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平台安装扶正运动及有限元分析

发布于:2018-06-04 19:44
有限元分析

      随着人类开发海洋的步伐逐渐迈向深海海域,涌现出了很多新型的浮动式海洋平台,SPAR平台就是其中之一。SPAR平台属于顺应式平台(CompliantPlatform)的范畴,被很多石油企业视为下一代深水平台的发展方向。中船重工船舶设计研究中心参照中国南海水深条件和油藏条件提出了一种新型的四柱型Spar平台,该平台定位服务于中国南海区域的浮式生产平台,有钻修井、完井功能。平台主体结构硬舱选用对称的四圆柱形式,两层垂荡板,设置不对称结构的软舱,有中央井,11根生产立管,平台的主尺度见表。新型多立柱Spar平台在进行结构安装之前,需要经历一个扶正过程,即将其由水平状态变为竖直状态的过程。在Spar平台拖航至海上安装点后,按照一定的设计顺序向软舱中相应的压载舱注水,整个主体会在力矩作用下由水平自行扶正,需要合理设计加载有限元分析方案以保证扶正过程顺利进行。
      Spar平台扶正是一个结构大变位过程,在此过程中承受载荷与服役期完全不同,平台硬舱与析架的连接处会产生较大的总纵弯矩,并且平台上部的出水处附近也会产生较大剪力,需要在平台的结构分析过程中予以验证。此外,平台在扶正过程中可能会绕纵向轴线发生横摇转动,这也是安装扶正设计过程中需要特别注意的地方。本研究采用MosesApp进行扶正分析,建立多立柱平台的水动力分析模型,设计合理的扶正加载方案,并对扶正过程的关键截面进行强度计算,为工程实践提供参考。
      由于Spar平台扶正过程较为缓慢,可视为准静态过程,因此采用准静态分析法进行模拟计算:主要通过改变软舱中压载水的重量,求解压载改变后Spar整体的重量重心位置,通过迭代计算调整结构的浮态,求得新的平衡位置,将一系列平衡位置组合,模拟整个扶正的准静态运动历程。Spar平台的强度分析通过静力分析实现,根据扶正过程的典型倾斜工况,通过模拟平台的重量分布情况计算结构沿高度方向上的剪力及弯矩曲线,进行截面强度分析。Spar平台的重量重心位置对于平台安装扶正分析至关重要,由于软舱加载过程中重量重心存在不确定性,这种不确定性直接影响平台的稳性、以及纵摇和横摇运动,因此模拟时需要对平台的重量重心进行准确模拟。
      Spar平台由于其结构主要分成三部分,主要为平台提供压载的底部部分称为软舱,为平台提供浮力的上部部分称为硬舱,连接软舱和硬舱的中间结构部分称为析架段。定义Spar平台舱室的渗透率为0.95,水的密度为1.025t/m3。由于Spar平台硬舱舱室数目较多,故按照长度划分组合相应舱室,软舱舱审分布如图所示,装载量见表。根据Spar平台的CAD设计图纸建立平台的结构及舱室模型如图2所示。Spar平台初始浮态的调整通过改变硬舱、软舱(图为软舱舱室布置图)中的压载重量实现,通过分析可知,当平台的初始排水量达到一定重量时,扶正过程才能顺利实现。通过一系列不同初始浮态的扶正设计分析,确定平台扶正的初始排水量为51705.7t。定义平台局部坐标原点在平台硬舱顶部的中心处,X轴正向沿软舱不对称凸起方向,Z轴正向竖直向下,Y轴正向由右手定则确定,如图所示。重心的坐标为(0.5m,0,71.276m),平台顶部中心位于水下13.53m处,纵倾为0.980(顶部下沉),基本接近正浮状态,见图。Spar平台扶正加载过程分为4步:第一步:压载舱LC104,LC109,LC114,LC119同时加载直至满载;第二步:压载舱LC101,LC103,LC105,LC107,LC110,LC112,LC116,LC118同时加载直至满载;第三步:压载舱LC100,LC108,LC111,LC117同时加载直至满载;第四步:压载舱LC102,LC106,LC113,LC115同时加载直至满载。加载完成后,平衡状态下平台的纵倾已达89.520,已经满足Spar平台扶正的要求此时Spar平台排水量62167.6t,重心Z向坐标为84.61m,位于浮心之下3.02m处,已处于直立状态。在具体的安装过程中,吊装之前可以通过调整软舱中的压载物来调整吃水及重心价置,改善结构稳性。平台扶正过程的运动预测是通过迭代计算实现的,其运动变化并非连续,只有当迭代计算后的平台处于新的平衡状态下时,平台的运动发生改变,扶正。


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