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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】U656.60 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。
深水半潜式钻井平台冗余强度评估
王世圣;谢彬;谢文会
【期刊名称】《中国海洋平台》
【年(卷),期】2010(025)003
【摘要】为评估深水半潜式钻井平台冗余强度,应用SESAM软件,建立了深水半潜式钻井平台破损结构的有限元模型,并依据生存工况计算设计波参数,通过计算获得生存工况下六种波浪载荷.然后再将设计波浪载荷施加到结构模型上,通过结构有限元计算分析获得了总体结构的应力计算结果和应力分布趋势,通过对比完整结构与破损结构的最大应力的变化,对半潜式钻井平台的破损强度进行了评估.
【总页数】5页(P26-29,51)
【作者】王世圣;谢彬;谢文会
【作者单位】中海石油研究总院,北京,100027;中海石油研究总院,北京,100027;中海石油研究总院,北京,100027
【正文语种】中文
【中图分类】P751
【相关文献】
1.深水半潜式钻井平台总体强度计算技术研究 [J], 王世圣;谢彬;谢文会
2.深水半潜式钻井平台总体强度分析 [J], 白艳彬;刘俊;薛鸿祥;唐文勇
3.深水半潜式钻井平台典型节点强度研究 [J], 谢文会;谢彬
4.深水半潜式钻井平台波浪载荷预报与结构强度评估 [J], 张海彬;沈志平;李小平
5.半潜式钻井平台水密滑动门结构疲劳强度评估 [J], 张国栋;王洪庆;李德江;郭勤静
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DNV半潜式钻井平台无损检测要求分析金磊;丁兵;黄燕琳;胡文杰;刘思明;苏炜炜【摘要】半潜式钻井平台是诸多海工项目中的一种形式,广泛用于海洋深水作业.按照DNV的入级规范,详细阐述了半潜式钻井平台的基本结构和无损检测要求,为该类产品制造过程中的质量控制提出了指导,并明确了所采用的无损检测方法和评价标准.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2014(029)004【总页数】6页(P51-56)【关键词】半潜式钻井平台;无损检测;分析【作者】金磊;丁兵;黄燕琳;胡文杰;刘思明;苏炜炜【作者单位】烟台中集来福士海洋工程有限公司,山东烟台264000;上海船舶工艺研究所,上海200032;上海船舶工艺研究所,上海200032;挪威船级社(中国)有限公司,上海200336;上海船舶工艺研究所,上海200032;上海船舶工艺研究所,上海200032【正文语种】中文【中图分类】P75半潜式钻井平台广泛用于深水勘探作业，目前全世界拥有半潜式钻井平台180余艘，使用率95%以上。
最新型半潜式钻井平台的钻井深度超过12 000 m，甲板可变载荷超过10 000 t，作业系统高度自动化、智能化，并出现了双井架的配置。
经过近半个世纪的发展，半潜式钻井平台已从上世纪六十年代的第一代发展到了第六代智能型深海钻井平台，其技术特点和发展趋势包括：工作水深显著增加、能适应更恶劣海域、可变载荷增大、外形结构简化、采用高强度钢、装备先进化和多功能系列化等。
半潜式钻井平台又称立柱稳定式钻井平台(如图1所示)，它是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式海洋钻井平台，它从坐底式钻井平台演变而来，由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。
此外，在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接，在下体间的连接支撑一般都设在下体的上方，这样，当平台移位时，可使它位于水线之上，以减小阻力。
平台上设有供钻井工作用的机械设备、器材和生活舱室等，平台本体高出水面一定高度，以免波浪的冲击，下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减小波浪的扰动力。
南海海域张力腿平台总体和局部结构强度分析冯加果;谢彬;王春升;谢文会;王世圣【摘要】The experience and engineering practice of foreign industries for the global and local structure strength analysis of the TLP platform was studied.The global structural strength and local structure strength of a certain TLP was assessed.The re-sults showed that the structural strength of the platform can meet the code requirements,but the platform structure design still has some optimization space.%参考国际海洋工程行业中TLP平台总体结构强度和局部结构强度分析的经验和工程做法,以某TLP为例完成总体结构和局部结构强度分析,验证该平台结构强度满足规范要求,但平台结构设计尚有一定优化空间.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2017(046)005【总页数】5页(P170-174)【关键词】张力腿平台;结构强度分析;荷载施加;有限元【作者】冯加果;谢彬;王春升;谢文会;王世圣【作者单位】中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028【正文语种】中文【中图分类】U674.38;U661.43张力腿平台(tension leg platform，TLP)是我国南海深水油气开发所倚重的重要平台型式之一[1-2]，其结构强度分析是确保平台在役期间安全运营的重要环节，通过强度分析可以确定危险工况及平台结构在相应海况环境下的响应，还可以有针对性地捕捉结构设计中的关键节点和部位，为下一步的详细设计、建造、特检等提供指导[3-5]。
第25卷第3期2010年6月中国海洋平台CHI NA O FFS HO RE PL A T FO RM V ol .25N o .3June .,2010收稿日期:2009-12-30基金项目:国家高技术研究发展计划(八六三)经费资助项目“深水半潜式钻井平台关键技术”(2006AA09A103)作者简介:王世圣(1962-),男,博士,从事深水海洋石油开发工程结构研究。
文章编号:1001-4500(2010)03-0026-04深水半潜式钻井平台冗余强度评估王世圣, 谢 彬, 谢文会(中海石油研究总院,北京100027) 摘 要:为评估深水半潜式钻井平台冗余强度,应用SESAM 软件,建立了深水半潜式钻井平台破损结构的有限元模型,并依据生存工况计算设计波参数,通过计算获得生存工况下六种波浪载荷。
然后再将设计波浪载荷施加到结构模型上,通过结构有限元计算分析获得了总体结构的应力计算结果和应力分布趋势,通过对比完整结构与破损结构的最大应力的变化,对半潜式钻井平台的破损强度进行了评估。
关键词:深水半潜式钻井平台;结构模型;有限元;应力分布;冗余强度中图分类号:P751 文献标识码:AStudy on Redundancy Strength of the Deepwater S emi -Su bmersibleDrilling RigWANG Shi -sheng , XIE Bin , XIE Wen -hui(CNOOC Research Institue ,Beijing 100027,China ) Abstract :In order to study redundancy streng th o f the deepw ater semi -subm ersible drill -ing rig ,dam aged structural mo del is built by SESAM softwa re .Acco rding to survival condi -tio n desig n w ave pa rameters ,six w ave lo ads in survival conditon are calculated ,and then they are applied to the damaged structural mo del .The stress and its distributio n trend are go ttenby finite element analysis .Through contrasting the change o f maxim um stress be tw een dam -aged structure and co mple te structure ,evaluation of redundancy strength of semi -subm ersible drilling rig is made .Key words :deepw ater semi -submersible drilling rig ;structural model ;finite element ;stress distribution ;redundancy structural streng th0 引言深水半潜式钻井平台作为深水油气田开发的重要设备,长期在恶劣的海洋环境中作业,不时承受着海洋环境载荷的作用。
根据ABS 设计规范[1]规定,深水半潜式钻井平台不仅在完整状态下具有足够的整体强度,而且在局部破损后仍能保证其整体不破坏。
因此,我们不但需要对半潜式钻井平台进行总体结构强度分析,还需要进行冗余结构强度分析。
由于平台的对称性,在相同的工况条件下船艏和船艉的一根横撑破断对结构的影响相差不大。
一般半潜式钻井平台的冗余结构强度分析的假定条件是半潜式钻井平台船艏的一根横撑破断,冗余结构强度分析与总体结构强度分析一样,均采用有限元法进行。
分析工况采用生存工况。
本文建立了深水半潜式钻井平台破损结构的有限元模型,并按照百年一遇的生存工况计算波浪载荷,然后施加到结构有限元模型上,进行结构计算,同时根据计算结果对结构冗余强度进行了评估。
1 破损结构的有限元模型的建立深水半潜式钻井平台的主体结构由两个旁通和四根立柱与之连接一起的立柱构成,立柱截面形状多为正方形或矩形。
半潜式钻井平台的壳体结构包括下浮体、立柱,它们都包含多个由纵横舱壁隔开的内部舱室,以及水密或非水密平台,且壳体、立柱和内部舱室壁板都设有很多纵、横加强筋予以加强。
在建立半潜式钻井平台的结构模型时为减轻建模工作量和降低有限元网格划分的难度,在反映结构真实承载能力的前提下,须做相应的简化。
在建立半潜式钻井平台的总体结构模型时,外板、舱壁、甲板等平板构件采用四节点或三节点壳单元,平台骨架(包括纵析、纵骨、横梁、肋骨等加强结构)简化为空间梁单元,但对于壳体加强骨架中尺度较大的板,为提高计算精度要用板单元模拟。
横撑管由于结构尺寸较大也采用壳单元。
在有限元网格划分过程中,对联结部位(如:立柱与下浮体联结处、立柱与上甲板联结处以及横撑管与立柱联结处)要注意细化网格。
图1所示为半潜式钻井平台破损结构的有限元模型。
冗余结构强度分析的边界条件是在平台的下浮箱上取3个节点,节点1限制X 、Y 、Z 向三个移动自由度,节点2限制Y 、Z 向三个移动自由度,节点3限制Z 向三个移动自由度。
理论上平台在重力、惯性力和波浪力作用下是一个自平衡体系,所有约束反力应当为零,因此要求反力足够小才能保证计算精度。
一般要求图1 冗余结构强度计算模型约束反力小于总重量的0.1%。
2 载荷组合工况按照ABS 设计规范,需要对拖航、作业/连接和生存3种状态分别进行半潜式钻井平台的总体结构冗余强度分析。
但冗余强度分析的目的是要求结构在局部破损的情况下不发生整体结构失效,对比三种工况,在生存状态下,半潜式钻井平台出现局部破损时最容易发生整体结构失效,因此半潜式钻井平台的冗余强度分析只考虑生存状态。
在生存状态下平台所遭受的最具危险性的水动力载荷有:1)最大横向撕裂力;2)最大横向扭矩;3)最大纵向剪切力;4)最大垂向弯矩;5)最大纵向甲板质量加速运动引起的惯性力;6)最大横向甲板质量加速运动引起的惯性力。
根据ABS 规范给定的方法,按照百年一遇的海洋环境条件对以上六种危险工况进行设计波分析,通过计算获得这些工况的设计波参数见表1。
表1 生存状态下设计波参数及水动力载荷危险波浪载荷波浪周期/s 浪向/deg 波幅/m 相位角/deg 最大响应横向撕裂力10.0909.06331.2/151.21.16×108N 横向扭矩8.01207.41340.0/160.02.17×109N ·m纵向剪切力10.01359.85164.9/344.93.31×107N 垂向弯矩10.01808.00136.8/316.82.85×109N ·m 纵向惯性力7.01804.6338.5/218.50.84m /s 2横向惯性力7.0905.98249.8/69.81.73m /s 2 按照表1给定的生存状态下设计波参数,在建立冗余结构强度计算模型后,利用Sesam 程序分析计算水动力载荷,并将水动力载荷直接映射到整体结构有限元模型上,应用模块Sestra 进行平台的结构计算,冗余结构的有限元计算结果由Xtract 输出,在Xtract 模块中可以迭加静水压力和水动力共同作用的结果并以·27·第3期 王世圣等 深水半潜式钻井平台冗余强度评估等效应力云图的方式输出计算结果。
3 许用应力深水半潜式钻井平台浮体结构主要采用高强度钢制造,钢材的屈服极限为355M Pa ,在立柱与上甲板的连接部位采用超高强度钢材,屈服极限达到550M Pa 。
ABS MODU 规范对深水半潜式钻井平台结构各工况时规定了的许用应力标准。
对于应力分量和由应力分量组合而得的应力,两者的许用应力计算公式为F =F YF S 式中:F Y 为材料屈服极限;F S 为安全系数。
对于板结构,可以采用Von M ises 等效应力进行校核。
等效应力的许用应力见表2。
表2 等效应力的许用应力载荷工况单元类型应力类型应力安全系数许用应力/M P a(F Y =350M P a )许用应力/M Pa (F Y =550M Pa )静水工况板单元V on M ises 1.43248385组合载荷板单元V on M ises1.113204954 计算结果与对比分析应用Sesam 程序,根据确定的设计波参数对半潜式钻井平台进行了冗余强度计算,计算结果给出了在不同工况下平台破损结构的总体应力分布,以及主要结构部分的应力分布和最大应力的作用位置,为判断结构的安全余度和改进结构提供了依据。
半潜式钻井平台破损结构总体应力分布如图2～图7。
半潜式钻井平台冗余度分析的目的是通过破损结构与完整结构的计算结果对比,确定半潜式钻井平台是否具有一定冗余度。
对于不同的工况,破损结构与完整结构的计算结果存在明显的差异,下面将对比六种·28·中国海洋平台 第25卷 第3期图6 最大纵向甲板质量加速作用工况图7 最大横向甲板质量加速作用工况工况下,破损结构与完整结构的计算结果,以确定这些工况的结构强度冗余度,最后确定平台结构总的强度冗余度。
六种工况下破损结构与完整结构上最大应力见表3。
表3 六种工况下破损结构与完整结构上最大应力工况1工况2工况3工况4工况5工况6破损结构完整结构破损结构完整结构破损结构完整结构破损结构完整结构破损结构完整结构破损结构完整结构箱型甲板BH D /M P a 301286356345400382212211215214282282箱型甲板中间甲板/M Pa 160160227223362245209161141140202202下浮箱/M Pa 190176235237338330220189141147166165下浮箱纵舱壁/M Pa 327271465447567563484358263274256303下浮箱横舱壁/M Pa 436425429424667665596480348343389384下浮箱强框架/M Pa 458459575513697685531425310326374372立柱强框架/M Pa 257141258184266227108138141141119120立柱外板/M Pa 381303361306398381251227209209292294立柱纵舱壁/M Pa343340303299330329320276283284338340 根据图2～图7六种工况下结构总体应力分布及表3给出的六种工况下破损结构与完整结构上最大应力,破损结构与完整结构的应力对比如下:工况1在最大横向撕裂力作用下,下浮箱纵舱壁最大应力大于许用应力,冗余度不够,需要加强。
