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深水鉆并船是目前國際先進(jìn)的海洋石油勘探、鉆并裝置，適合在世界不同海域、不同海洋環(huán)境條件下連續(xù)勘探鉆并作業(yè)。鉆并船具有移動(dòng)性好、航速高、調(diào)遣快速、水線面面積大，可變載荷大，船上重量變化對吃水影響較小、海上自存能力強(qiáng)、工作水深大等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的鉆井船通常存在受風(fēng)浪影響大、運(yùn)動(dòng)敏感，穩(wěn)性稍差，適合在環(huán)境條件相對溫和的海域進(jìn)行鉆并作業(yè)的缺點(diǎn)。
自上世紀(jì)五十年代世界上首艘鉆并船問世以來，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。目前世界上在建、改裝和作業(yè)的鉆并船共有151艘，其中在建69艘，多屬于新一代鉆并船。新一代鉆并船的最大工作水深超過3000m，最大鉆探深度超過10000m，均配備DP3級動(dòng)力定位系統(tǒng)。在海況適應(yīng)性方面，雖然鉆并船較半潛式鉆并平臺(tái)差，但經(jīng)過多年的發(fā)展，目前的鉆并船也已經(jīng)能夠適應(yīng)比較惡劣的海況。未來鉆并船在作業(yè)水深、鉆探深度、有效載荷、適應(yīng)性等方面還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。2010年，中遠(yuǎn)船務(wù)承接了世界上在建最大的深水鉆并船“大連開拓者號(hào)”的設(shè)計(jì)建造。“大連開拓者號(hào)”深水鉆并船上部模塊主要包括鉆并模塊、泥漿處理模塊、立管存放模塊、動(dòng)力模塊、生活模塊等。文章將以立管存放模塊為例，著重闡述該類模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析方法，為深水鉆并船上部模塊的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
立管存放模塊是“大連開拓者號(hào)”深水鉆并船模塊之一，位于公用模塊和動(dòng)力模塊之間。該模塊長50m、寬29m、高9.25m，分為四層，各層距離基線的高度分別為31.2m, 35.1m, 39.1m, 45.515m，為析架結(jié)構(gòu)，由布置在主甲板上的24個(gè)底座支撐。模塊的主要承重結(jié)構(gòu)為工字梁，斜撐為管材結(jié)構(gòu)。
文章以深水鉆井船立管存放模塊為研究對象，對正常作業(yè)、海上拖航、風(fēng)暴自存工況下的模塊的主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，載荷的組合工況的確定主要依據(jù)DNV海工標(biāo)準(zhǔn)，采用AISC(美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì))許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法，完成模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)范校核工作。在對立管存放模塊進(jìn)行強(qiáng)度分析中，需要考慮如下載荷的作用：結(jié)構(gòu)自重、甲板可變載荷、風(fēng)載荷、冰載荷、由中拱中垂引起的船體變形、由船舶運(yùn)動(dòng)引起的慣性力以及其他受力等。下面將對各基本載荷進(jìn)行逐一說明。1)結(jié)構(gòu)自重。為了使模型重量與模塊的實(shí)際重量保持一致，并保證載荷傳遞的準(zhǔn)確性，在建模過程中，次要構(gòu)件和板材也將在計(jì)算模型中加以考慮，結(jié)構(gòu)自重通過GeniE軟件直接加載，并注意調(diào)整模型重量重心以確保與重量控制報(bào)告數(shù)據(jù)相一致。2)設(shè)備重量。設(shè)備重量包括機(jī)械設(shè)備重量、管系重量、電氣重量、儀表重量、立管重量、其他雜項(xiàng)重量等，加載過程中按照布置圖中規(guī)定的位置放置設(shè)備和立管，設(shè)備的重量重心按照設(shè)備供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)予以加載。3)甲板可變載荷。甲板可變載荷并不是永久作用在模塊結(jié)構(gòu)上，出于結(jié)構(gòu)的安全考慮，需要加以引入。所有的可變載荷將以設(shè)備的形式在計(jì)算模型中存在，以便可以考慮由鉆并船運(yùn)動(dòng)而引起的慣性力作用。甲板可變載荷的組成成分很多，他們并不是同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上，因此加載時(shí)需要引入必要的折減系數(shù)。4)冰載荷。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，取值為0.09kN/m2。為了考慮鉆并船運(yùn)動(dòng)所引起的慣性力的影響作用，對模型加載過程中，冰載荷將以設(shè)備的形式加以考慮。5)風(fēng)載荷。以海平面上方10m處的每小時(shí)平均風(fēng)速為基準(zhǔn)計(jì)算不同高度上的模塊結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)壓，計(jì)算中需考慮到作業(yè)工況、自存工況、拖航工況下的風(fēng)壓變化。加載時(shí)，根據(jù)投影面積的大小，將風(fēng)壓對結(jié)構(gòu)的作用合力以線載荷的方式均布到各層的支撐結(jié)構(gòu)上。6)慣性力。根據(jù)船舶不同工況下的整體的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，得到設(shè)計(jì)位置的運(yùn)動(dòng)加速度，進(jìn)而得到作用在模塊結(jié)構(gòu)上的慣性力。7)甲板變形。由于立管存放模塊的分析與主船體的強(qiáng)度分析分開進(jìn)行，因此在對模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)需要對由總縱彎矩作用引起的船體變形量加以考慮。
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