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深水钻井船结构强度有限元分析

发布于:2019-12-22 22:14
有限元分析

       深水钻并船是目前国际先进的海洋石油勘探、钻并装置,适合在世界不同海域、不同海洋环境条件下连续勘探钻并作业。钻并船具有移动性好、航速高、调遣快速、水线面面积大,可变载荷大,船上重量变化对吃水影响较小、海上自存能力强、工作水深大等优点,但传统的钻井船通常存在受风浪影响大、运动敏感,稳性稍差,适合在环境条件相对温和的海域进行钻并作业的缺点。
       自上世纪五十年代世界上首艘钻并船问世以来,经过半个多世纪的发展,已形成了一定的产业规模。目前世界上在建、改装和作业的钻并船共有151艘,其中在建69艘,多属于新一代钻并船。新一代钻并船的最大工作水深超过3000m,最大钻探深度超过10000m,均配备DP3级动力定位系统。在海况适应性方面,虽然钻并船较半潜式钻并平台差,但经过多年的发展,目前的钻并船也已经能够适应比较恶劣的海况。未来钻并船在作业水深、钻探深度、有效载荷、适应性等方面还有进一步改进的空间。2010年,中远船务承接了世界上在建最大的深水钻并船“大连开拓者号”的设计建造。“大连开拓者号”深水钻并船上部模块主要包括钻并模块、泥浆处理模块、立管存放模块、动力模块、生活模块等。文章将以立管存放模块为例,着重阐述该类模块结构强度有限元分析方法,为深水钻并船上部模块的设计提供理论依据。
       立管存放模块是“大连开拓者号”深水钻并船模块之一,位于公用模块和动力模块之间。该模块长50m、宽29m、高9.25m,分为四层,各层距离基线的高度分别为31.2m, 35.1m, 39.1m, 45.515m,为析架结构,由布置在主甲板上的24个底座支撑。模块的主要承重结构为工字梁,斜撑为管材结构。
       文章以深水钻井船立管存放模块为研究对象,对正常作业、海上拖航、风暴自存工况下的模块的主要结构强度进行了计算分析,载荷的组合工况的确定主要依据DNV海工标准,采用AISC(美国钢结构协会)许用应力设计法,完成模块结构强度的规范校核工作。在对立管存放模块进行强度分析中,需要考虑如下载荷的作用:结构自重、甲板可变载荷、风载荷、冰载荷、由中拱中垂引起的船体变形、由船舶运动引起的惯性力以及其他受力等。下面将对各基本载荷进行逐一说明。1)结构自重。为了使模型重量与模块的实际重量保持一致,并保证载荷传递的准确性,在建模过程中,次要构件和板材也将在计算模型中加以考虑,结构自重通过GeniEApp直接加载,并注意调整模型重量重心以确保与重量控制报告数据相一致。2)设备重量。设备重量包括机械设备重量、管系重量、电气重量、仪表重量、立管重量、其他杂项重量等,加载过程中按照布置图中规定的位置放置设备和立管,设备的重量重心按照设备供应商提供的数据予以加载。3)甲板可变载荷。甲板可变载荷并不是永久作用在模块结构上,出于结构的安全考虑,需要加以引入。所有的可变载荷将以设备的形式在计算模型中存在,以便可以考虑由钻并船运动而引起的惯性力作用。甲板可变载荷的组成成分很多,他们并不是同时作用在结构上,因此加载时需要引入必要的折减系数。4)冰载荷。根据设计任务书的要求,取值为0.09kN/m2。为了考虑钻并船运动所引起的惯性力的影响作用,对模型加载过程中,冰载荷将以设备的形式加以考虑。5)风载荷。以海平面上方10m处的每小时平均风速为基准计算不同高度上的模块结构所受的风压,计算中需考虑到作业工况、自存工况、拖航工况下的风压变化。加载时,根据投影面积的大小,将风压对结构的作用合力以线载荷的方式均布到各层的支撑结构上。6)惯性力。根据船舶不同工况下的整体的运动分析结果,得到设计位置的运动加速度,进而得到作用在模块结构上的惯性力。7)甲板变形。由于立管存放模块的分析与主船体的强度分析分开进行,因此在对模块结构强度分析时需要对由总纵弯矩作用引起的船体变形量加以考虑。


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