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张力腿平台结构总体有限元分析

发布于:2020-02-11 18:37
有限元分析

       深水平台技术已经成为石油工业发展的必然趋势。张力腿平台作为深水平台的主要型式之一已经得到广泛应用,并在深水油气田开发中发挥着重要的作用。张力腿平台主要有以下优点:第一,平台运动很小。几乎没有竖向移动和转动。整个结构很平稳。平台由张力腿固定于海底。第二,可以使用“干式采油树”使油井的操作变得简单。由于平台的升沉很小,可以从平台上直接钻井和直接在采油导管上作业。第三,降低了采油操作费用。平台不需其它钻井船的协助来钻井和直接在采油导管上操作,费用可以降低。第四,可以支持顶部张力式立管和钢质悬链式立管(SCR)。因此,从很小的边际油田到大型油田,水深也可从几百米到一千五百米左右,张力腿平台均可得到应用。目前张力腿平台主要有以下几种结构型式:传统式(ConventionalTLP),海之星(SeastarTL.P)MOSES(MOSESTLP),伸张式(ETI-P),其中后三种型式相对于传统式可统称为新型TLP。
       本文有限元分析研究传统式张力腿平台,该种平台结构由四个立柱和四个连接的浮筒组成。立柱的水切面较大,自由浮动时的稳定性较好,并通过张力腿固定于海底。平台所在位置水深100m,具有8口干式立管井,以TTR形式连接其中一期只有6口预装,生产的油气通过平台西侧的1根SCR输出到FPS。平台由船体部分、上部组块和张力腿组成,船体吃水为22m。其中船体部分包括四根直径为11m的立柱,立柱之间通过浮筒连接,在每个立柱角上置有2只张力腿夹紧器,张力腿由此通向海底,与海底刚性连接。其总体布置如图所示。张力腿平台总体强度分析中采用的是整体模型,包括甲板部分和船体部分,分别对一年一遇操作工况及百年一遇极端工况进行了分析。总体强度分析是验证TLP整体结构满足强度要求。船体结构钢的最小屈服强度为355MPa。一年一遇操作工况的许用应力系数为0.6,许用应力为213MPa;百年一遇极端工况的许用应力系数为0.8,许用应力为284MPaa总体强度分析的主要目标是得到主结构(包括内壳、外壳、平板、立柱、立柱舱壁及浮筒舱壁等处)的名义应力;并根据荷载工况的结构许用应力值,来评估船体结构设计的正确性。本分析所采用的软件的前处理模块Patran-Pre及分析模块Sestra,并使用后处理模块Xtract查看求解结果。
       采用Patran-Pre作为前处理器进行总体有限元模型的建立。本模型中所有的板及壳采用板单元;大梁的腹板采用板单元,面板采用梁单元;球扁钢采用梁单元模拟;张力腿模拟为弹簧单元;上部组块所有设备采用质量单元模拟。该总体模型共包括单元148609个,节点108341个。总体模型建立完毕后,根据最新重控报告对模型进行了质量标定,使模型中的质量分布及重心位置与重控报告基本一致,其中重心偏差控制在0.5m以内。有限元分析中,采用如下单位:长度mm;密度;质量;力总体有限元模型如图所示。
       总体强度分析采用设计波分析方法。设计波分析方法是从统计意义上在随机波浪系列中选用某一特征波(如有效波或最大波难为单一的规则波近似分析随机波浪对海工结构物的作用。本分析研究在一系列的波浪条件下,在位工况张力腿平台的总体结构性能。每个设计波浪包括波浪周期,波高,并以巧。为一个增量,分别对下述工况进行分析:①操作工况(一年一遇)最大甲板侧向加速度及最大船体挤涯;②极端工况(百年一遇)最大甲板侧向加速度及最大船体挤涯。通过分析从多个波浪中得到对应工况下的设计波浪。表给出了一年一遇及百年一遇工况下的设计波。总体强度分析的基本荷载有:①重力将质量分布到整个平台模型可以得到重力,指定1.0g的重力加速度将质量转换成重力荷载。本分析中,重力包括船体部分、上部组块部分及可变压载的重量。②静水压力TLP船体浮力以线性变化的压力形式作用到水面以下立柱及浮筒的外壳上。③立管拉力及钻井荷载根据最新重控报告,将SCR.TTR,UMBILICAL的拉力及钻井荷载施加到模型上。④自由水平面荷载自由水平面荷载取设计波中最大波高波峰经过立柱中心时对立柱产生的水压力。⑤水动力荷载使用Sesam软件中的分析模块HydroD进行计算可以得到水动力荷载。

 
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