可调立柱式新型半潜钻井平台强度分析.pdf

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2015年11月机械设计与制造工程NOV．2015第44卷第11期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．44No．1lDOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．11．005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212003)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ABAQUS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：TE951文献标志码：A文章编号：2095—509X(2015)11—0020—04随着国家高技术研究发展计划(863计划)不足；在极端海况下如何对半潜式平台进行整体可“3000米水深半潜式钻井平台关键技术研究”的实靠度计算和结构强度分析还有待进一步研究。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1可调立柱式新型半潜钻井平台结构究热点。半潜式平台是一种可以移动、钻井深度可可调立柱式半潜钻井平台下浮体上有露出海达3000m以上的平台，具有极强的抗风浪能力、优面的呈等边三角形状分布的3个刚性立座，刚性立良的运动性能等特点，在深海能源开采中具有其他座上表面通过球铰铰接有液压缸，液压缸的活塞杆形式平台无法比拟的优势。由于平台工作时一直端部通过销轴与上平台的下表面相连接。为了在处于水面漂浮状态，同时受到海上风浪等多种载荷可调式立柱(液压系统)失效的情况下保证平台安的作用，无法保持稳定的状态。加之平台需要适应全，新型半潜式海洋钻井平台在3根可调立柱的基的环境日益恶劣，需要适应的水深也不断增加，所础上增加了3根辅助立柱。正常情况下辅助立柱以平台的结构和整体强度分析成为整个平台设计上的液压缸活塞端收缩在腔内，不与甲板相连；在的关键。可调式立柱失效的情况下，液压缸活塞端快速伸出近年来，国内的众多学者对深海钻井设备的强顶在上甲板的底部，同时甲板底部的机械装置卡住度进行了分析研究。刘志刚等⋯对GM—Lift半潜活塞卡槽并锁死，保持甲板水平。该平台的几何参式海洋平台受力最敏感的立柱部位进行了局部强数见表1，根据几何参数建立的三维建模结构示意度分析和校核，并提出了立柱结构优化方案。冯国图如图1所示。庆等则运用直接计算的方法得到海洋平台的屈表1可调立柱式半潜钻井平台几何参数m服强度。梁园华3采用三维格林函数法对BINGO部位参数部位参数9000半潜式钻井平台进行了7种波浪载荷下的整总长114立柱高11体强度校核。但是，上述分析研究仍然存在一定的总宽8O立柱截面16×16局限性，如：对于现有半潜式钻井平台的强度校核总高112可调立柱直径5主要是针对平台整体结构，通过分析高应力区域的浮体长度ll4立柱纵、横向间距36×14主要分布位置，来对其结构强度进行评估；对现有浮体宽度2O甲板长8O半潜式钻井平台的整体模型的建立和极限状态的浮体高度8甲板宽68分析研究都过于简单化；对半潜式海洋平台复杂的两浮体间距4o甲板高8节点结构、关键的横撑构件等结构的极限强度研究收稿日期：2015—10—26作者简介：张可可(1994一)，男，江苏徐州人，江苏科技大学本科生，专业为机械电子。·20· 2015年第11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辅助(液压系统)支撑图1可调立柱式半潜钻井平台三维建模效果图图2可调立柱式半潜钻井平台有限元网格模型2平台有限元建模及强度分析2．1建立总体结构模型总强度起着决定性作用。考虑到波浪的随机性以根据经验和ABS规范的要求，在建立平台及平台强度计算的准确性，需要采取有效的方法对的总体结构模型时，要求甲板、外板等平板类构件波浪载荷进行分析处理。为壳单元；横梁、肋骨、纵杆、纵骨等平台骨架结构设计波法是一种常用于半潜式钻井平台结构需简化为空间梁单元；对于壳体加强骨架中尺寸较强度校核的简化方法，可以根据平台的工作环境条大的板，要用板单元模拟；横撑板由于结构尺寸较件、设计要求和实际经验，选择平台可能遇到的最大采用壳单元；在有限元网格划分过程中，对连接大波浪作为设计波，规范通常规定使用百年一遇的部位如立柱与下浮体连接处、立柱与液压缸连接处最大规则波作为设计波]。危险波工况搜索各参以及液压缸与上甲板连接处，要注意网格细化]。数见表2。在采用Hypermesh软件对其进行网格划分前，表2危险工况波浪搜索范围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C3D4单元以保证模型形状的精确度。整个模型共划分234255个单元和56256个节点，如图2所示。模型所用材料为高强度钢(极限应力690MPa)，需设置材料属性，为导人ABAQUS软件进行强度分析做准备。根据有关船级社规范，在风暴自存状态下对平2．2计算波浪栽荷台进行静水载荷和最大环境载荷作用下的总强度可调立柱式新型半潜钻井平台在深海中主要分析。根据美国船级社规范(ABS)给定的方法，对受风载荷、波浪载荷、流载荷等多种外载荷作该危险工况进行设计波分析，通过分析计算获得相用。其中波浪载荷对平台影响最大，对平台的应的设计波参数(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方程法是经验公式法，计算简单，精度低，不适合用片法、三维格林函数法和Mofison方程法。切片法于平台的整体有限元分析；三维格林函数法计计算精度低而且只适用于细长杆的计算；Mofison算精度高，对边界的适应性很强，能给出平台表面·21· 2015年第11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[5]王世圣，谢彬，谢文会．深水半潜式钻井平台总体强度计算技[J]．船舶工程，2010，32(2)：67—72．术研究[J]．石油矿场机械，2009，38(5)：l一4．[3]梁园华，郑云龙，刘刚，等．BINGO9000半潜式钻井平台结构[6]梁园华．海洋平台结构中K型管节点疲劳强度分析[D]．大强度分析[J]．中国海洋平台，2001，16(5／6)：21—26．连：大连理工大学，2002．[4]ABS．ABSRulesforbuildingclassingmobileof—shoredrilling[7]徐志亮．半潜式海洋平台的结构剩余强度研究[D]．上海：上units[S]．Houston：AmericanBureauofShipping，2006．海交通大学，2011．Thestrengthanalysisonthenewsemi——submersibledrillingplatformwithadjustablecolumnZHANGKeke，SUShijie，LIANGXiao，LIXiujuan(SchoolofMechanicalEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，JiangsuZhenjiang，212003，China)Abstract：Itdemonstratestheglobalstrengthanalysisonanewsemi—submersibledrillingplatformwithadjusta-blecolumn．Itdefinestheparametersoftheplatforminsurvivalconditionbasedondesignwavemethod，andconvertstheseparameterstotheloadrequiredatthesametime．Thenitestablishesthree—dimensionalFEMmodeloftheplatforminABAQUS，obtainsthestressdistributionandthedisplacementcontours．Theresultpro—videsthestrongsupporttodesignandplatformoptimization．Keywords：adjustablecolumn；newsemi—submersibledrillingplatform；structuremodel；stressdistribution；theoveralstrength·23·