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半潜式钻井平台疲劳有限元分析

发布于:2018-09-12 20:28
有限元分析

      随着海上石油开发由浅海逐渐向深水海域的发展,石油钻井平台的作业水深也由浅入深。就深海石油开发而言,深海半潜式钻井平台不仅是个主导品种,而且其技术水准和建造的工艺技术水平可称之为高技术的代表。
半潜式钻井平台是目前世界上最先进的第五代半潜式钻井平台,属高技术、高附加值产品,大连新船重工有限责任企业在激烈的国际市场竞争中,承接了四座BINGO900型钻井平台,并完成了四座平台一期工程的建造工作,对该半潜式钻井平台的设计建造技术进行了前期开发。
      为了开展半潜式钻井平台产业化工程,本研究对该平台管节点结构进行了疲劳有限元分析。首先,根据各大船级社规范中对海洋平台在波浪下的载荷计算的规定,采用三维格林函数法,BINGO9000半潜式钻井平台在工作状态下,不同浪向、不同波浪周期、不同波浪相位等条件组合下所受的波浪载荷进行计算。其次,采用空间板梁组合单元建立了该半潜式钻井平台整体三维有限元模型。结合北海波浪长期分布资料,计算了4个浪向、9个波浪平均周期共72种波浪载荷工况下的结构响应(在每个浪向和平均周期下,要计算最大应力值和最小应力值两种情况)。为进行管节点结构进一步二次应力分析提供了局部模型的边界条件。最后,建立了管节点结构局部有限元模型进行疲劳强度分析。在计算管节点结构应力范围时,本文采用了热点应力法,澎并根据DNV规范,S-N曲线,计算出各应力范围单独作用时管节点结构疲劳破坏的最大循环次数。
      在计算各应力范围可能出现的循环次数时,采用了谱分析方法,最后根据线性疲劳累积损伤准则计算出管节点结构的疲劳寿命。本文通过对BINGO9000半潜式钻井平台整体有限元强度计算和局部管节点结构疲劳强度分析,对该平台的结构形式,以及在各种海况下,整体结构和管节点结构的变形、应力分布、疲劳寿命等有了更为清楚的认识,为国内今后该类半潜式钻井平台的设计和建造提供了宝贵的技术依据。
     海洋结构物常用的波浪力计算方法主要有Morison方程法,切片法和三维格林函数法(边界元法)。Morison方程法是一种一维的经验公式法。计算简单,精度能满足一般工程需要,是常用的一种计算波浪力的方法。但是它的计算系数主要基于实验的方法,对于不同的结构形式需要仔细的分析和验证,否则结果不够准确。而且只能给出平台各部分总的波浪力,不能给出平台表面的波浪力分布,不适合本文中的平台整体有限元模型。切片法计算能够给出平台表面的波浪力分布,但是计算精度较低,只适用于细长体的计算,不适合半潜状态的平台的计算。三维格林函数法亦称边界元法、奇点分布法或源汇分布法。它的算法复杂,计算速度,但是计算精度高,而且在应用上相当灵活,对边界的适应性很强,能给出平台表面的波浪力分布。
      随着近年来计算机速度的不断提高,这一方法得到了进一步发展,开始得到实际的应用。基于线性化自由表面和物面条件,对于某一周期的波浪,可以通过在物体的表面上划分网格,在网格上分布满足自由表面条件的源、汇或偶极子,使用适当的格林函数及其导数,利用物面边界条件求得源强或偶强的分布函数,进而计算出这些奇点的总体在域内任一点引起的速度势。求得流场内的速度分布和水动压力,进而得到平台的水动力系数和入射波浪力,代入运动平衡方程得到平台的运动状态和所受的总外力。再将平台所受外力积分得到波浪弯矩、剪力和扭矩。BINGp9000半潜式钻井平台工作水深较深,故波浪力计算时使用无限水深无航速脉动源格林函数计算。


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