2016, Vol. 38
2. 中海油研究总院, 北京 100028
2. China National Offshore Oil Corporation General Research Institute, Beijing 100028, China
随着南海深水油气田勘探开发的不断推进，近年来多个深水或超深水油气田陆续被发现，包括流花油田群（平均水深约300～400 m）和陵水气田群（平均水深约1 300～1 500 m）等。随着水深的增加，浮式平台成为了重要的油气田开发依托设施之一。张立腿平台（Tension Leg Platform，TLP）以其优良的运动性能以及可适应干树和湿树采油等优点[1]，成为了这2个油气田开发的重点方案。张力腿平台目前在世界主要石油产区海域均有应用，已建成24座，在役22座，集中在墨西哥湾（16座）。目前正在设计、建造的TLP平台还有10座。
TLP平台主要有传统型TLP、延伸式TLP（E-TLP）、Seastar TLP和MOSES TLP几种类型，其中传统型TLP应用最为广泛。传统型TLP主体结构包括上部组块、立柱和浮箱，并通过张立腿将平台系泊于海上。
目前，国内尚没有TLP平台工程应用，广泛的研究开始于2000年后，主要集中在其水动力特性（包括总体运动响应[2-4]、高频运动响应[5-6]、内波影响[7]）、张力腿性能[8]、顶张紧式立管[9]等方面的研究，对其结构性能的研究有限。2013年，“流花”油田前期开发项目首次将张力腿平台作为依托平台方案，又带动了国内对张力腿平台的研究热潮。为适应工程项目需要，研究领域也变得更加广泛，从侧重于水动力学研究，拓展到结构、安装、运输等多领域研究。在结构方面，例如采用设计波法开展传统型张力腿平台的整体总强度研究[10-11]，金苗[12]采用载荷抗力系数法对延伸式TLP进行了整体强度校核；对于局部结构，重点针对TLP关键连接节点，包括船体与上部组块、立柱与浮箱、立柱与张力腿以及上部组块与立管间的连接节点等研究；梁瑜[13]对TLP船体与上部组块的连接立柱开展了局部强度研究；邵景华等[14]对张力腿平台立柱与浮箱间连接节点开展了结构可靠度分析；余建星等[15]人采用基于累积损伤的疲劳寿命谱分析方法，对8个关键节点进行了疲劳可靠性分析。上述研究工作侧重于连接结构研究，对于非连接区域，例如立柱、浮箱、上部组块等，同样应予以重视。
本文将采用基于有限元的结构强度分析方法，针对横向框架有支柱和无支柱2种TLP浮箱框架型式开展结构强度研究。
1 基于有限元的浮箱框架强度分析方法 1.1 分析对象本研究以传统型TLP平台浮箱结构为分析对象。TLP的浮箱结构为加筋板壳结构，主要结构包括水密舱壁及其纵骨、外板及其纵骨、支撑舱壁的纵向框架、舱壁与外板间的水平连接肘板以及支撑外板和纵向框架的横向框架。其中，根据浮箱尺寸和荷载大小的不同，横向框架可采用有支柱和无支柱2种型式。
从功能上，浮箱被其中部的水密舱壁分隔成2个舱室，作为可变压载舱，浮箱舱段结构设计要承受内部的静水压力和外部的静压力和动压力载荷，结构设计时应充分考虑包括完整与破损状态，测试、运输、安装、作业、生存和极限等全生命周期要求以及各种环境组合等各种可能的载荷工况，并针对最恶劣的工况组合进行强度和屈曲校核。
1.2 分析流程与方法浮箱框架结构强度有限元分析重点在于水密舱壁及其纵骨、水密舱壁与外板间连接肘板、支撑水密舱壁的纵向框架以及支撑外板及纵向框架的横向框架。基于有限元的浮箱框架强度分析可采用以下流程和方法：
1）建立舱段有限元模型
采用成熟的有限元软件开展结构建模，如Ansys、DNV GENI等。结构模型以水密舱壁为中心，包含两侧各延伸至5～6个框架距离内的结构，所有结构皆采用板单元模拟。
2）设置边界条件
浮箱框架结构强度分析一般仅针对水密舱壁两侧3个横向框架距离以内的结构单元进行强度校核。为了不影响有限元分析结果，约束边界设置在距水密舱壁有一定距离（例如5～6个框架外）的舱室端部，并约束节点的水平位移。
3）确定载荷及工况组合
设计载荷主要包括浮箱内外的静水压力和由环境力引起的动压力，一般静水压力可以用水压头来表示；对于动压力，同样可用等量的水压头形式来表示。对于工况组合，一般要考虑以下几方面：
①环境工况组合，即一年一遇、百年一遇、千年一遇等；
②完整与破损；
③装载情况，包括单舱装载、双舱装载等；
④平台全生命周期的各个阶段，包括打压测试、运输、安装、在位以及弃置等。
在考虑以上各种工况下的载荷情况后，结合不同工况对许用应力要求的不同，针对可能的最危险载荷工况组合开展有限元分析。
4）有限元分析及校核。
分别对结构的Von-Mises应力、轴向力和剪切应力进行校核。根据规范[16-17]，对于一年一遇完整工况，Von-Mises应力、轴向力和剪切应力的许用应力分别为屈服应力的70%，60%和40%；而对于百年一遇、一年一遇破损和打压测试工况，Von-Mises应力、剪切应力和轴向力的许用应力分别为屈服应力的90%，80%和53%。
2 案例分析 2.1 无支柱浮箱框架强度有限元分析本节所研究的张立腿平台是传统型式TLP，作业海区为墨西哥湾，设计作业水深1 350 m，设计排水量约60 200 t，吃水27.4 m。其浮箱为近似矩形截面结构，高10.36 m，宽10.36 m。
采用DNV Geni模块进行有限元建模，全部结构采用板单元。模型包括水密舱壁及其纵骨、浮箱外板及其纵骨、支撑舱壁的4个纵向框架、舱壁与外板的连接肘板以及支撑外板和纵向框架的横向框架。横向框架中部无支柱支撑，有限元模型如图 1所示。坐标原点位于整个模型的对称中心，即水密舱壁与底板相交线的中点，X轴方向与水密舱壁呈正交，Y轴延水密舱壁指向舷外侧，Z轴指向顶板。整个舱段被水密舱壁分隔成两半，分别定义为舱（X +）和舱（X -）。
|
图 1 浮箱舱段有限元模型 Fig. 1 Pontoon structures FEM model and boundary setting |
为避免约束边界对计算结果的影响，舱壁两侧各取6个横向框架的距离，但仅校核靠近水密舱壁的3个横向框架以内的结构，横向框架间距1.905 m。在舱段两侧分别进行边界约束，约束节点三方向的水平位移，即Ux=0，Uy=0，Uz=0，如图 1所示。
在考虑了各种可能载荷工况后，对3种危险工况进行有限元分析，包括过载打压测试工况、一年一遇操作/完整工况和一年一遇破损工况。全部结构的屈服应力皆为345 MPa，各工况的载荷和许用应力如表 1所示，其中LC1-1和LC1-3的载荷施加如图 2和图 3所示。
|
表 1 各工况的载荷（水压头）和许用应力 Tab.1 Load cases (pressure head, m) and allowable stresses (MPa) |
|
图 2 十年一遇作业工况（LC1-1）载荷设置 Fig. 2 Load case LC1-1 setting |
|
图 3 打压测试（舱X +）（LC1-3）工况载荷设置 Fig. 3 Load case LC1-3 setting |
采用DNV Sestra模块进行结构计算，得到各工况下的浮箱结构Von-Mises应力如表 2所示，工况1-4中主要结构的Von-Mises应力云图如图 4～图 7所示（云图坐标系基于英制单位kips，1 kips=6.9 Mpa）。水密舱壁和纵向框架的轴向应力和剪切应力如表 3所示，其中，σx，σy和σz表示三向轴向力，τ表示剪切力。由表 2和表 3可见，浮箱框架结构强度满足许用应力要求。表 3中标注了工况1-工况4（舱X-打压测试）为主控工况，即相比其他工况，该工况下水密舱壁和纵向框架所承受轴向力和剪切应力最大，在设计时，应以该工况作为结构设计荷载工况。
|
|
表 2 浮箱框架结构Von-Mises应力（MPa） Tab.2 Maximum Von Mises stresses on all structural components (MPa) |
|
图 4 舱壁Von-Mises应力云图 Fig. 4 Von-Mises stress plot of the bulkhead |
|
图 5 纵向框架Von-Mises应力云图 Fig. 5 Von-Mises stress plot of longitudinal frames |
|
图 6 横向框架Von-Mises应力云图 Fig. 6 Von-Mises stress plot of transverse frames |
|
图 7 外板Von-Mises应力云图 Fig. 7 Von-Mises stress plot of outer shell |
|
|
表 3 水密舱壁和纵向框架轴向应力和剪切应力（MPa） Tab.3 Maximum component stresses on the bulkhead and longitudinal frames (MPa) |
本节所研究的张立腿平台同样为传统型式TLP，设计作业水深1 500 m，作业海域为中国南海，设计排水量约73 000 t，吃水30 m。其中，其浮箱为近似矩形截面的结构，高9.5 m，宽12.35 m。
仍采用DNV Geni模块进行有限元建模，主要结构与2.1节相同，舱壁两侧各取5个横向框架的距离，其中仅校核靠近水密舱壁的3个横向框架，横向框架间距1.95 m。水密舱壁由6个纵向框架支撑。为显示方便，去除外板的浮箱舱段如图 8所示。横向框架采用了有支柱的形式。
|
图 8 浮箱舱段有限元模型（除外板） Fig. 8 Pontoon structures FEM model (except outer shell) |
同样，在舱段两侧进行边界约束，约束节点三方向的水平位移，即Ux=0，Uy=0，Uz=0，如图 9所示。坐标系定义与2.1节相同。
|
图 9 约束边界 Fig. 9 Boundary condition |
在考虑了各种可能载荷工况后，对3种危险工况进行有限元分析，包括过载打压测试工况、一年一遇作业工况和一年一遇破损工况。全部结构的屈服应力皆为345 MPa，各工况的载荷和许用应力如表 4所示。
|
|
表 4 各工况的载荷（水压头）和许用应力 Tab.4 Load cases (pressure head, m) and allowable stresses (MPa) |
采用DNV Sestra模块进行结构计算，得到各工况浮箱结构Von-Mises应力如表 5所示，LC2-2下主要结构的Von-Mises应力云图如图 10～图 13所示。水密舱壁和纵向框架的轴向应力和剪切应力如表 6所示。对于水密舱壁和纵向框架所承受轴向力和剪切应力，LC2-3（舱X-打压测试）为主控工况。由表 5和表 6可见，浮箱框架结构强度满足许用应力要求。由图 6和图 12横向框架Von-Mises应力云图可见，不论是有支柱还是无支柱型式，最大应力发生在框架4个角隅处，而对于2.2节中所研究的TLP，由于其浮箱宽度更大，需要在横向框架间采用支柱结构以减少结构跨距，降低框架角隅处的应力。支柱的设置对于改善局部应力是有帮助的，但应特别关注支柱结构的在压应力作用下的屈曲问题。
|
|
表 5 浮箱框架结构Von-Mises应力（Mpa） Tab.5 Maximum Von Mises stresses on all structural components (Mpa) |
|
图 10 舱壁Von-Mises应力云图 Fig. 10 Von-Mises stress plot of the bulkhead |
|
图 11 纵向框架Von-Mises应力云图 Fig. 11 Von-Mises stress plot of longitudinal frames |
|
图 12 横向框架Von-Mises应力云图 Fig. 12 Von-Mises stress plot of transverse frames |
|
图 13 外板Von-Mises应力云图 Fig. 13 Von-Mises stress plot of outer shell |
|
|
表 6 水密舱壁和纵向框架轴向应力和剪切应力（MPa） Tab.6 Maximum component stresses on the bulkhead and longitudinal frames (MPa) |
浮箱是张力腿平台主体结构的重要组成部分之一。本文针对2个TLP工程设计中浮箱框架校核，介绍了浮箱框架的典型结构形式以及基于有限元的浮箱框架结构强度分析方法。通过对比2种不同型式的浮箱设计（即横向框架有支柱和无支柱），对不同设计型式带来的结构应力变化进行了初步讨论。
| [1] | LIM F. Dry or wet trees in deepwater developments from a riser system perspective[C]//Proceedings of the 3rd international deep-ocean technology symposium. Beijing:International Society of Offshore and Polar Engineers, 2009. |
| [2] |
董艳秋. 波、流联合作用下海洋平台张力腿的涡激非线性振动[J]. 海洋学报 , 1994, 16 (3) :121–129.
DONG Yan-qiu. Vortex induced nonlinear vibration of Tension leg platform in wave and current loads[J]. Acta Oceanologica Sinica , 1994, 16 (3) :121–129. |
| [3] |
余建星, 张中华, 于皓. 张力腿平台总体响应分析方法研究[J]. 海洋通报 , 2008, 27 (2) :97–102.
YU Jian-xing, ZHANG Zhong-hua, YU Hao. Research on TLP global response analysis method[J]. Marine Science Bulletin , 2008, 27 (2) :97–102. |
| [4] |
刘为民, 谷家扬, 卢燕祥. 规则波下张力腿平台时域响应分析[J]. 舰船科学技术 , 2014, 36 (8) :27–32.
LIU Wei-min, GU Jia-yang, LU Yan-xiang. Research on time-domain dynamic response of tension leg platform in regular waves[J]. Ship Science and Technology , 2014, 36 (8) :27–32. |
| [5] |
潘阳, 杨树耕, 刘毅, 等. 张力腿平台二阶波浪力作用下运动响应分析[J]. 船海工程 , 2013, 42 (2) :103–106.
PAN Yang, YANG Shu-geng, LIU Yi, et al. Analysis of the response of a TLG to the second-order wave loads[J]. Ship & Ocean Engineering , 2013, 42 (2) :103–106. |
| [6] |
周斌珍.开敞水域完全非线性数值波浪模型的建立及在平台Ringing现象中的应用[D].大连:大连理工大学, 2013.
ZHOU Bin-zhen. Fully nonlinear numerical wave model in open water and its application in Ringing phenomenon of platform[D]. Dalian:Dalian University of Technology, 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10141-1013197465.htm |
| [7] |
尤云祥, 李巍, 时忠民, 等. 海洋内孤立波中张力腿平台的水动力特性[J]. 上海交通大学学报 , 2010, 44 (1) :56–61.
YOU Yun-xiang, LI Wei, SHI Zhong-min, et al. Hydrodynamic characteristics of tension leg platforms in ocean internal solitary waves[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University , 2010, 44 (1) :56–61. |
| [8] |
宋林峰, 孙丽萍, 赵君龙, 等. 张力腿平台系泊系统敏感性分析[J]. 中国造船 , 2012, 53 (4) :109–117.
SONG Lin-feng, SUN Li-ping, ZHAO Jun-long, et al. A sensitive analysis of mooring system of tension leg platform[J]. Shipbuilding of China , 2012, 53 (4) :109–117. |
| [9] |
石云, 曹静, 沙勇, 等. 张力腿平台顶张紧式立管强度分析[J]. 船舶工程 , 2014, 36 (5) :114–117.
SHI Yun, CAO Jing, SHA Yong, et al. Strength analysis of top tensioned riser[J]. Ship Engineering , 2014, 36 (5) :114–117. |
| [10] |
李辉.张力腿平台水动力响应与总体强度研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2011.
LI Hui. Tension leg platform hydrodynamic response and global strength research[D]. Harbin:Harbin Engineering University, 2011. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10217-1012518588.htm |
| [11] |
李阳, 时忠民, 谢彬, 等. 典型张力腿平台整体结构强度分析方法研究[J]. 海洋工程装备与技术 , 2014, 1 (1) :3–13.
LI Yang, SHI Zhong-min, XIE Bin, et al. Global structural strength analysis methodology of a typical TLP[J]. Ocean Engineering Equipment and Technology , 2014, 1 (1) :3–13. |
| [12] |
金苗.延伸式张力腿平台结构总体概念设计及强度分析[D].大连:大连理工大学, 2008.
JIN Miao. The overall structural conceptual design and strength analysis of extended tension leg platform[D]. Dalian:Dalian University of Technology, 2008. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10141-2008069714.htm |
| [13] |
梁瑜. 张力腿平台POST结构强度分析[J]. 船海工程 , 2016, 45 (1) :133–136.
LIANG Yu. Study on POST structure strength analysis of tension leg platform[J]. Ship & Ocean Engineering , 2016, 45 (1) :133–136. |
| [14] |
邵景华, 何勇, 胡狄, 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, 30 (1) :25–32.
SHAO Jing-hua, HE Yong, HU Di, et al. Reliability analysis method for local components of tension leg platform[J]. The Ocean Engineering , 2012, 30 (1) :25–32. |
| [15] |
余建星, 刘杰, 余杨, 等.基于累积损伤的张力腿平台疲劳及时变可靠性评估[JEB/OL].天津大学学报(自然科学与工程技术版), http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20160429.1030.006.html.
YU Jian-xing, LIU Jie, YU Yang, et al. Fatigue reliability and time-dependent reliability assessment on TLP based on cumulative damage theory[JEB/OL]. Journal of Tianjin university (science and technology), http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20160429.1030.006.html. |
| [16] | American Petroleum Institute. API RP-2T. Recommended practice for planning, designing and constructing tension leg platform[S]. Washington, DC:American Petroleum Institute, 2010. |
| [17] | American Petroleum Institute. API RP 2FPS. Planning, designing, and constructing floating production system[S]. Washington, DC:American Petroleum Institute, 2011. |