超深水半潜式平台典型节点强度分析

李境伟，窦培林，张兴刚

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引 言

海洋油气资源开发业务不断地向2 000 m以上的超深水复杂海域延伸，在超深水海域作业，尤其是难度极高的海底钻井工作，半潜式海洋钻井平台具有绝对的优势。超深水半潜式钻井平台需要具有长期作业的能力以及抵御50年一遇甚至上百年一遇的极端恶劣海况的能力。另外，超深水海域距离海岸较远，来回运输平台所需的时间比较长，并且多次组装拆卸对于钻井设备损耗极大，因此不能很方便地对半潜式钻井平台进行全方位的检修。设计人员在总体设计过程中，会标注一些相应的关键位置，这些地方需要定期或不定期地检查和维修。其实这种做法是有一定风险的，特别是在长期作业后期。一些无法定期检查或者不容易被注意到的位置，若是结构失效就会造成非常严重的后果。因此，对于平台结构的强度分析，不仅要对总体强度进行把握，还需要根据实践积累的经验对一些可能发生失稳的部位进行深入分析，以确保平台结构的安全性和可靠性。

1 目标平台关键节点强度分析流程

1.1 结构模型

超深水半潜式钻井平台，适用于3 000 m以上的超深水海域长期作业，总体结构庞大并且排布复杂，为使得计算结果更加真实可信，本文结构模型严格按照图纸进行建立，如图1所示。在浮筒上平面有4种板厚，分别为15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，多种厚度的板结构混合排布，致使网格数量巨大，最终本文结构模型网格划分采用网格尺寸0.67 m，共有节点数237 617，网格数490 391。模型节点数和网格数远远超过软件限制网格数，因此在Sesam软件中计算时，要对环境变量进行修改，设置一个新的系统环境变量扩展虚拟缓存数据量。通过本文实际应用，此方法可行。

图1 整体结构有限元模型Fig. 1 The overall structure finite element model

1.2 边界条件

半潜式钻井平台结构有限元计算时容易出现六自由度的刚性位移，为消除此因素的影响，选取3个节点进行刚体位移约束，节点选取在同一水平面内，该平面为下浮筒底面。节点1和节点2分别位于左右浮筒首尾的中纵舱壁中心线处，节点3位于左舷的下浮筒中间部位的中纵舱壁处。节点1约束x，y，z三个方向的位移约束，节点2约束y，z两个方向的位移约束，节点3约束z方向的位移约束。

图2 半潜式钻井平台边界条件Fig. 2 Boundary conditions of semi-submersible drilling platform

2 长期预报及设计波参数的确定

2.1 典型波浪载荷工况的选取

本文采用SESAM-HydroD软件进行半潜平台水动力性能分析及波浪载荷长期预报。通过长期预报设计波方法进行设计波参数选取。本文主要关注的是下浮筒与立柱连接处典型十字节点结构的安全性问题，因此主要选取下列4种典型波浪载荷工况。

1）纵向剪切

半潜平台结构所受的最大纵向剪切力是在波长为两浮筒间对角线长度的1.5倍，并且结构受到斜浪作用时，此时不仅是半潜平台水平横撑受到巨大的载荷作用，对于立柱与下浮筒关键连接节点也会产生非常严重的应力集中，如图3所示。另外，在产生巨大剪切力的同时，平台之间的水平分离力也会与之叠加，因此在结构设计中确定危险工况时应多浪向的进行考虑，特别是对于斜浪的关注。

图3 最大纵向剪切Fig. 3 Maximum longitudinal shear

2）纵向扭转

当半潜式钻井平台受到波长等于两浮体对角线长度的波浪时，平台结构会受到巨大的纵向扭转。平台立柱结构是上平台甲板和下浮筒的关键连接结构，当平台出现扭转时，由于惯性等因素的影响，立柱连接节点会受到巨大载荷出现明显的应力集中现象，因此在考虑典型载荷工况时要着重关注纵向扭转运动。

图4 最大横向扭矩Fig. 4 Maximum lateral torque

3）横向分离

对于四立柱、双浮筒型式的半潜式钻井平台，当结构受到横向波浪且波长为2倍浮筒间距时，即波峰位于平台结构中部，波谷位于两浮筒位置附近，如图5所示。在此波浪载荷作用下，平台横撑受到巨大拉力，同时造成立柱与下浮筒十字连接节点位置受到十分严重的剪切力，因此需要对半潜平台横向分离力深入分析。

4）垂向弯曲

当半潜平台受到波长等于或大于浮体长度且遭遇浪向为0°或180°时，此时的波峰或波谷位于中横剖面处，平台垂向弯曲最为严重，如图6所示。此时立柱与下浮筒连接关节节点处会受到巨大的拉压应力，长期的往复运动，会对半潜平台结构造成较为严重的疲劳损伤。

图5 最大横向受力Fig. 5 Maximum lateral force

图6 中横剖面最大垂向弯矩Fig. 6 The maximum vertical bending moment of the transverse section

本文在波浪载荷预报和结构强度分析中使用的是DNV船级社开发的SESAM软件。计算流程如图7所示。

图7 计算流程Fig. 7 Flowchart of calculation

2.2 长期预报

进行波浪载荷的长期预报，涉及到波浪统计资料即波浪散布图的选取、波浪谱的选取、概率水平、入射波浪向的选取。其中，波浪散布图选取近似中国南海海域真实情况的波浪散布图WS3。波浪谱选取Jonswap谱，有义波高13.8 m，跨零周期11.6 s，波谱参数中增强因子自存工况2.0，作业工况2.4，参数σA为0.07，σB为0.09，得到的波浪谱如图8所示。概率水平计算时选取10-2，10-4，10-6，10-8，10-10；入射波浪向选取0°～90°，步长15°，共7个浪向。根据上述条件分别进行计算并对比分析。

各工况下长期预报计算结果统计如图9～图12所示。

由图9～图12可以得到：

图8 Jonswap波浪谱Fig. 8 Jonswap wave spectrum

图9 横向分离力长期预报Fig. 9 Long-term prediction of lateral separation force

1）以对数函数表现形式下，不论是自存工况还是作业工况，其预报幅值均随着超越概率的减小逐渐增大，这与预报精度越高，计算值越准确的原理一致。

2）在各典型工况中，自存工况与作业工况计算结果的离散程度不同。自存工况时，计算结果较为离散，各曲线之间的间距较小近乎形成“一簇”的形式，而作业工况计算结果则不同。根据统计结果不难看出，每种典型工况下大致是分成两部分，在横向分离、垂向弯矩、纵向剪切3种工况下，30°，45°，60°，All inc与0°，15°，75°，90°分为2个部分，在纵向扭转工况中30°，60°，All Inc与0°，15°，45°，75°，90°形成2个部分。通过这样的分布结果，分析得到，30°和60°的计算结果应该是所有计算结果中占有重要比例，因为其计算结果与All Inc即平均结果始终在“一簇”，即差距非常小，在设计波参数的确定中，可以参考此规律。

3）在各典型工况中，半潜式钻井平台无论是在自存状态下还是在作业状态下，最大值所在浪向均一致，这说明对于四立柱双浮筒结构型式的半潜式钻井平台，压载状态不是决定长期预报值最大浪向的关键因素。

图10 垂向弯矩长期预报Fig. 10 Long-term prediction of vertical bending moment

图11 纵向剪切力长期预报Fig. 11 Long-term prediction of longitudinal shear force

图12 纵向扭转长期预报Fig. 12 Long-term prediction of longitudinal torsion

2.3 设计波参数确定

1）不同回复周期下的长期预报值

利用SESAM-Postresp软件，基于Wadam水动力计算结果，进一步对不同回复周期下各剖面的波浪载荷进行预报，浪向角0°～90°范围内以15°等间隔分布，根据DNV所开发的软件SESAM帮助文件中推荐，假定各浪向出现的概率分别为0.05，0.1，0.15，0.4，0.15，0.1，0.05，波浪的重现周期设置为1年、5年、10年、50年、100年。基于南海海况资料进行长期预报计算，将计算结果中的最大值记录在表1。

表1 各剖面不同重现期下的载荷长期预报值Tab. 1 Long-term forecast values of loads under different recurrence periods in each profile

从表1数据可以看出，各剖面载荷长期预报值与回复周期增长成正比关系，即随着重现周期的增加，剖面载荷预报值也增加。根据DNV规范可知，浮式海洋结构物设计时，疲劳寿命应为设计使用寿命的3倍，本文半潜式钻井平台设计使用寿命为25年，因此重现周期选择时，可选择100年进行计算，确定设计波参数。

2）确定设计波参数

根据DNV规范推荐，长期预报分析时超越概率一般选取10-8。采用长期预报设计波法确定设计波参数时，需要确定2个数值，一是在剖面载荷的长期预报值，另外一个数值是对应剖面载荷传递函数的最大响应值。因为设计波的波幅实际是这2个数值之间的比值，即设计波波幅等于某工况下长期预报值与该工况下最大响应幅值的比值。设计规则波的浪向、周期以及相位与响应幅值最大值所对应的参数相同。通过计算，将本文半潜式钻井平台各典型工况下的设计波参数统计在表2中。

表2 典型工况下的设计波参数Tab. 2 Design wave parameters under typical operating conditions

3 关键节点强度分析

利用有限元软件SESAM-Sestra进行半潜式钻井平台的强度计算，有限元分析模型结构庞大，细节复杂，板壳及舱壁结构采用板单元进行仿真模拟，对于梁结构采用beam单元进行模拟。所有结构的基本属性均按照实际设计要求进行设置，尽可能使计算结构模型近似真实。

3.1 不同浪向下波浪压力分布

根据长期预报法得到的设计波参数分析，在入射浪向为30°和60°，周期为7.6 s，7.8 s，8 s时，关键节点所处环境较为危险。因此本文通过进一步缩小范围进行波浪载荷搜索，分析结构受载情况。以自存工况下平台结构所受的波浪载荷分布图对重点浪向及波浪周期进行分析，得到对关键节点影响较为严重的波浪参数。

图13为水下结构在静水作用下的压力分布情况，从图中可以看出平台水下结构静水中受载均匀，并且载荷大小主要与结构所处水深有关，水深越深，结构受到的静水压力越大，这与物理学中的水深与压强的关系是一致的。

图13 静水压力（自存）Fig. 13 Hydrostatic pressure（self-existing）

图14为重点入射浪向及波浪周期下的波浪载荷分布图，其中各图命名组成分别为“浪向-周期”。通过6幅危险波浪载荷分布图可以看出，入射浪向为斜浪时，波浪载荷呈对角分布。呈对角线分布的立柱与下浮筒连接位置受到较大载荷影响，从压力分布情况反映出，本文设计波参数的选取可行。

图14 危险波浪条件下的波浪载荷分布图Fig. 14 Wave load distribution under dangerous wave conditions

3.2 关键节点应力分布分析

半潜式钻井平台在水中长期漂浮，从始至终静水压力会一直作用在半潜式结构上。图15为静水压力作用下的最大主应力分布图，可以看出，在静水压力作用下，平台结构最大主应力分布在下浮筒的横纵舱壁位置会发生突变，这种突变会对结构安全造成威胁，引发结构应力集中。

对平台结构立柱与下浮筒连接处的关键节点所受应力进行分析。首先选取2浪向、4周期组合成一系列波浪条件，如表3所示。选取连接位置的多个节点如图16所示，通过分析各波浪条件下的节点位移变化曲线如图17所示。分析数据可以看出，节点位移最大值出现在静水条件下。由此可知静水条件的作用不仅是最基础的作用力，而且在长期过程中，静水压力作用下的节点位移是结构发生变形的主要部分。因此，对静水条件下波浪作用的各应力分量进一步分析很有必要。利用SESAM后处理模块Xtract将节点应力分解为6部分，分别为x方向的膜应力（SIGMX）、y方向膜应力（SIGMY）、x方向的弯曲应力（SIGBX）、y方向弯曲应力（SIGBY）、xy方向的剪切膜应力（TAUMXY）、xy方向的剪切弯曲应力（TAUBXY），将各点的6个应力分量如图18所示。

图15 静水压力下最大主应力Fig. 15 Maximum principal stress under hydrostatic pressure

表3 危险波浪条件Tab. 3 Dangerous wave conditions

通过分析，图18中各应力分量无论是在自存工况还是在作业工况均在节点5和节点6处发生应力突变，因此在连接处的中部十字节点位置很有可能发生应力集中。各应力分量之间进行对比分析，变化幅度最大的是SIGMY曲线即Y方向的膜应力。另外将各分量与等效应力进行对比，从变化趋势及数值分析，SIGMY的绝对值与MVONMISES的数值较为接近，因此可以推测结构应力的主要影响因素是SIGMY分量，此结论对关键节点十字相交结构的焊接工艺分析提供指导。

图16 连接处的节点Fig. 16 Nodes at the junction

图17 各工况下的位移曲线（自存）Fig. 17 Displacement curve under various working conditions（self-existing）

图18 静水压力下的立柱与下浮体交接处的各分解应力分布Fig. 18 Decomposition stress distribution at the junction of upright column and floating body under hydrostatic pressure

综合膜应力和弯曲应力等因素的影响，将各节点的结构应力变化绘制成图19所示的结构应力曲线图。从整体上分析，无论是不同装载工况还是不同波浪条件，在节点5和节点6位置均出现了应力集中现象，即在立柱与下浮筒连接处的中纵舱壁位置的十字节点处。自存工况中，在各波浪条件下的计算结果之间对比，LLC00009波浪条件下的结构应力值最大，即浪向角为60°，周期为8 s时，对结构的影响最大。通过确定的设计波参数总结得到，纵向扭转运动对立柱和下浮筒连接的十字节点位置的影响最为严重。从图19（b）中发现作业工况下也存在类似的规律。

图19 结构应力曲线图Fig. 19 Structural stress curve

4 结 语

本文采用SESAM有限元软件系列模块，基于长期预报设计波法对超深水半潜式钻井平台进行长期预报，对各典型工况下的长期预报值进行分析，得到一系列危险的设计波参数。设计波参数中最危险工况为纵向扭转，且最危险的波浪参数为有义波高11.30 m、波幅为5.65 m、周期为8 s、入射浪向60°、相位171.122，同时通过设计波参数计算结果确定了对关键节点结构应力影响较大的2个浪向角即30°，60°和3个波浪周期即7.6 s，7.8 s，8.0 s。

在此基础上，对关键节点的结构强度进行分析，分别从不同浪向的静水压力分布和关键节点的应力分量2个角度进行分析。通过各工况下的位移量对比发现，静水工况对关键节点的位移作用最大；分析各应力分量之间以及等效应力的对比，得到应力分量的重要组成部分是y方向的膜应力；将立柱与下浮筒连接位置多个节点的等效应力值进行统计，发现在十字节点处的应力集中程度最大，并且推测此应力集中为实践中所暴露问题的重要原因之一。