深水桁架式Spar平臺總體結構強度評估

廖景勝，周道成，歐進萍

(1.大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024;2.大連理工大學深海工程研究中心，遼寧大連116024;3.智性科技南通有限公司，江蘇南通226010)

盡管Spar平臺結構在實際工程中已得到應用，但其設計理論一直在不斷發展完善中，也沒有形成行業指導規范，因此其設計理論，尤其是強度設計評估方面，依然是Spar平臺結構研究的重要內容。Wang、Luo等較早地對Spar平臺基于時域分析方法進行了總體強度分析［1-2］;HU等人對扶正過程的Spar平臺進行了強度分析［3］;王世圣等考慮波頻載荷和低頻載荷的影響分析了Spar平臺的總強度［4］。上述工作雖然都進行了強度計算和評估，但在Spar平臺結構模型上，對桁架連接部位沒有進行局部細化，對平臺結構運動響應有著顯著影響的立管系統也沒有考慮［5-6］。楊川等通過計算Truss Spar平臺上參考點的應力響應譜確定波浪載荷，對平臺進行了總體結構強度分析［7］。由于Spar平臺結構巨大復雜，以有限的幾個參考點的強度分析無法覆蓋結構總體情況，同時在應力參考點的選取上可能出現漏選關鍵點，結構強度計算結果準確性難以保證。

波浪載荷為Spar平臺結構分析與設計的控制載荷［8］，合理確定波浪荷載十分關鍵。風載荷、流載荷、立管力和系泊力等低頻載荷對Spar平臺運動影響很大，在結構水動力和強度分析時必須予以考慮。在這些低頻載荷的作用下平臺會發生傾斜，當Spar傾斜到最大角度時，Spar受力最大，平臺處于最不利狀況，因此應在此最不利狀況下進行Spar平臺的強度分析。

本文首先介紹Truss Spar平臺結構強度評估的分析流程。以文獻［7］中的Truss Spar平臺為例，結合南海百年一遇的極端作業環境，建立了考慮系泊、立管系統的Spar平臺耦合運動模型，通過水動力時域分析找出了平臺的最不利狀況;采用隨機設計波方法，以Spar平臺結構整體的彎矩和剪力為控制內力，確定Spar平臺所受的波浪載荷，考慮風、流及系泊立管等載荷，在平臺最不利狀況下，采用有限元方法對局部精細化的結構模型進行強度分析，并根據規范對平臺主體結構的應力水平進行了強度校核。

1 分析流程

對Spar平臺進行結構強度分析首先要確定作用在平臺結構上的外載荷。Spar平臺服役期間除受自重、靜水載荷及風浪流環境載荷等荷載作用外，還將受到來自系泊錨鏈以及立管的力;系泊系統的錨鏈和立管同樣受到由于平臺運動而帶來的載荷。這樣，Spar平臺的總體響應分析需要采用時域分析的方法，建立平臺與系泊立管的耦合分析模型，以考慮平臺與系泊立管系統之間的耦合作用，從而獲得較為符合實際的計算結果。

圖1 Spar平臺結構強度分析流程Fig.1 Strength analysis process of Spar platform

波浪載荷為Spar平臺結構強度分析與設計的控制載荷，波浪載荷的計算采用基于三維水動力理論的隨機設計波方法，根據百年一遇的極端海況條件，按照規定工況對波浪周期、波高及相位等進行搜索，確定一個能在結構上產生最大載荷的規則波，然后用這個規則波在結構上產生的波浪載荷與其他作用在平臺上的載荷組合進行平臺結構強度計算。借助于AQWA軟件的時域分析模塊DRIFT計算出平臺最大傾斜狀態時的系泊力、立管力以及傾角。風流荷載根據DNV規范推薦公式［9］進行計算，計算時考慮Spar平臺傾角的影響，按最大傾角考慮。

采用有限元軟件ANSYS建立Spar平臺的結構有限元模型，將各典型波浪工況下的波浪載荷、慣性加速度和其他載荷以及邊界條件施加到結構有限元模型上，進行準靜態有限元分析計算出平臺主體結構的應力水平，并根據ABS推薦的應力準則對平臺主體結構進行強度校核。Spar平臺結構的強度校核流程如圖1所示。

2 水動力分析

2.1 平臺主尺度

Truss Spar平臺從上到下由上部模塊、硬艙、中部桁架段和軟艙組成，平臺總長186 m，吃水150 m。上部模塊為三層矩形甲板桁架結構。硬艙為多層多艙的封閉圓柱體，是整個平臺系統的主要浮力來源，內部設置有“中央井”，供頂部張緊式立管(TTR)穿過。中部分為桁架和垂蕩板，桁架在連接軟艙和硬艙的同時降低了波浪及海流對平臺的作用，垂蕩板提高了系統附加質量和阻尼。軟艙存放固定壓載，降低平臺重心，以保證平臺的無條件穩性。平臺的主尺度參數如下:

總體結構:總排水量40 429 t，重心87 m，浮心92.5 m，橫搖回轉半徑71 m，縱搖回轉半徑71 m，艏搖回轉半徑10 m。硬艙:直徑27.4 m，高度90 m，中央井邊長13 m，可變壓載1 500 t。中段桁架:桁架總高度63 m，垂蕩板尺寸 27.4 m，縱向桁架直徑1.2 m，X 型桁架直徑0.6 m。軟艙:內/外邊長為13/27.4 m，高度12 m，固定壓載13 500 t。坐標原點位于軟艙底部中心。

2.2 環境參數與系泊立管參數

采用南海百年一遇的極端工作海況:風速為10 m高處1 h平均風速39.0 m/s，流速為平均表面流速1.95 m/s，波浪采用JONSWAP波浪譜進行模擬，其有義波高 15.0 m，譜峰周期 15.1 s。

Truss Spar平臺的水平位置和運動由系泊系統控制，采用3組共9根錨纜組成的半張緊式系泊系統，在預張力和自身重量的作用下形成懸鏈線形。立管系統由3行3列頂部張緊的豎向TTR立管組成，居于Spar平臺中央筒的中間。立管上部施加恒定的張力2 136.4 kN，由設置在其頂部的浮筒群提供。該浮筒群同時約束浮筒和Truss Spar主體間的水平相對位移，保證立管與平臺主體之間的相對位移不受影響。系泊索參數見表1。立管具體參數:長度 1 540 m，外徑 323.9 mm，等效壁厚 21.76 mm，濕容重 162.11 kg·m-1，抗拉剛度 4 270 MN，抗彎剛度 40.3 MN·m-2，抗扭剛度 31 MN·m-2。

表1 系泊索參數Table 1 Parameters of mooring line

2.3 水動力模型和運動響應

帶有系泊、立管系統的Spar平臺在時域內的耦合運動方程如下:

式中:M和m是平臺結構質量矩陣和水動力附加質量矩陣，B和C是阻尼和剛度矩陣為平臺在時域內6個自由度上的加速度、速度和位移，F為結構受到的波浪力，Fw為風力，Fc為流力，Fm為系泊力，Fr為立管力。

采用AQWA進行平臺水動力運動性能分析和波浪載荷輸出，建立了Spar平臺的三維水動力模型，首先采用Panel單元對大尺度浮體部分建立了濕表面模型。對于桁架等撐桿類小尺度構件，采用Morison單元建立莫里森模型。最終得到平臺主體及其系泊和立管的耦合計算模型如圖2所示。

根據水動力計算結果可得到各規則波下的波浪作用在Spar平臺上的水動壓力，平臺運動引起的慣性力和加速度，以及Spar平臺在百年一遇環境條件下不同風浪流入射方向作用的平臺總體運動時域響應。對Spar平臺的縱、橫運動響應進行分析，在波浪入射角度為60°，風流入射角度為45°時，平臺有最大傾角為 9.758°。

圖2 Spar平臺系泊立管耦合系統模型Fig.2 Spar model coupled with mooring and riser system

2.4 設計波參數

Spar平臺的浮體部分是一個在豎直方向尺度較大而在水平方向尺度較小的長柱體，在波浪載荷作用下遭受著彎曲、橫向剪切作用，這個特點導致Spar平臺最重要的波浪工況為:最大水平彎矩狀態、最大水平剪力狀態以及硬艙底部甲板最大剪力狀態，沿軸向分布的水平彎矩、水平剪力和硬艙底部甲板剪力成為確定控制載荷的極限狀態。因此要分別對其承受的彎矩、剪切力的傳遞函數進行預報，并根據規范和載荷工況計算響應，進而確定典型波浪工況對應的波浪參數。

為了獲得Spar平臺處于最大水平彎矩狀態、最大水平剪力狀態以及硬艙底部甲板最大剪力狀態下對應的波浪參數，沿軸向在Spar平臺上設置了15個不同高度水平控制截面，編號自平臺頂部至軟艙底部分別為截面1～15。采用隨機設計波法，按照南海百年一遇的海洋環境對3種波浪工況進行設計波分析，得到3種特征波浪工況下的設計波參數，具體參數見表2。當特征波浪工況為水平彎矩時，對應設計波下平臺各截面的彎矩如圖3所示，圖4表示不同頻率單位波幅規則波下截面4的彎矩。

表2 設計波參數Table 2 Parameters of design wave

圖3 設計波下各截面的彎矩Fig.3 Moment on different sections under design wave

圖4 不同規則波下截面4的彎矩Fig.4 Moment on section 4 under different regular waves

3 結構強度分析

3.1 有限元模型

采用ANSYS軟件建立了平臺的有限元模型，如圖5所示。對Spar平臺的軟硬艙內外艙壁、硬艙內甲板、中央井壁、垂蕩板等板殼結構采用SHELL63殼單元進行了模擬;對附著在軟硬艙壁和垂蕩板上的加強骨材采用BEAM188和BEAM189進行模擬;中段桁架段和上部結構的桁架采用管單元PIPE59進行模擬，同時采用MASS21對平臺上部結構上的設備設施和軟硬艙室內的壓載水或壓載物也進行了模擬。針對Spar平臺上部結構與硬艙的連接處以及中段桁架與硬艙、軟艙的連接處等幾個重要連接部位，進行了局部結構精細化處理，用殼單元對連接部位進行了建模。

圖5 Spar平臺結構有限元模型Fig.5 The FEM of Truss Spar structure

3.2 載荷施加和邊界條件

確定了設計波參數后，即可以通過 AQWALINE計算出平臺在該設計波下的水動壓力和慣性加速度求解出來，并通過AQWA-WAVE生成載荷文件施加到結構有限元模型上。風載荷以集中力的形式施加在風力作用中心，流載荷則以壓力形式施加到對應的殼單元上，系泊力和立管張力以集中力加載到相應的節點。平臺所受的靜浮力和由風、流力以及平臺運動引起平臺傾角所產生的浮力變化通過APDL命令流加載到相應的結構單元。

將平臺所受載荷施加在有限元模型上，為防止發生剛體位移，在平臺重心附近位置選擇了3點進行六自由度的約束:Ux=Uy=Uz=0;Uy=Uz=0;Uz=0。強度計算結構顯示這3個節點的約束反力很小，說明這樣的約束邊界條件是可行的。采用準靜態方法，利用ANSYS軟件進行有限元計算，求解出結構應力以供強度校核。

3.3 許用應力及計算結果

平臺采用的鋼材為高強鋼，其屈服極限為355 MPa，根據ABS規范［10］，板殼結構采用VON MISES等效應力進行強度校核，用實際應力和許用應力的比值即應力比r來衡量，對于百年一遇的極端作業海況，安全因子取值為1.25。對于同時承受著軸向壓縮和彎曲的軟硬艙內加強骨材和桁架等結構，采用組合應力系數s來進行強度校核［11］與衡量。數值越大，越接近1，表明結構該處應力水平高，是平臺的薄弱危險部位。具體單元應力校核如表3和表4所示，取各部位應力極值點。從表3和表4中可以看出，3種計算工況下，平臺結構強度都符合要求，結構應力分布較為均勻，但在一些區域會出現高應力。平臺的上部與硬艙連接處、硬艙與桁架連接處以及軟艙與桁架連接處等平臺關鍵連接部位的應力水平非常高，應力比都超過了0.9。此外，平臺硬艙外壁、防水艙室以及硬艙頂底部的應力水平也比較高。

計算結果與文獻［7］的結果相比較，結構整體應力分布、高應力發生區域等是一致的，平臺關鍵連接部位、平臺硬艙外壁、硬艙頂部等區域的應力水平都很高。本文3種計算工況下的計算結果中，最大彎矩狀態下的最大應力比值為0.995，顯示的最大應力部位為軟艙與桁架連接處，最大剪力狀態下的最大應力比為0.966，最大應力部位為上部與硬艙連接處，最大底部剪力狀態下的應力比為0.981，最大應力部位為硬艙與桁架連接處;而文獻［7］中只計算了一種工況，最大應力比為0.993，顯示的最大應力部位為軟艙與桁架連接處。

表3 殼單元應力校核Table 3 Stress checking of shell element

表4 梁、管單元應力校核Table 4 Stress checking of beam and tube element

4 結論

本文對桁架式Spar平臺總體結構強度評估進行了深入的研究，得到如下結論:

1)建立考慮系泊和立管系統的Spar平臺耦合模型才能精確的預報結構的運動響應，同時為獲得可靠的平臺結構強度分析結果提供基礎;

2)平臺結構強度分析結果表明:最大水平彎矩狀態、最大水平剪力狀態以及硬艙底部甲板最大剪力狀態為結構3種極限狀態，如果少考慮其中一種極限狀態，有可能給設計平臺帶來潛在的安全威脅;

3)該平臺結構總體上是安全的，平臺主體結構應力分布合理，但在上部結構與硬艙連接處、硬艙與中段桁架連接處和軟艙和中段桁架連接處等關鍵連接部位以及水面附近的硬艙外壁等應力水平高，對于這些應力高、應力集中顯著的區域應特別關注，建議結構設計中應加強或在平臺使用過程中對這些位置定期檢測和維護。

［1］WANG J，ZHANG B，BERG S.Truss spar time domain inplace structural strength analysis［C］//Offshore Technology Conference.Houston，USA，2002:2653-2661.

［2］LUO M Y H，ZHANG B L X，TALLAVAJHULA S，et al.Integrated structural analysis methodology for truss spars［C］//Proceedings of the 26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.San Diego，USA，2007:287-295.

［3］HU Di，HE Yong，JIN Weiliang.Vifie-based prediction and strength analysis on upending of spar［C］//Proceedings of the 29th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.Shanghai，China，2010:611-617.

［4］王世圣，張威.深水典型Spar平臺總體強度分析［C］//第19屆全國結構工程學術會議論文集(第Ⅲ冊).濟南，中國，2010:534-539.WANG Shisheng，ZHANG Wei.Global strength analysis of deep water typical spar platform［C］//Proceedings of the 19th National Conference on Structural Engineering(No.3).Ji＇nan，China，2010:534-539.

［5］YANG M，TENG B，NING D，et al.Coupled dynamic analysis for wave interaction with a truss spar and its mooring line/riser system in time domain［J］.Ocean Engineering，2012，39:72-87.

［6］高喜峰，張則青，陰賓賓.深海SPAR平臺系泊系統耦合動力分析［J］.海洋技術，2010，29(1):70-73.GAO Xifeng，ZHANG Zeqing，YIN Binbin.Coupled dynamic analysis of mooring systems of Spar platform［J］.Ocean Technology，2010，29(1):70-73.

［7］楊川，喬東生，歐進萍.Truss Spar平臺總體結構強度分析［J］.船舶工程，2012，34(1):69-73.YANG Chuan，QIAO Dongsheng，OU Jinping.Global analysis on structural strength of a Truss Spar platform［J］.Ship Engineering，2012，34(1):69-73.

［8］《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程深水油氣田開發技術［M］.北京:石油工業出版社，2011:48-56.

［9］DNV.RP-C205，Environmental conditions and environmental loads［S］.H?vik:Det Norske Veritas，2007.

［10］ABS.Rules for building and classing mobile offshore drilling units［S］.Houston:American Bureau of Shipping，2006.

［11］API.RP 2A-WSD，Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms—working stress design［S］.Washington，DC:API Publishing Services，2005.