可调立柱式新型半潜钻井平台强度分析.pdf

2 0 1 5年 1 1 月 第 4 4卷 第 1 1 期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g En g i n e e rin g D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 0 5 N O V ． 2 01 5 Vo1 ． 4 4 No ．1 l 可调 立柱式新型半潜钻 井平 台强度分析 张可可， 苏世杰， 梁 潇， 李秀娟 江苏科技大学机械工程学院， 江苏 镇江2 1 2 0 0 3 摘要 以可调立柱式新型半潜钻 井平台为分析对象， 首先根据设计波法确定平台风暴 自存环境波 浪参数 ， 并将这些参数换算成所需载荷 ； 然后用 A B A Q U S建立平 台三维有限元模型， 并对模型施 加上述载荷 ； 最后经过处理获得平台应力分析云图和位移云 图， 为可调立柱式新型半潜钻 井平 台 结构设计、 平 台优化 、 强度分析提供强有力的支持 。 关键 词 可调 立柱 ； 新型 半潜钻 井平 台； 结 构模 型 ； 应 力分布 ； 总体 强度 中图分类号 T E 9 5 1 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 5 1 1 0 0 2 0 0 4 随着 国家高技术研 究发展 计划 8 6 3计 划 “ 3 0 0 0 米水深半潜式钻井平 台关键技术研究” 的实 施以及中国南海海域的一系列油气资源 的陆续发 现 ， 深水半潜式平台已成为国内海洋工程领域的研 究热点。半潜式平台是一种可以移动 、 钻井深度可 达 3 0 0 0 m以上的平 台， 具有极强的抗风浪能力 、 优 良的运动性能等特点 ， 在深海能源开采中具有其他 形式平台无法 比拟的优势。由于平 台工作时一直 处于水面漂浮状态 ， 同时受到海上风浪等多种载荷 的作用 ， 无法保持稳定的状态。加之平 台需要适应 的环境 日益恶劣， 需要适应 的水深也不断增加， 所 以平台的结构和整体强度分析成为整个平 台设计 的关键。 近年来 ， 国内的众多学者对深海钻井设备的强 度进行了分析研究。刘志刚等⋯对 G ML i f t 半潜 式海洋平台受力最敏感 的立柱部位进行了局部强 度分析和校核 ， 并提出了立柱结构优化方案。冯 国 庆等 则运用直接计算 的方法得到海洋平台的屈 服强度 。梁园华 3 采用三维格林函数法对 B I N G O 9 0 0 0半潜式钻井平台进行 了7种波浪载荷下的整 体强度校核。但是 ， 上述分析研究仍然存在一定的 局限性 ， 如 对于现有半潜式钻井平 台的强度校核 主要是针对平台整体结构 ， 通过分析高应力区域的 主要分布位置 ， 来对其结构强度进行评估 ； 对现有 半潜式钻井平台的整体模型的建立和极限状态的 分析研究都过于简单化； 对半潜式海洋平台复杂的 节点结构 、 关键的横撑构件等结构的极限强度研究 不足 ； 在极端海况下如何对半潜式平台进行整体可 靠度计算和结构强度分析还有待进一步研究。 1 可调立柱式新型半潜钻井平台结构 可调立柱式半潜钻井平台下浮体上有露 出海 面的呈等边三角形状分布的 3个刚性立座 ， 刚性立 座上表面通过球铰铰接有液压缸 ， 液压缸的活塞杆 端部通过销轴与上平 台的下表面相连接。为 了在 可调式立柱 液压系统 失效 的情 况下保证平 台安 全 ， 新型半潜式海洋钻井平台在 3根可调立柱的基 础上增加了3根辅助立柱。正常情况下辅助立柱 上的液压缸活塞端 收缩在腔内， 不与甲板相连 ； 在 可调式立柱失效的情况下 ， 液压缸活塞端快速伸出 顶在上甲板的底部 ， 同时甲板底部的机械装置卡住 活塞卡槽并锁死 ， 保持甲板水平。该平台的几何参 数见表 1 ， 根据几何参数建立的三维建模结构示意 图如 图 1 所示 。 表 1 可调立柱式半潜钻井平台几何参数 m 部位 参数 部位 参数 总长 1 1 4 立柱高 1 1 总宽 8 O 立柱截面 1 61 6 总高 1 1 2 可调立柱直径 5 浮体长度 l l 4 立柱纵 、 横 向间距 3 61 4 浮体宽度 2 O 甲板长 8 O 浮体高度 8 甲板宽 6 8 两浮体间距 4 o 甲板 高 8 收稿 日期 2 0 1 51 02 6 作者 简介 张可可 1 9 9 4 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 江苏科技大学 本科生 ， 专业为机械电子。 20 2 0 1 5年第 1 1 期 张可可， 等 可调立柱式新型半潜钻井平台强度分析 可调立柱 液压系统 辅助 支撑 图 1 可调 立柱式半潜钻 井平 台三 维建模 效果图 2平台有限元建模及 强度 分析 2 ． 1建立总体结构模型 根据经验和 A B S规范 的要求 ， 在建立平 台 的总体结构模型时， 要求甲板、 外板等平板类构件 为壳单元 ； 横梁、 肋骨、 纵杆、 纵骨等平台骨架结构 需简化为空间梁单元 ； 对 于壳体加强骨架 中尺寸较 大的板， 要用板单元模拟 ； 横撑板 由于结构尺寸较 大采用壳单元 ； 在有 限元 网格划分过程 中， 对连接 部位如立柱与下浮体连接处、 立柱与液压缸连接处 以及液压缸与上甲板连接处 ， 要注意网格细化 ] 。 在采用 H y p e r m e s h软件对其进行网格划分前 ， 要先对几何模型进行简化 ， 忽略平台上对强度分析 无影响的细小倒角和销钉孔 ， 将液压缸看作一个整 体 ， 采用四面体 C 3 D 4单元以保证模型形状 的精确 度。整个模型共划分 2 3 4 2 5 5个单元和 5 6 2 5 6个 节点 ， 如图 2所示。模型所用材料为高强度钢 极 限应 力 6 9 0 M P a ， 需 设 置 材 料 属 性 ， 为 导 人 A B A Q U S软件进行强度分析做准备。 2 ． 2 计算波浪栽荷 可调立柱式新型半潜钻井平台在深海 中主要 受风 载 荷、 波 浪 载 荷 、 流 载 荷 等 多 种 外 载 荷 作 用 。 其 中波浪 载荷对平 台影 响最大 ， 对 平 台的 图2 可调立柱式半潜钻井平台有限元网格模型 总强度起着决定性作用。考虑到波浪 的随机性以 及平 台强度计算的准确性 ， 需要采取有效的方法对 波浪载荷进行分析处理。 设计波法是一种常用于半潜式钻井平台结构 强度校核的简化方法 ， 可以根据平 台的工作环境条 件 、 设计要求和实 际经验 ， 选择平 台可能遇到 的最 大波浪作为设计波 ， 规范通常规定使用百年一遇的 最大规则波作为设计波 ] 。危险波工况搜索各参 数见表 2 。 表2 危险工况波浪搜索范围 根据有关船级社规范 ， 在风暴 自存状态下对平 台进行静水载荷和最大环境载荷作用下的总强度 分析。根据美国船级社规范 A B S 给定的方法 ， 对 该危险工况进行设计波分析 ， 通过分析计算获得相 应的设计波参数 见表 3 。 表3 平台风暴 自存状态下的设计波参数 半潜式钻井平 台波浪力 的常用计算方法有切 片法 、 三维格林函数法 和 Mo fi s o n方程法 。切片法 计算精度低而且 只适 用于细长杆 的计 算 ； M o fi s o n 方程法是经验公式法， 计算简单， 精度低， 不适合用 于平台的整体有 限元分 析 ； 三维格林 函数法计 算精度高 ， 对边界的适应性很强 ， 能给出平 台表面 21 2 0 1 5年第 1 1 期 张可可， 等 可调立柱式新型半潜钻井平台强度分析 [ 2 ] 冯国庆 ， 任慧龙， 陈北燕， 等． 半潜式平台结构屈曲强度评估 [ J ] ． 船舶工程 ， 2 0 1 0， 3 2 2 6 77 2 ． [ 3 ] 梁园华 ， 郑 云龙 ， 刘刚 ， 等． B I N G O 9 0 0 0半潜式 钻井平 台结 构 强度分析[ J ] ． 中国海 洋平 台 ， 2 0 0 1 ， 1 6 5 ／ 6 2 1 2 6 ． [ 4] A B S ． A B S R u l e s f o r b u i l d i n g c l a s s i n g m o b i l e o ffs h o r e d ri l l i n g u n it s [ S ] ． H o u s t o n A me ri c a n B u rea u o f S h i p p i n g ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 王世圣 ， 谢彬 ， 谢文会． 深水半潜式钻井平台总体强度计算技 术研究[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 9 ， 3 8 5 l 一 4 ． 梁 园华 ． 海洋平 台结构 中 K型管 节点疲 劳强度分析 [ D] ． 大 连 大连理工大学 ， 2 0 0 2 ． 徐志亮． 半潜式海洋平台的结构剩余强度研究[ D ] ． 上海 上 海交通大学 ， 2 0 1 1 ． Th e s t r e ng t h a na l y s i s o n t he ne w s e mi s ub me r s i bl e d r i l l i n g p l a t f o r m wi t h a d j u s t a b l e c o l u mn Z H A N G K e k e ，S U S h i j i e ， L I A N G X i a o ， L I X i u j u a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， J i a n g s u Z h e n j i a n g ， 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a A b s t r a c t I t d e m o n s t r a t e s t h e g l o b a l s t r e n g t h a n al y s i s o n a n e w s e m i s u b m e r s i b l e d ri l l i n g p l a tf o r m w i t h a d j u s t a - b l e c o l u mn ．I t d e fi n e s t h e p a r a me t e r s o f t h e p l a t f o rm i n s u r v i v al c o n d i t i o n b a s e d o n d e s i g n w a v e me t h o d，a n d c o n v e r t s t h e s e p a r a me t e rs t o t h e l o a d r e q u i r e d a t t h e s a me t i me ．T h e n i t e s t a b l i s h e s t h r e ed i me n s i o n a l F EM mo d e l o f t h e p l a tf o r m i n A B A Q U S ， o b t a i n s t h e s t r e s s d i s t ri b u t i o n a n d t h e d i s p l a c e m e n t c o n t o u rs．The r e s u l t p r o v i d e s t h e s t r o n g s u p po r t t o d e s i gn an d p l a tf o r m o p t i mi z a t i o n． Ke y w o r d s a d j u s t a b l e c o l u mn ； n e w s e mi s u b me rsi b l e d ri l l i n g p l a tf o rm ；s t r u c t u r e m o d e l ；s t r e s s d i s t r i b u t i o n ； t h e o v e r a ll s t r e n gth 23