0 引　言

我国海洋油气开发经多年发展，已逐步从近海浅水区向远海深水区不断拓展，传统的导管架和重力式平台在技术和经济上并不适合深远海区域。国际上，深水油气田开发采用的平台类型主要包括半潜式平台、深吃水单柱式平台和张力腿平台等，各类平台均有其自身特点和使用范围^[1]。

干式开采由于具备钻井作业成本低、生产可靠、油气采收率高等优点而备受工业界的青睐。目前，世界上仅有深吃水单柱式平台和张力腿平台可采用干式开采；但这两型平台都有其自身缺点：深吃水单柱式平台安装成本高，张力腿平台筋腱成本高^[2-3]。因此，近年来，世界主要海洋浮式平台设计公司都在研发新型经济有效的干式开采浮式平台，如干树半潜平台、干树圆筒型平台等。对于我国远海深水区域，由于缺乏海底管道等基础设施，为了能将开采出来的油气输送到陆地，不仅需要穿梭油轮定期将油气从平台运输到陆地，还需要平台自身具备一定的储油功能^[4-6]。因此，为开采我国远海深水区域的油气资源，中海油研究总院提出了一种能实现干式开采和储油功能的新型干树半潜平台。

本文基于Ansys、Aqwa软件，采用设计波方法确定新型干树半潜平台波浪载荷，并进行结构整体强度分析研究。根据相关规范对平台整体强度校核，为新型干树半潜平台的结构安全提供一定支持与保障。

1 模型参数及环境条件

新型干树半潜平台包括甲板、浮体结构、系泊系统和立管系统4个部分（见图1）。甲板结构为桁架式甲板或箱型甲板，其浮体结构由半潜船体结构和伸缩结构组成，可视为在传统的深吃水环形浮箱半潜式平台基础上，通过伸缩立柱连接下部浮箱。伸缩立柱采用的是类似张力腿平台筋键的钢管结构，上下采用技术成熟的柔性连接头与支撑结构相连。下浮箱采用箱型结构，运输安装时提供一定浮力；在位作业时，下浮箱充满水，起到垂荡板作用。

1.1 主尺度参数

干树半潜平台的主尺度参数如表1所示。

1.2 有限元模型及边界条件

建立新型干树半潜平台有限元模型（见图2）和湿表面模型（见图3）。有限元结构模型采用三维板梁组合建模。主要承载结构如外壳、甲板和舱壁等采用8节点壳单元Shell281单元类型模拟，网格精度约为1.6～1.8 m，相当于传统4节点单元网格尺寸平均0.8～0.9 m。加强筋和桁材等次要承载构件采用2节点的梁单元Beam188单元进行模拟，并保证梁单元与板单元中间节点的合理连接。上部组块Topside部分的结构模拟联合使用Beam188单元和Pipe16单元，使用Mass21单元模拟除结构重量以外的可变载荷重量，使用MPC184单元与组块结构的结构进行有效连接。8根伸缩立柱以及与上下基座的连接同样采用Beam188单元。

根据相应规范，不必施加实际的边界条件约束，在平台主体节点区域的底部中心位置分别设置3个位移约束边界条件：节点1约束x、y、z这3个方向的平动自由度，节点2约束x、y这2个方向的平动自由度，节点3约束z方向的平动自由度。结构模型建立完毕后，通过Ansys-Asas模块映射载荷，无缝加载到整体有限元模型上，依据所建立的整体结构模型进行平台整体结构强度评估。

1.3 环境条件

干树半潜平台的环境水深为1500 m。采用随机性设计波方法进行搜索，由于该平台具有双对称性，所以计算浪向角从0°～90°，共计10个浪向角；计算的波浪周期为4～40 s，共计39个波浪周期。波浪载荷使用JONSWAP波浪谱进行分析，其波浪条件如表2所示。

2 水动力分析 2.1 水动力计算原理

根据相关规范^[7]，在进行自存工况下的强度校核时，应选用百年一遇的最大规则波计算，同时允许忽略风载荷和流载荷^[8]。针对一系列不规则海况，采用谱分析方法进行运动分析，确定3 h短期响应极值。新型干树半潜平台所在海况采用JONSWAP谱进行描述。通过响应幅算子和波能谱密度函数计算得到不规则波下控制载荷的响应谱，从而计算波浪载荷、平台运动的短期预报统计值，根据统计值得到响应最大值^[9]。各浪向下最大设计波波幅计算式如下^[10]：

$ {A_D} = ({{{R_{\max }}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{R_{\max }}} {RA{O_C}}}} \right. } {RA{O_C}}}) \cdot LF 。$

(1)

式中：A_D为波幅，m； ${R_{\max }}$ 为短期海况下波浪载荷响应的最大值；RAO_C为幅频响应极值；LF为随地理环境变化的载荷系数，取值范围为1.1～1.3。设计波的频率、浪向和相位角由RAO_C最大值决定。

2.2 关键载荷传递函数

平台整体水动力响应是评估平台整体结构强度重要基础^[9]。水平剪切力、横向剪切力、扭矩、弯矩、纵向加速度、横向加速度和垂向加速度等关键载荷响应传递函数，在0～90°浪向角的结果见图4～图10。

3 结构整体强度分析

根据标准^[6-9]，进行整体强度评估需考虑的特征量包括以下7项：水平剪切力、横向剪切力、扭矩、弯矩、纵向加速度、横向加速度和垂向加速度。通过对不同海况条件计算，由载荷响应谱得到设计波参数和作用在剖切面及重心处的最大载荷，如表3所示。考虑到平台主体部分与下浮箱垂向间距100 m，计算时应用Ansys的惯性释放功能，让2个刚体之间在有伸缩立柱一定转角约束的前提下存在相互位移，以更好模拟多体间的耦合关系。以工况1为例，模型整体最大位移如图11所示。

采用准静态法，使用Ansys进行总体强度分析，根据得到的应力结果校核结构屈服强度^[11]。新型干树半潜平台材料选用EH36刚，屈服强度为355 MPa。根据相关规范，对于组合工况的安全系数取1.1，则许用应力为322 MPa。组合工况1～工况7下的各关键结构区域的最大应力如表4所示。可知：工况1和工况7新型干树半潜平台的整体应力水平高于其他工况，分别为浪向角0°的水平剪力工况和浪向角90°的垂向加速度工况。平台整体应力水平均在许用应力以下，UC值小于1.0，结构强度满足相关标准要求。相同工况下，对比结构不同区域应力峰值，可知上浮箱立柱连接处、下浮箱顶部以及节点侧面区域应力水平明显高于其他区域，对以上区域应进行重点关注和疲劳校核。

4 结　语

本文针对新型干树半潜平台，采用随机性设计波方法，得到了干树半潜平台操作工况下的响应幅值算子。结合作业海域的海况资料，对干树半潜平台的剖面关键载荷进行了3 h短期预报，计算得到用于平台的整体强度计算设计波参数，对平台整体结构响应进行分析，主要结论如下：

1）采用随机性设计波方法确定的平台上船体主导载荷为水平剪力垂向加速度工况。

2）新型干树半潜平台整体强度和UC值满足相关规范要求。

3）上浮箱立柱连接处、下浮箱顶部以及节点侧面区域应力水平明显高于其他区域，可通过子模型计算对该区域进行细化分析，并对高应力区域进行监测和疲劳强度校核。