梁　瑜

(海洋石油工程股份有限公司设计公司 浮式结构设计部，天津 300451)



张力腿平台POST结构强度分析

梁瑜

(海洋石油工程股份有限公司设计公司 浮式结构设计部，天津 300451)

为确保深海中张力腿平台(TLP)结构的安全和可靠运行，针对TLP平台关键部位：连接船体与上部组块的对接立柱(POST)的结构强度，采用ANSYS软件建立TLP平台的“POST”结构模型，分析在位工况：一年一遇、百年一遇以及千年一遇等环境条件下的POST结构强度，确定POST这一TLP关键结构满足强度要求，计算分析结果合理，可为TLP平台的POST结构强度评估提供参考。

张力腿平台；POST结构；有限元；强度分析

张力腿平台(tension leg platform, TLP)[1-4]作为一种用于深海油气开采，生产和加工处理的海洋结构物，是深水浮式平台的主要形式之一，已经得到广泛应用。TLP平台具有运动性能好，抵抗恶劣环境作用能力强，可移动和经济性好等特点，具有良好的发展前景。

TLP总体上可将其按结构分成平台上体、立柱、浮箱、张力腿和锚固基础五部分。通常又将立柱和浮箱组合体称为平台主体，而将平台上体、平台主体统称为平台本体。从结构特点上看，张力腿平台就像一个倒置的钟摆，是一个刚性系统和弹性系统两者综合的复杂非线性动力系统[5-6]。

对接支柱(POST)，作为连接TLP船体与上部组块的关键结构(示意于图1)，在海洋环境荷载作用下，POST结构是较危险部位[7]，其结构强度能否满足设计要求是整个TLP平台结构设计的关键，是确保平台结构安全的重中之重。

图1　POST结构三维示意

1　环境条件

TLP平台POST结构分析海况条件见表1。其中，工况：A、B、S分别代表：操作工况、极端工况和生存工况。

表1　海况条件

2　结构模型建立

采用ANSYS软件建立POST结构的有限元模型。POST结构模型从TLP整体结构模型中获得，并进一步细化，从整体强度计算结果得知，全部四个POST中，西南方位(SW)的POST结构应力水平最高，故选其作为分析对象。

模型范围包括：POST结构(立柱顶部往上2 000 mm处)，立柱顶部(距基线36 800 mm至距基线56 500 mm)及其支撑结构。模型见图2、3。

模型中，POST结构、立柱外板、立柱顶板、立柱环肋、舱壁板、桁材面板、桁材腹板、垂向骨材以及所有加强肘板等连接结构，均采用SHELL181单元建模。网格尺寸：细化区域150 mm;其他区域：500 mm。

模型节点总数：80 450，单元总数：86 506。

图2　POST结构分析模型(1)

3　载荷的施加与边界条件

对于每种计算工况，在上部组块与船体交界处(即结构模型POST顶部)，施加由上部组块传递而来的动载荷与静载荷之和，1 000年、100年以及1年回复期的该载荷值，从各工况的整体结构分析模型中获得。该载荷通过MPC单元施加集中载荷于模型的POST结构顶部。1年回复期施加的载荷值见表2。

图3　POST结构分析模型(2)

表2　1年回复期工况POST顶部载荷值

边界条件：从整体强度分析模型中，读取位于立柱下端边界处的位移，见图4。

图4　边界条件

4　计算结果分析

4.1许用应力

API RP-2T[8]针对TLP平台结构分析规定了许用应力标准。对于板壳结构，可以采用Von Mises等效应力进行校核。该等效应力的许用应力为F=Fy/FS，相应的安全因子和许用应力值见表3。

表3　安全因子和许用应力

4.2计算结果

为便于计算分析，将整个计算模型分为15组(Group)，各组的具体位置见图5～7。

图5　构件分组示意图(1～9组)

采用ANSYS软件对POST结构进行准静态结构分析。各工况下，各主要结构部位应力最大值计算结果见表4。

由以上分析结果可知，在操作、极端、生存等工况下，POST结构的所有构件von Mises应力最大值均小于许用应力值，因此，该TLP平台POST结构满足强度要求。

图6　构件分组示意图(10～11组)

图7　构件分组示意图(12～15组)

1000YearStressEnvlope1000YearStressEnvlopelYearStressEnvelopeCMPELEMAllowabieNAMESLGEStressUCELEMAllowabieSLGEStressUCELEMAllowabieSLGEStress〛UCMaxControlLoadConditionUCForUnitycheck[Mpa][Mpa][MPa][MPa][MPa][MPa]GRP_1153.59345.00.45132.79310.80.43100.34241.30.420.451000YearGRP_2166.41345.00.48140.43310.80.45121.82241.30.500.501YearGRP_3110.03345.00.32104.10310.80.33105.27241.30.440.441YearGRP_4157.09345.00.46142.85310.80.46132.78241.30.550.551YearGRP_596.50345.00.2883.88310.80.2759.43241.30.250.281000YearGRP_6163.70345.00.47151.27310.80.49142.31241.30.590.591YearGRP_778.54345.00.2366.87310.80.2246.79241.30.190.231000YearGRP_869.03345.00.2061.67310.80.2052.23241.30.220.221YearGRP_9201.13345.00.58177.91310.80.57159.12241.30.660.661YearGRP_10163.70345.00.47151.27310.80.49142.31241.30.590.591YearGRP_11153.59345.00.45132.79310.80.43100.34241.30.420.451000YearGRP_1269.03345.00.2061.67310.80.2052.23241.30.220.221YearGRP_13104.73345.00.30101.11310.80.3391.61241.30.380.381YearGRP_14262.89345.00.76221.26310.80.71163.37241.30.680.761000YearGRP_1579.91345.00.2367.82310.80.2252.02241.30.220.231000Year

5　结论

1)基于本文针对张力腿平台POST结构强度分析发现，在操作、极端、生存等工况下，POST结构所有构件均满足强度要求。

2)由于垂向加强筋与环肋连接部位为主要受力部位且位置特殊等原因，在各计算工况中应力相对其他结构较大，所以设计中应予以结构加强的考虑。

3)POST作为连接TLP船体与上部组块的关键结构，该结构是整个平台较危险部位，其结构强度校核应引起足够重视。

[1] MARSHALL D. Deep developments taking shape[R]. Offshore Engineer, 2003-04-02.

[2] MARSHALL D. The crowning of a prince[R]. Offshore Engineer, 2001-08-17.

[3] ANONYMOUS A.MODEC international to build new type sea platform for oil production[R]. Japan Ship Exporters’ Association, 1999.

[4] HENRIK H. The metocean aspects of the design and operation of TLPs[C]∥Aker Maritime Presentation, 2001.

[5] 杨雄文，樊洪海.TLP平台结构型式及其总体性能分析[J].石油机械，2008,36(5)：70-73.

[6] 鲍莹斌，舒志.中等水深轻型张力腿平台型式研究[J].海洋工程，2001(5)：7-12.

[7] 邵景华，何勇，等.张力腿平台局部节点强度可靠度分析方法[J].海洋工程，2012(1)：20-21.

[8] API, Recommended practice for planning, designing and constructing tension leg platform[S], Jul. 2010.

Study on POST Structure Strength Analysis of Tension Leg Platform

LIANG Yu

(Dept of Floater Engineering, COOEC, Tianjin 300451, China)

In order to insure the safe and reliable service of TLP in deep water, the strength of POST structure for TLP is studied. The finite element model of the POST structure of TLP is established in ANSYS and the local strength analysis are performed under 1 year operating condition, 100 year extreme storm condition and 1000 year survival condition respectively. The conclusion can be reached that the main structure of POST structure can meet strength requirement. The calculating result provided basis for evaluation of POST structure strength.

tension leg platform; POST structure; finite element; strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.027

2015-09-28

2015-10-12

国家工信部项目(500 m水深油田生产装备TLP自主研发)

梁瑜(1982-)，男，硕士，工程师

P752

A

1671-7953(2016)01-0133-04

研究方向:船舶及海洋工程结构设计

E-mail:liangyu@mail.cooec.com.cn