半潜式钻井平台甲板结构极限强度分析

江 苏 科 技 大 学本科生毕业设计(论文)学 院 船舶与海洋工程 专 业 船舶与海洋工程 学生姓名 王杰 班级学号 1040101128 指导老师 施兴华 二零一四年六月江苏科技大学本科生毕业论文半潜式钻井平台甲板结构极限强度分析Ultimate strength analysis of semi-submersible drilling platform deck structure江苏科技大学本科生毕业设计（论文）I摘 要人们对陆地和近海资源过度开发，导致陆地和近海资源快要枯竭，所以海洋石油的开发必须要从近海向深水地区发展。随着海洋石油资源开采事业日益发展，半潜式钻井平台在海洋油气开采工作中板眼了越来越重要的角色。其安全问题也引起了重视，为了确保平台的结构安全，十分有必要对钻井平台进行极限强度分析。本文的主要研究内容是：对国内外对平台极限强度分析的现状进行了了解，学习了有限元分析的理论知识，阐述了非线性问题的来源以及解决非线性问题的方法，以平台甲板结构为例进行了研究。本文对 ANSYS 软件的发展过程以及功能进行了简要的介绍。本文学习、总结了以前在极限强度方面的理论成果，以半潜式平台甲板结构为研究对象，应用大型有限元软件 ANSYS 对结构进行建模，对其施加载荷，进行有限元分析，计算出极限强度。关键词：半潜式平台；甲板；极限强度；ANSYS 江苏科技大学本科生毕业设计（论文）IIAbstractPeople overexploited land and offshore resources, which leading to the depletion of onshore and offshore resources soon, so we have to search for resources from offshore to deep water offshore areas. With the exploitation of offshore petroleum resources career growing, semi-submersible drilling platform plays an increasingly important role in the offshore oil and gas exploration work. Its security issue also attracted our attention. For the purpose of ensuring the structural safety of the platform, analyzing the ultimate strength of the drilling platform is becoming more and more necessary.In this article, we can know something about the current situation of the ultimate strength analysis at home and abroad and learn the theoretical knowledge of finite element analysis. The article also describes the nonlinear problem of sources and methods to solve nonlinear problems. We take the platform deck as an example for the study. This particle also introduces the development process and function of the ANSYS software. This article studied and summarized the previous theoretical results in aspects of the ultimate strength. We took the platform deck structure as an example for study. We made a structural model with finite element software ANSYS and analyze its ultimate strength of finite element.Keywords: Semi-submersible drilling platform;Deck ; Ultimate strength; ANSYS江苏科技大学本科生毕业设计（论文）III III目录第一章 绪论 .21.1 研究背景 .11.2 研究的意义 .21.3 半潜式平台研究现状 .21.4 平台极限强度国内外研究现状 .41.5 本文的主要工作 .6第二章 结构极限强度分析 .72.1 半潜式平台极限强度计算方法 .72.1.1 基本假定 .82.1.2 简化逐步破坏分析法计算极限强度过程 .82.1.3 半潜式平台极限强度的预判 .92.2 有限元分析法 .102.2.1 有限元分析法的起源和概述 .102.2.2 基础性原理 .112.2.3 非线性有限元分析需考虑的问题 .112.3 本章小结 .12第三章 ANSYS 软件简介 .123.1 ANSYS 软件的发展过程 .133.2 ANSYS 软件的使用环境 .133.2 ANSYS 软件的功能 .133.3 ANSYS 软件的技术特点 .143.4 ANSYS 软件的非线性有限元分析 .14第四章 平台甲板结构的极限强度分析 .154.1 建立模型 .16江苏科技大学本科生毕业设计（论文）4.1.1 模型参数 .174.1.2 建立平台甲板模型 .194.2 加载计算 .234.3 结果分析 .24总结与展望 .34致 谢 .35参考文献 .36江苏科技大学本科生毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 研究背景海洋面积占了地球表面积的很大比例，高达 70.9%，海洋的平均深度约为 3730 米，水深在 2006000 米的范围内的海洋高达 90%，至今为止，还有大量的海域尚未开发，特别是海洋油气等重要资源。一旦这些资源被合理开发，如今巨大的能源压力就会迎刃而解。若要开采利用海洋油气资源,人们需要在海上建造安装一些海洋工程结构物，这是众所周知的。这类海洋工程结构物主要功能是对海洋进行开发和利用,比如石油的勘探和开采。现今，固定式和移动式海洋平台是最主要的两种类型的海洋结构物。半潜式平台最早出现在 1962 年，现在已经进入了一个全新的发展阶段。在深水海洋油气的开发过程中，由于成本和自重两方面的原因，重力式和导管架平台都不能投入使用。因此半潜式平台凭借其较大的工作水深、良好的移动性能、较高的可变载荷、受波浪影响较小等多方面的优点，逐渐成为海洋油气开发的重要工具。半潜式钻井平台在作业时，它是始终漂浮在水面上的，受力情况十分复杂。因为半潜式平台仅仅依赖锚泊设备或者动力定位装置保持在某一特定地点，在各种环境载荷，如风、浪、流的作用下，平台一直处于运动状态，较为不稳定。另外，海洋平台不像普通船舶一样可以避开风浪的侵袭，在极其恶劣的海况下，也只能暴露其中，不可以躲避。为了避免事故的发生，就必须确保海洋平台的完整性，就是要保证海洋平台不被破坏或者不失效。而保证的平台完整性最好的方法，就是评估平台的极限强度，即确保平台在可能的极限外载荷下充裕的强度储备。我们可以通过对海洋平台的极限强度分析，从而获知海洋平台整体的极限承载能力和各构件的最大承载能力，以便对承载能力较弱的部分进行适当的加强，保证平台的安全；也可以对承载能力较强的构件适度削弱一些，从而使平台能够得到较为合理的配置，做到资源最大化利用。江苏科技大学本科生毕业设计（论文）21.2 研究的意义半潜式平台的立柱保证了其稳性，所以半潜式平台又被称为柱稳式平台。半潜式平台的固有周期很大，因为它的水线面面积很小，与波谱主要成分波发生谐振的可能性十分低，因此减小运动响应的目的可以实现；浮体处于水线面以下的位置，波浪力的作用因此被大大削弱。当波长和平台长度是比值是特定的值时，立柱与浮体受到的波浪作用力大小差不多，可以相互抵消，这样的话，平台上受到的作用力相对较小，在理论上可以等于零。半潜式平台在深海资源开发中具有其他平台无法媲美的优势，都要归功于其强大的抗风浪能力、优异的运动性能、巨大的装载容量、超高的作业效率等一系列优点。目前第六代半潜式平台已经在研发中，它有更强的实用性。此外，第六代半潜式平台采用了 DP3 动力定位系统，不仅能够在深海水域进行油气开采，还能抵御恶劣的海况。但是，半潜式平台并不是绝对完美的。半潜式不能像船舶一样停靠在岸边，它始终浮于水面上，因此其受力十分复杂的。半潜式平台一般会受到风力、波浪力和海流力等力的作用，所以半潜式平台一直处于不规则的运动的状态，动力响应较为复杂。显而易见，半潜式海洋平台处于一个十分恶劣的海况，并且锚泊系统定位是唯一的依靠，所以相比于船舶，半潜式平台的事故率会较高，造成的损失也不可估量。例如：1961 年Texas 平台遭遇极端风暴而沉没，不仅造成重大经济损失，同时有 28 人也不幸遇难。再举出一次非常惨重的事故的例子，巴西的 P-36 号平台作为世界上罕有的大型钻井平台，原本强力推进巴西的经济发展，帮助巴西经济实现质的飞越。但是，在 2001 年 3月该钻井平台倾塌，对巴西的经济社会发展造成了不小的影响。接连不断发生的事故引发了人们的恐慌，所以海洋平台的结构强度引起了专家学者们的注意。综上所述，为了提高半潜式钻井平台使用的安全性，对半潜式钻井平台极限强度进行计算与分析，是具有重大意义的，同样是不可或缺的。1.3 半潜式平台研究现状1962 年，壳牌石油公司建造了世界上第一艘半潜式平台 “BlueWater I”，经过 50 多年的研究和发展，海洋平台在各方面都发生了巨大的变化。至今为止，半潜式平台在短短半个世纪里完成了从第一代到第六代的升级。江苏科技大学本科生毕业设计（论文）3半潜式平台的主体结构一般可分为四种：上部箱体结构、下浮体、立柱和撑杆。现在主流的半潜式平台一般由上部矩形的箱形结构和多个下浮体结构组成。第五、六代相比较前期的半潜式平台，有着以下特点和优势：（1）外形结构简化：最初平台的立柱数目大多为 6 根、8 根，现今已减少到 4 根，数目大幅下降，撑杆节点的形式被简化。原先平台的下浮体是鱼雷形、船形，现在已简化成简单的箱形结构，甲板主体也变成规则的箱形，且有 12m 的双层底。（2）工作水深范围明显增加：现在的有近 1/3 的半潜式平台的工作水深超过1829m，远大于 1977 年以前的水平。专家们预测，工作水深达到 40005000m 的半潜式平台有望在 20 年内被建造出来。（3）采用强度更高的钢材：目前，高强度钢（=420MPa460MPa）的使用率较高，更高强度的钢材现在也被应用于建造平台某些重要结构，未来超高强度钢也可能投入使用。（4）甲板空间与可变载荷加大。由于甲板空间的加大，平台工作的安全性有了显著提升；而可变载荷的增加，让平台能够适应更大的工作水深。（5）能适应恶劣的工况。因为技术的发展革新，半潜式平台拥有更加强大的动力配置能力和抗风浪性能，以及更加精准的动力定位技术，这让半潜式平台能够轻松应对更恶劣的海况。（6）仓储面积变大。由于半潜式平台作业海域离陆地较远，物资补给较为不便，所以加大仓储容积以增强平台的自持力，延长工作时间。（7）功能多元化。最初的半潜式平台的功能仅仅局限于钻井或采油，现今已发展到钻井、修井、采油和生产处理等多功能一体化。在半潜式平台研究应用方面，美国和挪威等海洋利用意识较强的国家都比较早着手进行。由于深海勘探费用较大，国际上只有少数石油公司有资金或技术实力进行深海石油勘探和开采。近些年来，这些石油公司在深海开发领域的投入不断增加。显而易见，半潜式平台等移动式钻采设备已逐渐成为油气工业发展至关重要的部分。深水或超深水勘探作业费用十分巨大, 目前有能力(资金或技术实力) 进行深海石油勘探开发的公司很少，主要有 BP、Shell、Exxon、Mobil、Chevron、Texaco、Petrobras 等大石油公司。近年来, 各大石油公司在深海领域的投资不断增加。 2001 年全球在深海的石油开发投江苏科技大学本科生毕业设计（论文）4资超过 110 亿美元, 还不包括勘探及评价投资; 2003 年现有深海油田及新项目的投资超过 150 亿美元。可见 , 向海洋和深海要油气, 发展以半潜式平台为代表的新一代移动式钻采装置，这是世界油气工业发展具有重大战略意义的一项工作。我国研究半潜式平台起步较晚，但利用深海钻采装置勘探和开发深海资源已成为一个必然的趋势。我国目前油气勘探开采主要集中于浅海和近海海域，深海开发能力还有待提高。 1984 年，我国自行研制的半潜式平台勘探三号投入了使用，自此以后，技术研究一度陷入了停滞不前的状态。为了缓解高速经济发展带来的能源压力，国内投入大量人力、物力资源研究深海勘探开发技术，以期完成新型