（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着海洋石油工业的发展，海洋平台日益受到世界各海洋石油生产商的关注。早期 设计建造的半潜式钻井平台在许多方面不能适应形势发展的需要，需要进行升级改造， 以提高施工能力。 本文以一座改造的半潜式钻井平台为例，采用a b sm o d u 规范推荐方法计算平台 在各种工况作用下的载荷，并应用m s c n a s t r a n 有限元软件对平台模型进行了整体 强度分析，然后根据规范的要求对其进行了屈服强度校核。 主要工作分为以下三个部分： ( 1 ) 建立了平台有限元模型，并对其在各个工况下进行了静力分析。结果显示， 平台整体结构的应力集中部位主要分布在如下几处：1 ) 主甲板下面的箱型梁与立柱和 斜撑管的连接部位：2 ) 月池周围的纵横舱壁和主要骨材；3 ) 立柱与撑管、浮体与撑管 以及撑管与撑管的某些连接节点。由于在月池边上有大开口，上甲板靠近月池边缘的结 构处局部应力值明显超过屈服应力极限。 ( 2 ) 通过撑管对平台局部结构分析，从分析结果来看：1 ) 某些局部结构的安全裕 度偏大；在波浪载荷和平台自身重力作用下，某些撑管结构增加了平台的抗扭强度，但 对平台的整体结构强度的影响不大。2 ) 新增加的艏艉端部连接主甲板与浮体的垂向撑 管对整体垂向强度作用不大；新增加的连接立柱舷台之间的水平横撑制约两浮体之间的 横向运动，有效加强了平台结构的横向强度。 ( 3 ) 针对平台撑管的布置形式，通过平台局部结构改造的几种方案比较，得到了 平台在满足强度规范要求下的改进方案，为半潜式钻井平台的结构设计提供技术参考。 关键词：半潜式钻井平台；屈服强度；有限元分析；撑管 半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造方案 s t r e n g t ha n a l y s i sa n dl o c a ls t r u c t u r a lr e f o r m a t i o n o fas e m is u b m e r s i b l ed r i l l i n gp1atformab e r m - s u l 9 m e r s l b l ed n l l l n gpt o r m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo f f s h o r eo i li n d u s t r y o f f s h o r ep l a t f o r m si n c r e a s i n g l ya t t r a c tt h e g l o b a lo f f s h o r eo i lp r o d u c e r s a t t e n t i o n 1 1 1 es e m i - s u b m e r s i b l ed r i l l i n gp l a t f o r mw h i c hh a s b e e nd e s i g n e de a r l yc a l ln o tm e e tt h en e e d so f d e v e l o p m e n t ，s oi ti sv e r yn e c e s s a r y t ou p g r a d e f o ri m p r o v i n gc o n s t r u c t i o nc a p a c i t y i nt h i sp a p e r , am o d i f i e ds e m i s u b m e r s i b l ed r i l l i n gp l a t f o r mi st a k e na n a l y z e d t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fg l o b a ls t r u c t u r ei se s t a b l i s h e dw i t ht h em s c p a t r a ns o f t w a r e t h em e t h o dw h i c hi sr e c o m m e n d e db ya b sm o d us t a n d a r di sa d o p t e dt oc o m p u t et h e l o a d so fp l a t f o r mu n d e rv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s 1 1 1 em s c n a s t r a nf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ei su s e dt oa n a l y z eg l o b a ls t r e n g t ho ft h eg u i d ep l a t f o r m t h ey i e l ds t r e n g t hi s c h e c k e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fa b s m a j o rw o r ki sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gt h r e ep a n s ： ( 1 ) af i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ep l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ，a n di t ss t a t i ca n a l y s i si sc a r r i e d o u tu n d e rv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n s 1 1 1 er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a ts t r e s sc o n c e n t r a t i o n p a r t so ft h eg l o b a ls t r u c t u r ea r em a i n l yd i s t r i b u t e da sf o l l o w ：1 ) j o i n t sw h i c hc o n n e c tt h e b o x - g i r d e ra n dc o l u m nb e l o wt h em a i nd e c ka n dt h ed i a g o n a lb r a c e ；2 ) t h ev e r t i c a la n d h o r i z o n t a lb u l k h e a d sa n dm a i ns k e l e t a lm a t e r i a ln e a rt h em o o n p o o l ；3 ) s o m ec o n n e c t e dn o d e s b e t w e e nc o l u m na n db r a c e ，f l o a t i n gb o d ya n db r a c e ，b r a c ea n db r a c e b e c a u s eo ft h el a r g e o p e n i n g so fm o o n p o o ls i d e s ，l o c a ls t r e s so fd e c ks t r u c t u r en e a rt h em o o n p o o le d g e so b v i o u s l y e x c e e d sy i e l ds t r e s sl i m i t ( 2 ) t h el o c a ls t r u c t u r eo fp l a t f o r mi sa n a l y z e db a s e do nb r a c e s ，t h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w t h a t ：1 ) 1 1 1 es a f e t ym a r g i no fs o m el o c a ls t r u c t u r ei st o ol a r g e ；u n d e rw a v el o a da n dp l a t f o r m o w ng r a v i t y , s o m eb r a c e si n c r e a s et o r s i o n a ls t r e n g t ho ft h ep l a t f o r ms t r u c t u r e ，b u tt h ee f f e c t o nt h eg l o b a ls t r u c t u r es t r e n g t ho fp l a t f o r mi sl i t t l e 2 ) 1 1 1 en e w l ya d d e dv e r t i c a lb r a c e sw h i c h c o n n e c tm a i nd e c ka n df l o a t i n gb o d ya tb o wa n ds t e mh a v el i t t l ea c t i o no ng l o b a lv e r t i c a l s t r e n g t h ；t h en e w l ya d d e dh o r i z o n t a lb r a c e s ，w h i c hc o n n e c tc o l u m na n ds p o n s o nr e s t r i c t l a t e r a lm o t i o nb e t w e e nt h et w of l o a t i n g - b o d y ，a r ee f f e c t i v et oi n c r e a s et r a n s v e r s es t r e n g t ho f t h ep l a t f o r ms t r u c t u r e ( 3 ) a c c o r d i n gt o t h ea r r a n g e m e n tf o r mo fb r a c e s ，b yc o m p a r i n gs e v e r a lr e f o r m a t i o n s c h e m e so fp l a t f o r ml o c a ls t r u c t u r a l ，ab e t t e r d e s i g nw h i c hc a nm e e tt h es t r e n g t h 大连理工大学硕士学位论文 s p e c i f i c a t i o n si so b t a i n e d s o m et e c h n i c a lr e f e r e n c e sa r ep r o v i d e da b o u t t h es t r u c t u r a ld e s i g n o ft h es e m i - s u b m e r s i b l ed r i l l i n gp l a t f o r m k e yw o r d s ：s e m i - s u b m e r s i b l ed r i l l i n gp l a t f o e m ； y i e l ds t r e n g t h ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；b r a c e i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：坐遂盏盗墨煎殛丝虐丝亟昼屋窒e 丝塑丝 作者签名：j 弛珞一日期：尘仁年旦月卫日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 辽阔的海洋蕴藏着丰富的资源，其中油气资源的开发是海洋资源开发的重要组成部 分。海洋的平均水深为3 7 3 0 米，其中9 0 以上海洋面积的水深在2 0 0 米至6 0 0 0 米之间， 7 4 以上的水深在3 0 0 0 米到6 0 0 0 米间n 2 1 ，而目前已探明的海洋石油储量8 0 以上在水 深5 0 0 米以内，因此有大量的海域面积还有待勘探。随着世界油气需求的增加，陆上及 近海常规水深的开发已趋饱和，海底油气的开采向深水域( 水深4 5 0 1 5 0 0 米) 和超深 水域( 水深1 5 0 0 米以上) 发展。 随着水深的增加，传统的导管架和重力式等平台由于自重和成本的大幅度增大而不 适合深水开发，因此适合于深海作业的钻采生产系统成为了研究的热点h 3 。其中，移动 式平台由于具备可移动性，能在不同海域、不同水深、不同方位作业，能很好地适应各 种海洋作业环境；加之可重复再使用的特点，使得移动式平台在工作水深大于4 5 0 m 的海 域以及边际油田的开发中具有绝对的经济优势。 半潜式海洋平台由于其优良的运动性能，自1 9 6 2 年出现以来得到了广泛的应用，经 过几十年的实践和发展，在设计建造、安全作业、海上定位、维护改造方面积累了丰富 的经验，随着油气开发向深海进军，水下技术的进步，更适合超深水作业的湿采油树的 成熟应用啼，半潜式平台进入了新的发展期。 1 1半潜式海洋平台简介 1 1 1 国内外半潜式海洋平台发展概况 1 9 9 6 年，全世界拥有的半潜式平台1 3 2 艘，1 9 9 7 年增至1 4 7 艘，1 9 9 8 年再增至1 6 5 艘，之后增长缓慢。2 0 0 0 年为1 7 0 艘，2 0 0 2 年为1 7 5 艘，并开始出现工作水深3 0 4 8 m ( 1 0 0 0 0 f t ) 的半潜平台2 艘。据最新统计，包括正在建造或改造的4 1 艘新一代平台， 全世界拥有半潜式平台共2 0 8 艘。工作水深超过3 0 4 8 米的有2 9 艘，其中2 艘已投入钻 井，2 艘在升级改造中，2 5 艘在建，最大作业水深达到3 6 5 7 米，钻井深度达到1 5 2 4 0 米( 5 0 0 0 0 英尺) 阳1 。未来几年内，世界上半潜式平台的投入资金已经和2 0 年前的黄金 时代基本持平，半潜式平台朝着深海、高科技含量、高附加值的方向发展，进入了新的 发展阶段，现在正是深海半潜式平台研究和开发的又一个黄金时代。 目前，深海半潜式平台的设计主要依靠以f r i e d e & g o l d m a n ，r e a d i n g & b a t e s 等为代 表的美国公司以及以a k e r 、b i n g o 、m s c 为代表的欧洲( 挪威、荷兰) 公司，而深海半 潜式平台的建造中心己移向亚洲，2 0 0 5 年1 2 月底包括正在建造或升级改造中的工作水 深1 0 0 0 0 英尺以上的平台1 6 艘中，有1 2 艘是由亚洲船厂承担的，其中新加坡5 艘、韩 半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造方案 国4 艘、中国3 艘，另4 艘分别为挪威a k e r 公司船厂建造的2 艘，俄罗斯船厂升级改 造的2 艘。而平台钻井等设备装置则更加依赖于美国公司。 我国拥有半潜式钻井平台共5 艘，包括自行设计建造的1 艘，其余4 艘均从国外进 口。其中中国海洋石油总公司拥有3 艘：“南海2 号 、“南海5 号 、“南海6 号”， 都是从国外购买的二手货，主要用于中国南海作业，工作水深仅2 0 0 - - 3 5 0 m ；中国石油 和化工集团拥有2 艘，1 艘是由7 0 8 所等单位设计，上海船厂建造的“勘探3 号”，工 作水深仅为2 0 0 m ，主要用于东海作业，另1 艘“勘探4 号 是从国外购买的，并一直在 国外使用。目前我国海洋石油工作水深小于5 0 0 m ，海底采油水深也小于5 0 0 m ，海底采 油井深在5 0 0 0 m 以下。因此，严格地讲，我国的海洋石油开采仍停留在常规水深( 水深 4 5 0 m 以下) ，没有超过1 0 0 0 m 的深海平台，距现在世界主流的第五、六代半潜式平台 ( 1 5 0 0 - 3 0 0 0 m 超深水域平台) 的差距很大。 深海半潜式平台的设计建造技术及设备装置大都属于高科技产品，这些技术受到国 外很多专利和知识产权的保护和限制，我国的大连船舶重工自2 0 0 0 年始已为挪威完成 了b i n g o 系列多艘深水半潜式平台的船体建造，江南造船厂、沪东造船厂、外高桥造船 厂通过经验积累和资金投入亦具备钻井平台船体或模块的建造能力，但都尚不具备自主 设计能力，而深水平台的钻采设备则只能依靠欧美的公司。 1 1 2 半潜式海洋平台结构特点 半潜式海洋平台体积庞大，结构复杂，主要结构由三大部分组成：即上层平台、浮 箱或下浮体、立柱和撑管。平台的结构形式不同，它的组成也不同，目前具有代表性的 三种为三角形、五角形和矩形。三角形平台与其它平台相比，结构形状简单、重量轻， 但因其立柱下采用靴式，结构复杂，撑管较多，节点建造较难，而五角形平台结构复杂， 重量也会增加，从施工建造考虑，它们也都比矩形平台困难。五角形平台的优点是具有 优良的稳性，而且波浪不论来自何方，结构受到的载荷相差不大。目前建造较多的还是 矩形平台口1 。 1 上层平台结构 上层平台布置着全部钻井机械，平台操作设备，物资贮备和生活设施。一般上层平 台是由平台甲板、围壁和若干纵横舱壁所组成的空间箱形结构。根据布置和使用要求， 可分为若干层，如上甲板、中间甲板、主甲板等。由于半潜式平台在海上工作的危险性， 要求上层平台为水密或具有一定的水密性，以便在失事中平台具有更大的安全性。上层 平台可以是一个整体的箱形结构，也可以是由若干纵横箱形结构单元组合而成，采用箱 形结构可以获得较大的抗扭刚度。但有些半潜式平台为了减轻上层平台的重量，只设一 大连理工大学硕士学位论文 层主甲板，而用立柱之间的强桁材或与上层建筑形成的箱形结构来支撑甲板。这种上层 平台结构的材料一般必须采用高强度钢。 2 浮箱或下浮体结构 浮箱结构是水密圆台，设置在立柱下面，彼此互不相连，三角形半潜式平台和五角 形半潜式平台用得较多。而矩形半潜式平台多采用下浮体结构，下浮体为一圆角矩形剖 面或圆形剖面的纵骨架式壳体结构。通常两个下浮体分别设置在平台两排立柱的根部， 将每排立柱连成一个整体。下浮体结构必须由若干个纵横隔舱组成，以保证其结构的水 密性和强度，在这些分舱中放置机械设备、推进器、油水舱和压载水舱，以保证下浮体 潜浮作业的进行。 3 立柱和撑杆结构 立柱的作用，一方面与撑杆一起将上层平台支撑在下浮体( 浮箱) 上；另一方面在 平台处于半潜状态时提供一定的水线面，使平台获得稳性。立柱是一个截面为圆形或者 矩形的壳体，它可以是纵向( 垂向) 骨架，或无骨架结构，但无论有无纵向骨架，结构均 由环形扶强材或其它适当的构件加强。在立柱内部也可以设置适当的立柱甲板，以充分 利用柱体空间和保证一定的抗沉性。立柱结构的设计应使壳体在预期的静水压力和动水 压力以及工作负荷作用下不出现失稳或压坏。 撑杆结构的作用是把上层平台、立柱和下浮体三者联结成一个空间刚架结构，同时 有效地将上部载荷传递到平台的主要结构上( 立柱、下浮体) ，并将由于风浪等载荷和 其它受力状态，如拖航沉浮过程所产生的不平衡力进行有效的再分布。 撑杆结构一般为管状水密结构，其内部设置环形肋骨，以保证其形状和强度以及在 较高的外部水压力作用下不出现失稳。撑杆结构，包括立柱与上层平台之间的支撑，立 柱与立柱之间的支撑，可分为水平撑杆、垂直撑杆和斜向撑杆。因此带来了半潜式平台 结构设计最大特点之一，即节点设计的复杂性。在这些节点结构中，往往有很多杆件汇 交，且属于大型的节点结构。为减少应力集中，提高疲劳寿命，目前有些半潜式平台在 撑杆与上层平台、立柱、下浮体的连接处采用了箱型的节点结构。 1 1 3 新一代半潜式海洋平台发展趋势 到目前为止，半潜式平台在不到半个世纪的时间里，已经经历了两次发展浪潮，目 前正处于第3 次发展浪潮中，其技术革新的速度非常之快。以半潜式钻井平台为例，在 不断的技术革新之中完成了由第一代到第六代的演变。几乎每隔1 0 年，平台就会发一次 质的飞跃，而且这种间隔的时间越来越短，有时新一代平台刚出现，更新一代的平台几 乎同时出现哺3 。在这种快速发展过程中，半潜式平台的结构型式、性能以及作业能力都 半j 荠式钻井平台强度分析及局部结构改造方案 发生了很大的变化。平台结构的变化主要体现在两个方面，一是平台结构所采用材料的 变革：另一个是主体结构型式的变化。平台的形式演变如图11 所示。 图11 半潜式平台结构形式发展变化 h g 】1g c o m e y d e v e o p m e n t o f s e m i s u b m e r s i b l e 目前国外出现的半潜式平台已发展到第五代，它们大都具有在水深1 5 0 0 米以上水域 呼 舔陵 大连理工大学硕士学位论文 工作的能力，配备甲板大吊机，采用动力定位系统，结构设计条件高，抗风暴能力强。 新一代的半潜式平台即第六代半潜式平台亦在设计建造中。第五、第六代半潜式平台新 发展的主要特点可总结如下： ( 1 ) 可变载荷增大。通过优化设计，其可变载荷与总排水量的比值超过0 2 ，甲板可 变载荷将达到万吨，平台自持能力增强，同时甲板空间增大，钻井等作业安全性能提高。 ( 2 ) 外形结构简化，采用高强度钢。早期平台立柱数目众多，现多采用6 个或4 个圆 立柱或圆角方立柱。撑杆数目从1 4 - 2 0 根大幅降低，以致减为2 4 根横撑，并可能最终取 消各种形式的撑杆。平台主体结构采用甚高强度钢，以减轻平台结构自重和造价，提高 可变载荷与平台自重比，提高排水量和平台自重比。大多数海上工程用钢的屈服强度为 2 5 0 3 5 0 m p a ，目前，甚高强度钢( 7 0 0 m p a ) 已用于平台的重要结构，甚至使用8 2 7 m p a 的钢 材，这些钢材不仅强度高，而且韧性好，可焊性好。 ( 3 ) 良好的船体安全性和极限抗风暴能力及长的自持能力，以适应全球远海、超深 水、全天候和长期的工作能力。 ( 4 ) 更大的工作水深。专家预料，未来2 0 年内将有工作水深达4 0 0 0 5 0 0 0 m 的半潜式 平台出现。 ( 5 ) 装备先进。第六代深水半潜平台装备大功率的新一代钻井设备、新一代动力定 位设备和大功率电力设备及先进的监测报警、救生消防、通讯联络等设备，平台钻井作 业的自动化、效率和安全性能等都有显著提高。 在结构形式上，新一代的半潜式平台趋于大型化和简单化。平台的主尺度增大，立 柱浮体和主甲板间的内部空间增大，物资( 水泥，粘土粉，重晶石粉，钻井泥浆，钻井 水，饮用水和燃油等) 存储能力增强。平台外形结构趋于简化，下浮体趋向采用简单的 方形截面，平台甲板也为规则的箱形结构；采用少节点，无撑杆的简单外形结构，立柱 和撑杆、节点的型式简化、数目减少，这些改变都大大降低了节点疲劳破坏风险并减少 了建造费用。 1 2 论文研究的背景 海洋平台作为海上石油开采的主体结构，集中了各种先进的设计与制造技术，构造 复杂阳1 。随着海洋开发事业的迅速发展，海洋平台的需求量越来越大，所处的海洋环境十 分复杂严酷，风、海浪、海冰、海流和潮汐时时作用于结构，同时还受到地震等作用的 威胁。在此环境条件下，环境腐蚀、冲刷和基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械 损伤等不利因素都会导致平台结构构件的损伤及整体抗力的衰减，影响结构的安全度以 及耐久度n0 | 。海洋平台一旦出现事故所带来的生命和财产损失是难以估量的。 半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造方案 就结构强度而言，海洋平台的安全性一般是通过保证外载荷效应( 如结构应力) 小 于相应的结构承载能力( 如危险应力) 的某个百分数的方法来达到，也就是在结构强度 上保留一定的安全储备。为保证平台的安全，世界各主要的船检机构都颁布了自己的海 洋平台建造与入级规范。在这些规范中，对结构分析的基本原则，海洋环境条件和设计 载荷的确定，结构安全系数的选取，材料的特性和选择等都作了规定。 海洋平台的建造与船舶一样具有一定的周期性。进入二十世纪末、二十一世纪初， 将有一大批钻井平台已经进入或正在进入后服役期阶段，成为老龄化平台，有些平台甚 至已经超龄。如果报废旧平台，购买新平台，则需要大量的资金，而且建造周期过长， 不能满足当前海洋石油工业迅猛发展的形势需要。出于各种原因，船主与采油公司都在 继续使用这些平台以节约投资，增加经济效益1 。还有一定数量超过服役周期的平台， 已经不适应钻井的需要，需进行改装，以增加局部结构强度，才能继续使用n 别。利用原 有的设备，进行升级改造，提高施工能力，则投资小，见效快，能迅速缓解海上钻井施 工能力不足的压力。但如何重新评估确认使用期内平台的结构质量，借以决定维修乃至 改装方案，成为决策者面临的必须选择取舍的关键问题。 如何合理优化结构设计，在满足船级社规范要求的同时，既达到满足生产和生活的 需求，又起到节省材料，降低建造成本，提高船厂的经济效益，是平台生产设计阶段必 须考虑的问题。 1 3 本文主要内容及研究意义 本文的研究对象为一座改造的半潜式钻井平台，改造后其作业水域最大水深可达 3 0 4 8 米，钻井最大深度可达10 6 6 8 米。 为满足平台生产和生活的需求，对平台的甲板、立柱、浮体以及撑杆都作了较大改 动。整个平台改装后大体上由一矩形平台主甲板、六个立柱、两个浮体、四十五根撑管 组成。其中新增加的撑管，组成了多个杆件相交的管节点结构。在管节点的连接部位会 产生很大应力集中，平台会在管节点处会产生初始破坏n 引。通过对平台在拖航、作业和 自存工况下，整体强度和局部结构强度的校核分析，发现某些局部构件( 如新加撑杆节 点) 的等效应力n 4 1 都比较小，去掉这些局部撑杆构件，重新校核平台整体结构强度。在 满足规范要求强度的前提下，减少这些撑杆，使平台更透浪，减小了波浪力对平台的影 响。通过分析，得出这些撑杆对平台整体结构和局部结构的影响，并提出对某些局部结 构进行加强的合理性，为今后相类似平台的局部结构设计提供依据。本文主要工作包括： ( 1 ) 查阅文献，完成了半潜式平台国内外发展状况概述，阐述了半潜式海洋平台的 结构特点和发展趋势，最后指出了课题的工程背景和意义。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 学习和阅读本文半潜式海洋平台相关图纸资料，用m s c p a t r a n 软件建立平台的 三维有限元模型。 ( 3 ) 计算平台在波浪作用下的环境载荷。根据给定的平台作业海域环境资料，平台 建造规范的有关规定，计算出各种工况的环境载荷。 ( 4 ) 学习了海洋平台规范，并根据a b s 规范，运用m s c n a s t r a n 软件系统，校核分析 平台在各种工况下的整体和局部强度。 ( 5 ) 逐一去掉新加撑管以及部分原平台撑管，重新校核平台整体强度和局部强度， 分析得出撑管对平台结构的作用。 ( 6 ) 针对平台撑管的布置形式，通过平台局部结构改造的几种方案比较，得到了平 台在满足强度规范要求下的最佳改进方案，为半潜式钻井平台的结构设计提供技术参 考。 半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造方案 2 平台建模及载荷计算 2 1平台基本情况 2 1 1 平台主尺度 半潜式平台为6 立柱双浮体结构，甲板主体分主甲板、中间甲板、上甲板以及顶甲 板四层，在立柱与主甲板箱型梁结构、立柱与立柱、浮体与主甲板箱型梁结构之间设有 撑杆结构。改造后的平台，结构主尺度如表2 1 所示： 表2 1 平台主尺度 t a b 2 1m a i nd i m e n s i o n so ft h ep l a t f o r m 2 1 2 平台工作环境 假设平台工作目标海域为墨西哥湾海域，设计环境条件如下表2 2 所示。 表2 2 平台设计环境条件 t a b 2 2d e s i g ne n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so ft h ep l a t f o r m 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 13 平台的重量与重心位置 平台的空船以及各种工况下的重量重心位置如下表2 3 所示： 表2 3 平台空船与各种工况下的重量及重心位置 t a b 2 3 w e i g h t 姐dc l m t e r o f g r a v i t y p o s i t i o n o f t h e m a f f o 皿o l l v a t i o u jc o n d i t i o n s 2 2 平台有限元模型的建立 22 1 模型坐标系 平台结构有限元模型的总体坐标系采用右手直角坐标系，原点位于平台两个浮体底 部的对称中心。x 轴沿平台纵向，指向艏部为正；y 轴沿平台横向，指向左舷为正；z 轴沿平台垂向，向上为正。如图2 1 所示： 1 - 一。 图2 1 平台总坐标系 f i g2ig l o b a lc o o a d i n a t e o f t h e p l a f f o m 半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造方案 2 2 2 整体结构有限元模型的建立 结构有限元模型的建立有两种方式：1 ) 直接建立有限元模型；2 ) 建立几何模型， 再进行网格剖分，形成有限元模型。使用p a t r a n 软件建立平台整体有限元模型时，浮体、 立柱、甲板部分采用直接建立有限单元的方法建立有限元网格，撑管部分的各种类型的 管节点采用先建立几何模型，然后剖分获得有限元网格的方法。 平台整体结构有限元模型为空间板梁组合结构力学模型。外板和舱壁板等平板构件 采用四边形和三角形壳单元来模拟；平台骨架包括纵桁、纵骨、横梁和肋骨等一般采用 空间梁单元来模拟；对部分尺寸较大的骨材，腹板采用壳单元按实际结构尺寸来建模； 对主要骨材的面板以及加强筋、扶强材等采用杆单元来建模。 在整体有限元模型建立过程中，结合a b s 规范n 5 1 的要求，需要遵守以下准则： 1 )网格尺寸应小于等于所表示的纵骨间距和肋骨间距( 6 0 0 r a m ) ； 2 ) 骨材以杆和或梁建模，根据结构的变形和受力，确定骨材采用单元类型。 对于承受弯曲变形的骨材，采用梁建模；对于仅承受拉压应力的骨材，采用杆建 模； 3 ) 单元要尽可能饱满，长宽比应不超过4 ：1 ； 4 )在划分网格时，尽可能避免三角形单元，特别是高应力区域和开孔周围、 肘板连接处和折角连接处等应力梯度大的区域； 5 )主要支撑构件腹板沿高度方向至少分为3 个单元。 对于钻台、救生艇平台、直升机甲板等结构，其结构强度不是进行平台主体结构强 度校核时所关心的，所以在整个平台的有限元模型中，可以不将上述结构的有限元模型 建出来，对于这些部位结构的钢料重量与重心位置，可以通过在结构对应部位用刚性连 接施加质量单元来模拟。本次建模，为了更精确的模拟整个平台的实际受力情况，上述 提到的一些结构，如钻台、救生艇平台、直升机甲板，按照其实际尺寸在整体平台模型 中建出他们的有限元模型。根据上述要求，建立平台整体有限元模型。整体模型如图2 2 所示，其中1 、3 、5 分别代表1 、3 、5 号立柱，箭头指向船艏方向，2 、4 、6 号立柱位 于左浮体，分别与l 、3 、5 号立柱位置相对应。 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 平台整体有限元模型 f i g2 2 g l o b a l f i n i t ee l e m e n t m o d e l o f t h e p l a t f o r m 223 平台主体结构有限元模型的调平 由于在建立平台有限元模型时，忽略了一些小的次要构件，这样有限元模型的重量 与重心位置和实际结构必然存在一定的误差，所以需要对平台整体结构模型进行重量与 重心位置的调节。采用的方法是通过修改平台模型不同部位钢料的密度使其重量与重心 位置和实际结构相符，具体调节过程见图2 3 。 模型在垂向分为浮体、立柱舷台与甲板三部分，再按总体坐标系的原点将甲板与浮 体分为4 块，即1 4 块分别为：甲板( 艏部左舷、艏部右舷、艉部左舷与艉部右舷) 、l 6 号立柱舷台、浮体( 艏部左舷、艏部右舷、艉部左舷与艉部右舷) 。有限元模型钢料 的重量为钢材、涂层及焊料三部分重量之和。 半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造方案 将整个平台有限 元模型分为1 4 块 根据重量控制报告统 计出平台各部分钢料 的重量与重心位置 图2 3 平台钢料重量调平流程图 f i g 2 3f l o w c h a r to fl e v e l i n gs t e e lm a t e r i a lw e i g h to f t h ep l a t f o r m 2 2 4 平台固定设备与可变载荷重量的模拟 对于平台的固定设备与可变载荷等，除了要考虑其重量外，还要考虑其重心位置以 及平台有加速度时所产生的惯性力，所以通过在整个平台的有限元模型中对应的位置施 加质量单元来实现对其重量和重心位置的模拟。 平台的固定设备可以分为两部分：一部分为机器设备，这部分设备在平台上的分布 位置较为明确，对于这部分设备，首先确定出其在有限元模型上的分布位置，然后通过 施加质量单元来模拟其重量分布与重心位置；另一部分重量为管系、船体舾装件等，这 部分设备在整个平台的分布位置非常分散，无法准确的找到其对应的位置，对于这部分 设备重量的处理方法是：首先将整个平台的模型分为1 4 块，与前面钢料重量处理时的 分块相同，然后统计出管系、舾装件等设备在这1 4 个部位的分布重量与重心位置，最 后根据统计结果将上述各部位设备的重量通过质量单元分散加到平台模型的对应部位， 并保证质量单元的重量与重心位置与统计值相符。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 5 三种工况下整个平台的有限元模型 三种工况下整个平台的重量可以分为两部分，即空船重量与可变载荷重量。其中空 船重量又分为三部分：船体钢料的重量、重量较大的机器设备重量和管系、船体舾装件 等具体分布位置不明确的固定设备的重量。 整个平台的船体钢料有限元模型建立并调平后，先在其上施加模拟大质量机器设备 重量的质量单元，然后施加模拟管系、船体舾装件等设备重量的质量单元，这样可以得 到空船的最终模型。 在得到的空船最终模型上，分别施加三种工况下可变载荷的质量单元，得到三种 工况下整个平台的最终模型。由于在施加质量单元时，尽可能保证了各项设备与可变 载荷重量与重心位置的准确性，所以将所有质量单元施加完毕后，可以不对各工况下 的模型再进行调平。 2 2 6 三种工况下平台粗网格模型的基本信息 平台整体有限元模型总节点数为1 9 0 0 4 0 个，壳单元总数为2 0 6 4 5 2 个，杆单元总数 为1 7 2 5 4 9 个。 表2 4 平台模型各种工况下的重量及重心位置 t a b 2 4w e i g h ta n dc e n t e ro fg r a v i t yp o s i t i o no ft h ep l a t f o r mm o d e lo nv a r i o u sc o n d i t i o n s 从表2 3 和表2 4 的对比可以看出， 和理论值十分接近，其误差可忽略不计， 2 2 7 板厚及梁的特性 平台在三种工况下的重量与重心位置的模型值 模型非常精确。 在平台强度校核的各个阶段，各板材与骨材的尺寸均取实际建造尺寸。在处理梁单 元时，不考虑与之相连的带板，即单元的截面积和惯性矩只考虑梁本身，惯性矩是对梁 本身的形心计算而得的，但是单元的节点不在梁的形心轴上，而是在腹板的趾部，这也 就是所谓的偏心梁单元。 2 2 8 结构的材料特性 该半潜式钻井平台除甲板上部分舱壁采用a 型钢外，其余部分结构均采用高强钢， 分别为a h 3 6 d h 3 6 e h 3 6 ，d h 4 0 ，e q 5 1 ，具体材料特性见表2 5 。 半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造方案 表2 5 钢材型号和材料特性 t a b 2 5m o d e la n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so fs t e e l 2 2 9 边界条件 为了避免结构模型发生刚体位移，必须在模型中施加一定的位移边界条件。根据实 际情况，位移边界条件可以弹性固定或刚性固定。通常在结构强度较大并远离结构强度 评估区域选取三个不共线的节点，每个节点施加如下的位移边界条件： 节点l ：限制x 、y 、z 三个方向的位移； 节点2 ：限制y 、z 两个方向的位移； 节点3 ：限制z 方向的位移。 如图2 3 所示，在平台的强度校核过程中，所采用的边界条件为： 节点1 ：平台主甲板艏部的中点，约束节点x 、y 、z 三个方向的位移： 节点2 ：平台主甲板艉部右舷端点，约束节点y 、z 两个方向的位移： 节点3 ：平台主甲板艉部左舷端点，约束节点z 方向的位移。 大连理工大学硕士学位澈 。 图2 , 3 平台位移边界条件示意图 f i g23s c h e m a t i cd i a g r a m o f t h e p l a t f o r m f o r d i s p l a c e m e n t b o 岫d a 口c o n d i t i o n s 23 平台设计载荷的分析与计算 在风浪作用下，船体始终处于运动状态。因此，对于船体运动与荷载计算是一个非 常复杂的动力问题。目前比较普遍的方法是把船体的动力问题转化为准静力问题来处 理，从而太大简化计算“”。具体方法是计算船体在某一瞬时的所有外力和运动状态，将 船体加速度转换为惯性力以平衡外载荷，将这一瞬时状态作为静力问题来计算。由于船 体的固有频率通常要远高于外激励( 如波浪等) 的频率，按准静力问题来计算船体总强 度具有工程上满意的精度，为工程界普遍接受“”。 231 平台载荷工况 半潜式平台在波浪中的载荷与平台的装载状态、波浪的波高、周期和相位、以及浪 向角都有密切的关系，而且在平台的使用过程中，这些因素有多种不同的组合状态。所 以，进行平台强度校核时，需要对平台的多个受力状态进行分析。本计算中平台作业状 态、生存状态和迁航状态下分别对如下特征波浪载荷工况的波浪载荷进行了计算，并应 用于结构强度有限元分析。参考a b s 规范的要求，半潜式平台的典型特征波浪载荷工 况通常包括： ( 1 ) 最大横向受力一水平受拉工况 本特征载荷工况主要分析平台水平方向的撑管在平台两浮体受水平方向分离力时 的结构强度和平台上甲板和立柱连接处的结构强度。此时波浪方向为横浪，波峰在平台 半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造方案 两浮体中间。 ( 2 ) 最大横向受力一水平受压工况 本特征载荷工况主要分析平台水平方向的撑管在平台两浮体受水平方向挤压力时 的结构强度和平台上甲板和立柱连接处的结构强度。此时波浪方向为横浪，波谷在平台 两浮体中间。 ( 3 ) 最大垂直加速上升工况 本特征载荷工况主要分析平台有升沉运动时的结构强度。平台处于波浪中将产生升 沉运动，此时平台向上有一定的加速度，从而甲板等结构受到与重力方向一致的惯性力 作用，使结构处于不利状态。 ( 4 ) 最大纵向弯曲工况 本特征载荷工况主要分析平台的总纵强度，对平台总体的抗弯能力和浮体和立柱抵 抗剪力的能力进行检查。平台迎浪时波峰或波谷在船中时受到波浪造成的弯矩最大。 ( 5 ) 最大甲板纵向加速工况 本特征载荷工况主要分析平台的甲板结构对纵向加速度引起的惯性力的抵抗能力。 平台迎浪时运动造成的纵向加速度最大，需对多个波浪频率和相位进行比较，得到甲板 纵向加速最大状态的波浪参数。 ( 6 ) 最大甲板横向加速工况 本特征载荷工况主要分析平台的甲板结构对横向加速度引起的惯性力的抵抗能力。 平台横浪时运动造成的横向加速度最大，需对多个波浪频率和相位进行比较，得到甲板 横向加速最大状态的波浪参数。 ( 7 ) 最大斜向扭转工况 本特征载荷工况主要校核平台的扭转强度。对浮体和立柱抵抗剪力的能力和平台总 体的抗扭转变形能力进行检查。需要对不同的波浪方向，周期和波浪相位进行计算，选 取总扭矩最大的情况进行校核。 ( 8 ) 最大纵向剪力工况 本特征载荷工况主要校核平台甲板结构和撑管对抗纵向剪力的强度。波浪平行平台 对角线方向入射时平台所受的纵向剪力最大。需要对不同的波浪周期和波浪相位进行计 算，选取总剪力最大的情况进行校核。 对于各典型载荷工况，需要采用三维水动力计算程序分别计算相应特征波浪载荷的 传递函数( 包括幅频响应和相频响应) ，从而确定特征波浪载荷最大时的设计波参数( 包 括设计波的周期、波幅、相位和浪向) 。 大连理工大学颐士学位论文 2 3 2 设计波浪载荷参数计算 波浪载荷是船体遭遇环境载荷的主要部分，对船体的总强度校核起决定的作用“。 在目前主要的半潜式平台规范( 如 b s 和d n v 规范) 中规定，在采用百年一遇的最大规 则波对半潜式平台进行波浪载荷计算与结构总强度评估时，可以忽略流载荷和风载荷的 贡献。由于波浪运动是一个随机过程，而通常结构物强度计算校核需要得到确定的结果， 所以需要采取一定的分析方法对波浪载荷进行处理。 谱分析法( 随机性方法) 通过系统特征波浪载荷响应短期统计预报的极值得到设计 规则波波高，考虑了波浪的随机性和不规则性，因而更加科学、合理”1 。根据波浪在不 同周期的分布数据和船体在不同周期、不同浪向的单位波高的波浪作用下的特征