根据美国船级社和挪威船级社的海上移动式平台规范[7-10]以及集装箱船波浪载荷直接计算的搜索方法,采用频率步长0.05rad/s、浪向步长15°对我国第一艘拥有自主知识产权的第6代半潜式钻井平台进行了总体强度分析[11],但由于连接平台主体结构的关键部位是控制平台结构强度的关键因素,所以对上述深水半潜式钻井平台关键部位进行波浪载荷敏感性分析具有重要的工程实用意义。本文在已有的总体强度分析的基础上,选取两个典型工况进行连接平台主体结构关键部位波浪频率和浪向的敏感性分析,旨在为总体强度分析的波浪载荷搜索、局部强度分析和疲劳分析节点选取等提供参考。

1 波浪载荷分析理论

据文献[8],在满足百年一遇的海况设计时,深水半潜式钻井平台总体强度分析时可不考虑风、海流作用,只考虑波浪载荷作用,因此准确计算平台遭受的波浪载荷成为平台结构强度分析的关键。

1.1 波浪载荷计算

波浪诱导载荷与运动采用线性势流理论计算。假设流体是均匀、不可压缩、无旋的理想流体,在引入微幅波假设后,根据拉普拉斯方程、水底条件、物面条件、线性化的自由表面条件和初始条件,首先求得无航速的入射波速度势φI,即

式(1)中:A为遭遇波浪的波幅;ω为遭遇波浪频率; β为浪向角;k为波数;H为水深。

根据入射波速度势得到二维波面方程

流场中的速度势Φ满足拉普拉斯方程

简谐变化的速度势写成

线性速度势φ可以分解为

求得速度势后就可得到平台湿表面的水动压力

水动力载荷可以是指定截面的力、弯矩和指定点单位质量的惯性力,其响应可表示为

式(7)中:H(ω,β)为单位波幅下的响应,即载荷的传递函数;|H(ω,β)|为传递函数幅值;θ为某时刻载荷响应与入射波之间的相位差。

1.2 线性载荷谱分析和短期、长期预报

深水半潜式钻井平台运动与载荷的谱分析和短期、长期预报是建立在以下3个基本假设基础之上:一是平台视为时间恒定的线性系统;二是认为波浪和平台运动是各态历经的平稳随机过程;三是风浪和平台响应视为窄带谱。平台线性系统的水动力载荷的响应谱密度函数SR(ω)为

式(8)中:Sη(ω)为波浪谱密度函数。

短期海况波浪幅值及波浪诱导载荷幅值符合Rayleigh分布,Rayleigh分布概率密度函数 f(x)为

波浪诱导运动和载荷可以看作是很多短期Rayleigh分布的加权和,采用二参数的Weibull分布来拟合载荷的长期分布 FL(x)[13],即

式(10)中:q为尺度参数;h为形状参数。

响应值是 x时,超越概率Q(x)为

2 深水半潜式钻井平台关键部位波浪载荷敏感性分析

目标平台是我国第一艘第6代半潜式钻井平台,甲板变载能力9 000t,配备DPS-3辅助动力定位系统。工作海域为中国南海,作业水深3 000m,波浪谱采用Jonswap谱,波陡参数生存工况取2.4,作业工况取2.0。

深水半潜式钻井平台总体强度分析结果[11]表明,所有装载工况下横撑的最大等效应力全部出现在最大水平扭转状态,上部结构、立柱和浮箱的最大等效应力出现在最大水平扭转状态或最大纵向剪切状态,最大水平扭转状态和最大纵向剪切状态是总体强度分析的关键计算工况;而且自存工况和作业工况3两种装载工况下的平台主体结构总体应力水平高于作业工况1和作业工况2两个装载工况,因此在本研究中选取自存工况和作业工况3这2个装载条件下的2个典型组合工况进行波浪频率和浪向的敏感性分析。2个典型工况的设计波参数见表1。

表1 自存工况和作业工况3的设计波参数

平台立柱与上部甲板以及立柱与浮箱的连接处是平台结构的关键部位,在本研究中选取关键部位的高应力区域进行局部结构细化来研究其对波浪载荷的敏感性。具体为位于立柱外板上方的纵横连续舱壁相交且位于双层底之间的区域1和位于立柱外板与浮箱中纵舱壁交接处的区域2(图1)。

图1 敏感性分析区域示意图

图2～9和表2～5中的部位1和部位2分别指区域1和区域2中最大等效应力所在的位置。

2.1 波浪频率敏感性分析

波浪频率敏感性分析的波浪频率为2个典型工况(自存工况和作业工况3)对应的波浪频率邻近的±0.03rad/s范围,步长为0.01rad/s,目的是研究波长变化对关键部位等效应力变化的影响。

2.1.1 自存工况

自存工况纵向剪切和水平扭转状态下最大等效应力随波浪频率的变化曲线见图2、3。部位1和部位2在最大纵向剪切状态和最大水平扭转状态下的等效应力数据见表2。从图2、3和表2可知,区域1和区域2的关键部位对波浪频率的敏感性不高,位于区域2的关键部位对波浪频率的敏感性高于位于区域1的关键部位,最大水平扭转状态下2个关键部位对波浪载荷的敏感性都高于最大纵向剪切状态。

表2 2个关键部位波浪频率敏感性数据

2.1.2 作业工况3

作业工况3纵向剪切和水平扭转状态下最大等效应力随波浪频率的变化曲线见图4、5。部位1和部位2在最大纵向剪切状态和最大水平扭转状态下的等效应力数据见表3。从图4、5和表3可知,区域1和区域2的关键部位对波浪频率敏感性不高,位于区域2的关键部位对波浪频率的敏感性高于位于区域1的关键部位,最大水平扭转状态下2个关键部位对波浪载荷的敏感性都高于最大纵向剪切状态。

表3 2个关键部位波浪频率敏感性数据

2.2 波浪浪向敏感性分析

波浪浪向敏感性分析的浪向为2个典型工况(自存工况和作业工况3)对应的波浪浪向邻近的±10°范围,步长为2.5°,目的是研究浪向变化对关键部位等效应力变化的影响。

2.2.1 自存工况

自存工况纵向剪切和水平扭转状态下最大等效应力随浪向的变化曲线见图6、7。部位1和部位2在最大纵向剪切状态和最大水平扭转状态下等效应力数据统计见表4。从图6、7和表4可知,区域1和区域2的关键部位对波浪浪向的敏感性不高,位于区域2的关键部位对波浪浪向的敏感性高于位于区域1的关键部位,最大水平扭转状态下位于区域2的关键部位对波浪载荷的敏感性高于最大纵向剪切状态。

表4 2个关键部位浪向敏感性数据统计

2.2.2 作业工况3

作业工况3纵向剪切和水平扭转状态下最大等效应力随波浪浪向的变化曲线见图8、9,部位1和部位2在最大纵向剪切状态和最大水平扭转状态下等效应力数据统计见表5。从图8、9和表5的数据可知,区域1和区域2的关键部位对波浪浪向的敏感性不高,位于区域2的关键部位对波浪浪向的敏感性高于位于区域1的关键部位。

表5 2个关键部位浪向敏感性数据统计

3 结论

以我国第一艘拥有自主知识产权的第6代深水半潜式钻井平台为目标平台,在前人进行总体强度分析的基础上,选取2个典型组合工况,分析了关键部位对波浪载荷的敏感性,结果表明,关键部位对波浪频率和浪向的敏感性不高。立柱与浮箱的连接部位对波浪载荷的敏感性高于位于连接上部结构与立柱的连接部位,前者位于将波浪载荷从浮箱传递至立柱及上部结构的载荷传递路径上,承受较大的交变载荷;最大水平扭转状态下2个关键部位对波浪频率的敏感性高于最大纵向剪切状态。平台主体结构的连接结构是控制结构强度的关键部位,也是疲劳强度分析的关键部位,疲劳强度分析应重点关注位于波浪载荷传递路径上的立柱与浮体的连接结构以及可能承受较大交变载荷的横撑与立柱的连接结构。

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(编辑:叶秋敏)

Abstract:Based on potential theory,spectral-based wave load analysis and finite element method,the sensitivity analysis of wave load on key joints of thesixth generation semi-submersible platform (the first one of China,with independent intellectual property rights)has been conducted for two typical operation behaviors and by using the results of the whole strength analysis.The results could provide the references for wave load analysis and fatigue nodeselection ofsemi-submersible platform.

Key words:semi-submersible platform;key joints; wave load;sensitivity

Wave load sensitivity analysis of key joints of deepwater semi-submersible platform

Bai Yanbin1Liu Jun1Zhang Chaoyang1Su Jing2Liu Huaxiang2
(1.State Key L aboratory of Ocean Engineering, Shanghai J iao Tong University,Shanghai,200240;
2.China N ational Of f shore Oil Corporation, Beijing,100010)

2009-11-23 改回日期:2010-03-07

＊国家“863”高技术研究发展计划项目(2006AA09A103)部分成果。

白艳彬,男,上海交通大学在读研究生,主要从事海洋结构物结构强度及疲劳强度研究。地址:上海市闵行区东川路800号上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院(邮编:200240)。