CN107725000A - 带火炬臂的海上平台上部组块及其拖航疲劳损伤计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带火炬臂的海上平台上部组块及其拖航疲劳损伤计算方法，前者包括上部组块和固定连接在上部组块的一侧的火炬臂；火炬臂与上部组块连接的一端设置有过渡段，过渡段结构采用横截面逐渐增大的梯形桁架结构形式，且横截面最大处为与上部组块的支撑连接部位。本发明以横截面逐渐增大的梯形桁架结构作为过渡段，能够加强火炬臂下部的结构，使火炬臂与上部组块连接后形成由刚体逐渐过渡到柔弱体的结构，避免刚度突变，提高抵御疲劳载荷的能力；由此实现在陆地上一体化连接施工，将连接为一体的带火炬臂的上部组块整体运输至海上安装就位，从而避免在海上吊装组对中遇到的各种问题，以及火炬臂与上部组块的连接组对过程中出现的各种问题。

Description

带火炬臂的海上平台上部组块及其拖航疲劳损伤计算方法

技术领域

本发明涉及一种带火炬臂的海上平台上部组块及其拖航疲劳损伤计算方法，属于海上平台技术领域。

背景技术

目前，各海域平台结构设计中，井口平台上部组块的火炬臂都是与组块分开设计和建造，海上安装时再组装。在渤海环境条件较好及海上运输距离较短，加之过去的平台偏小、上部组块的重量也较轻，实现起来并无太大的困难。在东海则大不相同了，其环境条件恶劣、平台服役场址远离岸边基地，致使海上施工方案实施困难、可靠性和操作性较差，以及经济性不好。

另外，火炬臂与上部组块在海上对接组装的过程中也具有一定的难度和风险。如图1～4所示，目前，上部组块带有火炬臂的海上平台，其火炬臂3与上部组块4的连接大多采用三点式连接方式，其中，上端两点以横轴卡槽“挂钩”受拉力作用，下端支点受压力作用。在火炬臂与上部组块连接安装之前，首先将上部组块在海上平台基础导管架上安装就位，然后再吊装火炬臂与上部组块进行连接安装。这种安装方案需要克服两大困难：(1)上部组块上的连接挂钩的焊接施工问题：由于体积较小、钢板较厚、焊接量大，焊后极易出现焊后裂纹。如果赶上冬季低温条件下施工，由厚钢板组合的挂钩构造层层施焊，其高空焊后进行热处理再进行无损检验，即困难又耗费时间，施工工期难以保证。(2)由于东海的环境条件恶劣，海上吊装几十吨重的火炬臂以两个横轴(或连通)的挂鼻儿平稳地挂在两个开槽的挂钩上的难度很高：一要调平火炬臂的整体吊装状态，二要等待船舶及吊物出现一个相对稳定的状态，再加之果断地挂上去方能成功，而且不能因为吊物的摇摆撞坏结构的杆件或节点。

也有部分带有火炬臂的海上平台(如图5～7所示)，其火炬臂5与上部组块6的连接采用挂鼻式的连接构造。该种施工方案，也需要先将上部组块6海上安装就位后，再吊火炬臂5与上部组块6装进行组装。这种方式由于连接部件过于小巧加之刚度不足其在东海作业会付出相当的代价。

那么，为什么一直以来火炬臂与上部组块都采用分别运输安装的方式呢？究其根源，在于针对火炬臂与上部组块组合在一起海上拖航运输的计算分析中，疲劳计算分析没有得到合理的解决，尤其东海环境条件恶劣和从建造基地到平台服役场址需要长距离的运输航程。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种刚度能够满足东海环境且避免在海上进行吊装安装的带火炬臂的海上平台上部组块。

本发明的另一个目的是提供一种带火炬臂的海上平台上部组块的拖航疲劳损伤计算方法，该方法为东海海域火炬臂与上部组块一体化海上运输建立了计算分析技术基础。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种带火炬臂的海上平台上部组块，包括上部组块和固定连接在所述上部组块的一侧的火炬臂；其特征在于：所述火炬臂与所述上部组块连接的一端设置有过渡段，所述过渡段采用横截面逐渐增大的梯形桁架结构且横截面最大处为与所述上部组块的连接部位。

所述过渡段与所述上部组块的连接部位处的所述火炬臂宽度为所述上部组块宽度的50％。

所述火炬臂与所述上部组块之间采用四点式连接方式，在所述火炬臂的过渡段的连接端设置有挂鼻，在所述上部组块的连接侧设置与挂鼻相配合的挂钩。

一种带火炬臂的海上平台上部组块的拖航运输疲劳损伤计算方法，包括以下步骤：1)在水动力分析软件中建立驳船带上部组块及火炬臂整体的有限元模型，根据拖航的海况条件和拖航时间对拖航工况进行详细划分，拟定拖航航速，针对每个拖航工况对驳船进行频域分析，计算得到上部组块带火炬臂整体结构中心位置处的幅值响应算子RAO；2)在海洋工程结构分析软件中建立上部组块带火炬臂整体的有限元模型，采用软件中自带的拖航疲劳分析计算模块，输入水动力计算结果-RAO值、拖航海域波浪散布图、疲劳计算所需参量，对组块进行拖航运输工况下的谱疲劳计算，得到火炬臂各节点的疲劳损伤。

所述步骤1)中所采用的水力分析软件为Moses。

所述步骤2)中所采用的海洋工程结构分析软件为SACS。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在火炬臂与上部组块之间以横截面逐渐增大的梯形桁架结构作为过渡段，能够加强火炬臂下部的结构，使得火炬臂与上部组块连接后形成由刚体逐渐过渡到柔弱体的结构，从而避免刚度的突变，提高抵御疲劳载荷的能力；由此，本发明可以在陆地上进行一体化连接施工，包括试装。从而预先避免了在海上吊装火炬臂安装过程中遇到的各种问题，以及火炬臂与上部组块的组装过程中出现的各种问题。然后将连接为一体的带火炬臂的上部组块整体运输至海上安装就位。2、本发明把海上的工作量有效地转移到陆地上来完成，能够实现最大化地压缩海上的工作量，利用并发挥陆地建造场地的天然方便条件提高施工的质量与进度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1是火炬臂与上部组块结构采用挂钩式连接方式的整体主视示意图；

图2是火炬臂与上部组块结构采用挂钩式连接方式的整体俯视示意图；

图3是现行的吊装火炬臂与上部组块进行组装的示意图；

图4是挂钩式连接点构造剖面示意图；

图5是火炬臂与上部组块采用挂鼻式连接方式组装示意图；

图6是挂鼻式连接构造的局部放大示意图；

图7是图6的俯视示意图；

图8是本发明带火炬臂的海上平台上部组块的结构主示意图；

图9是本发明带火炬臂的海上平台上部组块的结构俯视示意图；

图10是本发明方法的计算分析流程图；

图11是本发明上部组块带火炬臂整体拖航运输水动力模型；

图12是本发明上部组块带火炬臂整体疲劳分析模型(3D)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图8、图9所示，本发明提出了一种带火炬臂的海上平台上部组块，包括上部组块1和固定连接在上部组块1的一侧的呈桁架结构的火炬臂2。其中，火炬臂2桁架结构与上部组块1连接的一端设置有过渡段7，过渡段7采用横截面逐渐增大的梯形桁架结构且横截面最大宽度的位置为与上部组块1的连接部位。

进一步地，过渡段7与上部组块1的连接部位处的火炬臂2的宽度为上部组块1宽度的50％。

进一步地，火炬臂2与上部组块1之间采用四点式连接方式，在过渡段7的连接端设置有挂鼻，在上部组块1的连接侧设置与挂鼻相配合的挂钩。

本发明与现有技术最大的不同有两点：一是火炬臂2通过过渡段7与上部组块1组合为一体进行设计(现有技术均采用分体运送至海上再进行吊装组装)，二是在火炬臂2与上部组块1之间以横截面逐渐增大的梯形桁架结构作为过渡段7。本发明解决现有技术中的问题的原理如下：现有技术中之所以采用火炬臂与上部组块分别拖航运输再安装的方式，其原因在于如果提前在陆地上将火炬臂与上部组块安装起来，由于上部组块的刚性大而火炬臂的刚性柔弱形成刚性变化突变，这种的组合结构将难以适应长距离的拖航运输产生的拖航荷载，在长距离运输过程中火炬臂结构不可避免地会出现结构疲劳问题。而本申请经过大量的计算分析以及试验验证，提出了以横截面逐渐增大的梯形桁架结构作为过渡段，加强了火炬臂2下部的结构，使得火炬臂2与上部组块1连接后，形成由刚体逐渐过渡到柔弱体结构，从而避免了整体结构出现刚度的突变，提高了抵御疲劳载荷的能力。因此本发明在陆地上进行一体化连接施工，然后将连接为一体的带火炬臂的上部组块整体运输至海上安装就位，保证了组装施工的质量。由此避免了在吊装安装中遇到的各种问题，以及火炬臂2与上部组块1的连接过程中出现突发的意外问题，降低了海上作业施工工作量与风险。

本发明提出了一种带火炬臂的海上平台上部组块的拖航疲劳损伤计算方法，包括以下步骤：

1)在水动力分析软件中建立驳船带上部组块及火炬臂整体的有限元模型，根据拖航运输的海况条件和拖航时间对拖航工况进行详细划分。拟定拖航航速，针对每个拖航工况对驳船进行频域分析，计算得到上部组块带火炬臂整体结构中心位置处的RAO(responseamplitude operator，幅值响应算子)。其具体过程如下：

在频域水动力分析中，假设船舶为时间恒定的线性系统，仅考虑其所受到的线性波浪载荷，波浪和船体运动视为各态历经的平稳随机过程，波浪谱和驳船响应谱视为窄带谱，则通过傅里叶变换，得到船舶重心处频域运动方程：

其中，M为船舶质量矩阵，m为船舶附加质量矩阵，D为船舶阻尼矩阵，C为船舶刚度矩阵，F为频域波浪干扰力，包括Froude-Krylov力和绕射力，ζ_a为波幅，X(t)为船舶重心位置处运动响应，ω为波浪频率。

当取波高ζ_a(t)＝1，对上述运动方程进行求解，则结构响应X^*(ω,θ)是一基于波浪频率和入射方向的复向量，这一向量称为响应幅值算子(RAO)，即结构在波浪频率ω和入射方向θ，单位波幅的规则波作用下的响应。

驳船水动力模型包括湿表面模型和质量模型两个部分。其中湿表面模型根据驳船设计参数和各站型值，在Moses中建立；质量模型根据驳船重控，在Moses中指定各部分质量的重量大小和重心位置，以集中质量的方式施加在模型上。拖航工况下，质量模型除空船重量外，还包括组块重量、装船固定、附属驳船加强的钢材重量。

在进行计算时，可以选取入射方向为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°等共8个浪向，波浪周期范围3～30s，对上述驳船运输的水动力进行分析。其中，波浪90°方向入射为最危险工况。求解各工况下的上部组块带火炬臂整体结构中心位置处的RAO值。

2)在海洋工程结构分析软件中建立上部组块带火炬臂整体的有限元模型，采用软件中自带的拖航疲劳分析计算模块，输入水动力计算结果-RAO值、拖航海域波浪散布图、疲劳计算所需参量(SCF、S-N曲线、波浪谱等)，对组块进行拖航工况下的谱疲劳计算，得到火炬臂各节点的疲劳损伤。

在获取火炬臂各节点的疲劳损伤后，结合疲劳损伤累计理论，可以对火炬臂疲劳寿命进行进一步评估。利用本发明疲劳损伤计算方法对本发明所提出的带火炬臂的海上平台上部组块进行计算分析后，表明本发明的结构在拖航工况下火炬臂能够抵御运输状态下各种工况的荷载作用，各节点疲劳寿命均满足规范要求。

上述实施例中，步骤1)中所采用的水力分析软件为Moses。

上述实施例中，步骤2)中所采用的海洋工程结构分析软件为SACS。EngineeringDynamics公司开发的SACS软件系统，是用于海洋平台以及一般陆地结构工程设计的结构有限元分析软件系统，包含多个程序模块，其中拖航疲劳模块—“Tow Fatigue”是基于频域疲劳分析原理，将水动力计算RAO转化为结构所受惯性载荷，计算导管架或上部组块结构在拖航工况下，由于驳船运动所产生的疲劳损伤。

传统的火炬臂结构与上部组块之间安装时采用三点插销式连接方式，取波周期范围为3～30s，间隔0.5s，波浪方向角为0～360°，间隔45°，计算得到火炬臂各管节点疲劳损伤及寿命值。经过计算发现，与平台在位疲劳损伤相比，这些节点拖航疲劳损伤所占比例较大。因此，对于上部组块带火炬臂整体拖航的情况，拖航疲劳损伤不容忽视。疲劳损伤较大的管节点主要集中于火炬臂与组块上甲板的连接位置，一方面，由于该位置处为整个火炬臂的根部，较其他管节点，受到火炬臂自重和其他惯性载荷引起的弯矩较大，是运输荷载作用下疲劳与损伤的关键部位。

鉴于上部组块与火炬臂之间刚性差别极大，二者连接处就必然会出现刚度突变现象，在长距离运输中疲劳损伤较为严重。针对这一问题，本申请在火炬臂与上部组块连接的一端设置了过渡段，过渡段采用横截面逐渐增大的梯形桁架结构。采用上述相同方法对新型火炬臂结构进行整体拖航工况下的疲劳计算，结果表明，较传统结构损伤值有明显降低，几乎为原结构节点损伤的1/100。该结构由刚体逐渐过渡到柔性体，从而避免了刚度的突变带来的影响，提高了抵御海上运输疲劳载荷的能力。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种带火炬臂的海上平台上部组块，包括上部组块和固定连接在所述上部组块的一侧的火炬臂；其特征在于：所述火炬臂与所述上部组块连接的一端设置有过渡段，所述过渡段采用横截面逐渐增大的梯形桁架结构且横截面最大处为与所述上部组块的连接部位。

2.如权利要求1所述的带火炬臂的海上平台上部组块，其特征在于：所述过渡段与所述上部组块的连接部位处的所述火炬臂宽度为所述上部组块宽度的50％。

3.如权利要求1所述的带火炬臂的海上平台上部组块，其特征在于：所述火炬臂与所述上部组块之间采用四点式连接方式，在所述火炬臂的过渡段的连接端设置有挂鼻，在所述上部组块的连接侧设置与挂鼻相配合的挂钩。

4.一种带火炬臂的海上平台上部组块的拖航疲劳损伤计算方法，包括以下步骤：

1)在水动力分析软件中建立驳船带上部组块及火炬臂整体的有限元模型，根据拖航运输的海况条件和拖航时间对拖航工况进行详细划分，拟定拖航航速，针对每个拖航工况对驳船进行频域分析，计算得到上部组块带火炬臂整体结构中心位置处的幅值响应算子RAO；

2)在海洋工程结构分析软件中建立上部组块带火炬臂整体的有限元模型，采用软件中自带的拖航疲劳分析计算模块，输入水动力计算结果-RAO值、拖航海域波浪散布图、疲劳计算所需参量，对组块进行拖航工况下的谱疲劳计算，得到火炬臂各节点的疲劳损伤。

5.如权利要求4所述的带火炬臂的海上平台上部组块的拖航疲劳损伤计算方法，其特征在于：所述步骤1)中所采用的水力分析软件为Moses。

6.如权利要求4所述的带火炬臂的海上平台上部组块的拖航疲劳损伤计算方法，其特征在于：所述步骤2)中所采用的海洋工程结构分析软件为SACS。