極端海洋環(huán)境對海洋平臺疲勞壽命的影響

黃維平，劉 超

(中國海洋大學(xué)山東省海洋工程重點試驗室，山東青島 266100)

極端海洋環(huán)境對海洋平臺疲勞壽命的影響

黃維平，劉 超

(中國海洋大學(xué)山東省海洋工程重點試驗室，山東青島 266100)

基于渤海和南海的海洋平臺設(shè)計環(huán)境條件，分析了近年來我國近海極端海洋環(huán)境條件的發(fā)生規(guī)律及其對海洋平臺疲勞設(shè)計條件的沖擊。采用Miner’s線性累積疲勞損傷準(zhǔn)則和疲勞可靠性理論，研究了極端海況引起的疲勞損傷對海洋平臺疲勞壽命的影響，提出了考慮極端海洋環(huán)境條件的海洋平臺疲勞設(shè)計方法。研究表明，由于近年來全球氣候變換帶來的極端氣象條件頻發(fā)，導(dǎo)致海洋工程結(jié)構(gòu)經(jīng)歷傳統(tǒng)意義上的多年一遇海洋環(huán)境條件的概率大大增加，使得現(xiàn)行的海洋平臺疲勞設(shè)計條件偏離了實際的海洋環(huán)境條件。數(shù)值算例表明，極端海況引起的疲勞損傷在總的疲勞損傷的比例大大增加，甚至成為疲勞損傷的主要部分。因此，這些極端海況引起的疲勞損傷對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響不容忽略，考慮極端海洋環(huán)境條件的海洋平臺疲勞設(shè)計符合近年來的災(zāi)害性海況頻發(fā)的現(xiàn)狀。

海洋平臺;疲勞損傷;疲勞壽命;疲勞設(shè)計;極端海況

近年來，全球災(zāi)害性氣象條件頻發(fā)，傳統(tǒng)意義上的多年一遇極端環(huán)境條件發(fā)生頻度劇增，地震、海嘯、山體滑坡和泥石流等具有毀滅性的自然災(zāi)害對人類和世界經(jīng)濟造成了巨大的損失。據(jù)國家海洋局的統(tǒng)計，自1989年以來的22年間，我國有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的海洋災(zāi)害直接經(jīng)濟損失每年達數(shù)十～數(shù)百億元［1］。這些海洋災(zāi)害性環(huán)境條件中，海浪和海冰對海洋平臺的安全造成嚴(yán)重的威脅。統(tǒng)計資料顯示，我國4 m以上的災(zāi)害性海浪平均每年發(fā)生的天數(shù)為:渤海26天、東海123天、南海169天［2］。其發(fā)生概率遠遠超過了相應(yīng)海域的疲勞設(shè)計條件(波浪散斑圖)，它的直接影響是降低了海洋平臺實際的疲勞設(shè)計安全系數(shù)。因此，降低了海洋平臺的疲勞可靠性，應(yīng)該引起業(yè)界的高度重視。

在新的設(shè)計環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)尚未形成之時，為了確保海洋平臺的安全服役，在進行海洋平臺設(shè)計和評估時，應(yīng)充分考慮極端環(huán)境條件變化對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響?；诓澈：湍虾，F(xiàn)行的海洋平臺設(shè)計環(huán)境條件，基于近年來的海洋環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了災(zāi)害性海況頻發(fā)對海洋平臺疲勞設(shè)計條件的影響。采用Miner＇s線性累計損傷準(zhǔn)則，研究了極端環(huán)境條件引起的疲勞損傷對海洋平臺設(shè)計疲勞壽命的影響，提出了考慮極端環(huán)境條件的海洋平臺疲勞設(shè)計方法。

1 極端環(huán)境條件的變化

1.1 渤海極端海況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)

據(jù)國家海洋局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，渤海每年出現(xiàn)4 m(有效波高)以上災(zāi)害性海浪的天數(shù)平均為26天，其最大波高可達8 m。圖1給出了1989年～2008年間，有數(shù)據(jù)年份的年度波高趨勢。其中，有12個年份的最大波高達到了4 m，9個年份的最大波高達到了5 m，5個年份的最大波高達到了6 m，2007年發(fā)生了波高為8 m的狂濤。

現(xiàn)行的設(shè)計環(huán)境條件中，渤中某油田所在海域的50年一遇有效波高為4.4 m，100年一遇為4.6 m，且設(shè)計波浪散斑圖中，大于4 m有效波高的發(fā)生概率為零;錦州一油田所在海域的50年一遇有效波高為3.4 m，100年一遇為3.6 m，波浪散斑圖中，大于4.0 m有效波高的發(fā)生概率為零;另一錦州油田所在海域的50年一遇有效波高為4.7 m，100年一遇為5.1 m;南堡某油田所在海域的50年一遇有效波高為3.3 m，100年一遇為3.5 m。

上述數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的50年一遇或100年一遇的波浪幾乎每年都會發(fā)生，且發(fā)生概率遠遠大于疲勞設(shè)計所采用的疲勞散斑圖標(biāo)準(zhǔn)。如果僅僅按照波浪散斑圖進行疲勞設(shè)計，那么，極端海況引起的疲勞損傷就會被忽略，從而降低了海洋平臺實際的疲勞安全系數(shù)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞可靠性降低。

1.2 南海極端海況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)

據(jù)國家海洋局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，南海每年出現(xiàn)4 m(有效波高)以上災(zāi)害性海浪的天數(shù)平均為169天，其最大波高可達14 m。圖2給出了1989年～2010年的災(zāi)害性海浪年度波高趨勢。其中，有12個年份的浪高大于8 m，占19個有數(shù)據(jù)年份的63%;最大波高大于9 m的年份有9個，占47%;大于12 m的有5個，占26%。1989年有3次臺風(fēng)(“8908”、“8925”和“8929”)過程形成了8 m以上的狂浪，其中“8908”號臺風(fēng)浪的最大波高達10 m，持續(xù)時間長達5天。1995年～1998年連續(xù)發(fā)生了6次波高大于8 m的狂浪或狂濤，其中，1995年和1996年連續(xù)兩年的最大波高為12 m。2003年～2008年連續(xù)發(fā)生了18次波高大于8 m的狂浪或狂濤，其中，波高大于9 m的狂濤12次，大于12 m的4次，2006年發(fā)生的3次12 m狂濤一共持續(xù)了17天。

圖1 渤海災(zāi)害海浪波高年度趨勢Fig.1 Happening trends of extreme wave in Bohai sea

圖2 南海災(zāi)害海浪波高年度趨勢Fig.2 Happening trends of extreme wave in South China Sea

現(xiàn)行的設(shè)計環(huán)境條件中，潿州某油田所在海域的50年一遇有效波高為8.2 m，100年一遇為8.8 m，且設(shè)計波浪散斑圖中，大于4 m的發(fā)生概率僅為0.012%，大于5 m有效波高的發(fā)生概率為零;某深水油氣田所在海域的50年一遇有效波高為12 m，100年一遇為13 m，波浪散斑圖中，大于4 m的發(fā)生概率為7.08%，大于9 m有效波高的發(fā)生概率為零。這表明，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的50年或100年一遇波浪已經(jīng)頻繁發(fā)生，其發(fā)生概率已遠遠超過了波浪散斑圖的標(biāo)準(zhǔn)。因此，由此引起的疲勞損傷不應(yīng)被忽略。

由此看來，不論是渤海還是南海，由于氣候變化而導(dǎo)致的極端海況頻發(fā)已經(jīng)改變了疲勞設(shè)計的環(huán)境條件。因此，海洋平臺的疲勞設(shè)計及壽命預(yù)測必須考慮氣候變化對海洋平臺環(huán)境荷載的影響。

2 極端環(huán)境條件的特點

2.1 發(fā)生頻度高

極端荷載是指發(fā)生概率較小、但強度極大的環(huán)境荷載，通常這樣的荷載不出現(xiàn)在波浪散斑圖中，如50年一遇或100年一遇的浪流荷載。由于海洋平臺的設(shè)計壽命一般為20年，因此，按照極端荷載的定義，服役期內(nèi)極端荷載可能不會發(fā)生，即便發(fā)生，由于其發(fā)生概率與常年荷載相比非常小，它所引起的疲勞損傷對結(jié)構(gòu)的疲勞損傷貢獻較小，可以忽略。因此，現(xiàn)有的海洋平臺疲勞壽命計算不考慮這樣的“偶發(fā)”性荷載引起的疲勞損傷對疲勞壽命的影響。但是，海洋環(huán)境統(tǒng)計資料表明，近二十年來極端荷載的發(fā)生概率大大增加。南海1991～1996年每年的臺風(fēng)浪或冷空氣浪的發(fā)生次數(shù)僅為3～4次，而2006～2010年的五年間，每年發(fā)生臺風(fēng)浪或冷空氣浪的次數(shù)達到了7～9次，最高多達15次［3］。東海1992年～2003年每年的臺風(fēng)浪或冷空氣浪的發(fā)生次數(shù)僅為1～2次，而2004年～2010年每年的大風(fēng)浪或臺風(fēng)浪的發(fā)生次數(shù)達到了5～7次，最高多達13次。

圖3和圖4分別給出了南海和東海1989～2010年的22年間，大風(fēng)浪和臺風(fēng)浪發(fā)生頻度的變化趨勢。從圖中可以明顯地看出，近年來我國南海和東海的大風(fēng)浪或臺風(fēng)浪發(fā)生頻度大幅度增加。

圖3 南海臺風(fēng)浪發(fā)生次數(shù)年度趨勢Fig.3 The trend of annual typhoon waves in South China Sea

圖4 東海臺風(fēng)浪發(fā)生次數(shù)年度趨勢Fig.4 The trend of annual typhoon waves in East China Sea

2.2 持續(xù)時間長

災(zāi)害性海浪持續(xù)時間長是極端環(huán)境條件變化的另一個特點:2003年，臺風(fēng)“伊布都”造成4 m以上的巨浪達6天［4］。2004年8月21～26日，受臺風(fēng)“艾利”的影響，南海和東海均發(fā)生4～10 m的臺風(fēng)浪，持續(xù)時間長達6天［5］。2005年9月8～12日受臺風(fēng)“卡努”的影響，東海發(fā)生了8～12 m波高的臺風(fēng)浪;9月23～27日，臺風(fēng)“達維”在南海掀起了6～10 m的臺風(fēng)浪。兩次臺風(fēng)浪均持續(xù)了5天［6］。2006年5月13～18日和10月29～11月4日，受臺風(fēng)“珍珠”和“西馬侖”的影響，南海中部和北部形成了12m的臺風(fēng)浪，持續(xù)時間分別為6天和7天［7］。2007年8月3～9日的“0706”號和10月2～8日的“羅莎”臺風(fēng)分別在南海和東海形成了4～5 m和7～8 m臺風(fēng)浪，臺風(fēng)浪持續(xù)了7天。國家海洋局9號浮標(biāo)測到的臺風(fēng)“萬宜”、“韋帕”和“百合”形成的臺風(fēng)浪波高分別為8.1、9.5和6.2m，總的持續(xù)時間達到了7天;18號浮標(biāo)測到的臺風(fēng)“圣帕”、“韋帕”和“0303”強溫帶氣旋形成的海浪最大波高分別為7.6、12.1和7.5 m，總的持續(xù)時間達到了9天［8］。2008年1月11～19日的“080111”和11月6～14日的“080106”兩次冷空氣浪影響了全國11個沿海省的所有海域，災(zāi)害性海浪過程均持續(xù)了9天［3］。2009年1月4～12日和10月29～11月5日的兩次冷空氣浪過程分別影響了南海、渤海和東海，災(zāi)害性海浪過程分別持續(xù)了9天和8天［9］。2010年10月2～10日的冷空氣浪影響了南海海域，災(zāi)害性海浪過程持續(xù)了9天［1］。圖5給出了災(zāi)害性海浪持續(xù)時間的變化趨勢。

3 考慮極端海況的疲勞設(shè)計

現(xiàn)行的海洋平臺設(shè)計方法中，疲勞設(shè)計的依據(jù)是疲勞散斑圖，即不同波高、不同波向的波浪每年的發(fā)生概率。因此，多年一遇荷載通常不出現(xiàn)在波浪散斑圖中。如渤海某油田所在海域的50年一遇波高為4.4 m，波浪散斑圖中大于4 m波高的發(fā)生概率為零。而近二十年來，渤海所有海域平均每年發(fā)生4 m以上巨浪26天，一次巨浪過程持續(xù)時間最長的達9天，其發(fā)生概率達2.5%。由此看來，現(xiàn)行設(shè)計條件中的多年一遇海況引起的疲勞損傷應(yīng)該累積到總的疲勞損傷中。

根據(jù)上述分析，基于Miner＇s現(xiàn)行累積損傷準(zhǔn)則提出了考慮極端環(huán)境荷載的疲勞設(shè)計方法:

式中:Da、Tf和fa分別為依據(jù)波浪散斑圖或長期荷載計算得到的疲勞損傷率(1/年)、海洋平臺設(shè)計壽命(年)和長期荷載的疲勞設(shè)計安全系數(shù);Di、Ti和fi分別為基于第i個極端海況計算得到的疲勞損傷率(1/天)、第i個極端海況的持續(xù)時間(天)和極端海況的設(shè)計疲勞安全系數(shù)。

Miner提出線性累積損傷理論時就已經(jīng)注意到，結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞時的累積損傷度并不準(zhǔn)確地等于1，他的兩次試驗結(jié)果分別為0.61≤Δ≤1.45和0.7≤Δ≤2.2［10］。因此，如果考慮結(jié)構(gòu)疲勞破壞時累積損傷度的不確定性或變異性，即D=Δ≠1，則式(1)可表示為:

圖5 災(zāi)害性海浪持續(xù)時間年度趨勢Fig.5 The trend of extreme wave＇s duration in one time

式中:Δ為一隨機變量，海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算時，可設(shè)Δ為對數(shù)正態(tài)分布隨即變量，并取中值和變異系數(shù)分別為 1.0 和 0.30［10］。

由式(1)可得海洋平臺的設(shè)計疲勞壽命為:

式中:Tf為海洋平臺的設(shè)計疲勞壽命(年)。

式(1)的極端海況可根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分為若干個不同的等級，包括海冰等極端海洋環(huán)境。因此，式中的疲勞設(shè)計安全系數(shù)可以是相同的，也可以是不同的。如果按照荷載抗力系數(shù)法(LRFD)，不同的荷載具有不同的設(shè)計荷載系數(shù)，即考慮不同荷載的不確定性差異。因此，不同的荷載應(yīng)采用不同的設(shè)計疲勞安全系數(shù)。而按照工作應(yīng)力法(WSD)，則所有荷載具有相同的設(shè)計荷載系數(shù)，因此，不同荷載可采用相同的安全系數(shù)。這樣，式(1)可表示為:

式中:η為疲勞利用系數(shù)，η=1/f。

4 數(shù)值算例

4.1 計算模型及參數(shù)

渤海某導(dǎo)管架平臺的設(shè)計水深6.4 m，50年一遇設(shè)計高水位的最大波高為4.39 m，100年一遇為4.59 m。該平臺的上部組塊共有5層甲板，其中下面三層為主作業(yè)甲板。圖6為該平臺的ANSYS模型，其中，樁土相互作用采用泥線下8倍樁徑來模擬，上部甲板的工字梁用Beam188單元模擬，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)位于泥面以上的部分用Pipe59單元模擬，位于泥面以下的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)以及樁腿結(jié)構(gòu)用Pipe16單元模擬，甲板上部的設(shè)備重量用Mass21集中質(zhì)量單元模擬。

疲勞損傷采用熱點應(yīng)力計算，熱點應(yīng)力的確定可以通過有限元方法或參數(shù)公式法，國內(nèi)外的學(xué)者采用上述方法對各種類型管節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)進行了比較詳實的研究［11-14］。ANSYS軟件提供的實體單元可有效地模擬主管與支管的連接處的截面形狀，但是由于這些單元在模擬波浪力等方面有所欠缺以及管節(jié)點附近單元細(xì)化引起的計算量的增加，而SACS軟件雖然提供了KAW，DNV等方法用于計算應(yīng)力集中系數(shù)對管節(jié)點疲勞壽命的影響，但是對于一些特殊管節(jié)點，其結(jié)果與實際情況不符［14］。因此，在確定熱點應(yīng)力時采用參數(shù)公式法［15］，即先通過ANSYS軟件計算出構(gòu)件的名義應(yīng)力，然后根據(jù)參數(shù)公式，確定某管節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)，由名義應(yīng)力與應(yīng)力集中系數(shù)相乘得出管節(jié)點附近的熱點應(yīng)力。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)采用雨流計數(shù)法計算，疲勞損傷率采用Miner＇s線性累積損傷準(zhǔn)則計算，其中的S-N曲線選用API RP 2A推薦的X曲線，隨機變量的中值取1。

4.2 計算結(jié)果及分析

圖7給出了節(jié)點1和節(jié)點2(見圖6)的疲勞損傷中長期海況和極端海況引起的疲勞損傷所占比例。從圖中可以看出，50年一遇波浪荷載引起的疲勞損傷在浪致疲勞損傷中所占比例，節(jié)點1為12%;節(jié)點2為17%。

圖8給出了極端海況對導(dǎo)管架管節(jié)點的疲勞損傷率及疲勞壽命的影響，分析可知，考慮極端荷載后，節(jié)點1的疲勞損傷率和疲勞壽命分別增大了10.5%和降低了10.2%;節(jié)點2分別增大了27.4%和降低了17.6%。

圖6 平臺有限元模型Fig.6 Model of platform

圖7 極端海況引起的疲勞損傷比例Fig.7 The proportion of the fatigue damages induced by extreme sea states

圖8 極端海況對疲勞損傷/疲勞壽命的影響Fig.8 The effects of the fatigue damages induced by extreme sea states on the fatigue life

上述1年一遇波浪的疲勞損傷是按年發(fā)生概率為1計算的，如果按波浪散斑圖計算，則50年一遇波浪引起的疲勞損傷所占比例還將增大。由此可見，極端海況引起的疲勞損傷是不容忽視的。

5 結(jié)語

近年來，由于全球氣候變暖，自然災(zāi)害頻發(fā)，傳統(tǒng)意義上的極端海況發(fā)生頻率大大增加。分析了近20年的海洋災(zāi)害數(shù)據(jù)，得到了極端海浪(50年一遇或100年一遇)的發(fā)生頻度和持續(xù)時間變化趨勢，并與渤海和南海幾個海域的現(xiàn)行疲勞設(shè)計用波浪散斑圖進行了比較。結(jié)果表明，高于波浪散斑圖的50年一遇或100年一遇極端海浪近10年來幾乎每年都會發(fā)生，甚至一年發(fā)生數(shù)次，且持續(xù)時間較長。而目前的海洋平臺疲勞設(shè)計仍沿用傳統(tǒng)的波浪散斑圖，這將導(dǎo)致海洋平臺的結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計安全系數(shù)降低。因此，使結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計偏于不安全。通過對渤海某平臺的疲勞分析，定量地研究了50年一遇海浪對海洋平臺疲勞損傷的影響，證明了極端海況引起的海洋平臺結(jié)構(gòu)疲勞損傷在結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷中占有較大的比例。提出了考慮極端環(huán)境荷載的海洋平臺結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法，并建議在未來的研究和工程中開展更深入地研究，為海洋平臺疲勞設(shè)計提供依據(jù)和參考。

［1］國家海洋局.2010年中國海洋災(zāi)害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2011-04-22.

［2］國家海洋局.1998年中國海洋災(zāi)害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，1998-11-26.

［3］國家海洋局.2008年中國海洋災(zāi)害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2009-03-12.

［4］國家海洋局.2003年中國海洋災(zāi)害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2004-01-26.

［5］國家海洋局.2004年中國海洋災(zāi)害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2005-01-26.

［6］國家海洋局.2005年中國海洋災(zāi)害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2005-09-26.

［7］國家海洋局.2006年中國海洋災(zāi)害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2006-11-26.

［8］國家海洋局.2007年中國海洋災(zāi)害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2008-01-03.

［9］國家海洋局.2009年中國海洋災(zāi)害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2010-03-05.

［10］胡毓仁，李典慶，陳伯真.船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.

［11］陳團國，陳國明.T型焊接管節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)數(shù)值分析［J］.焊接學(xué)報，2010，31(11):45-48.

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Study on the method of the fatigue design of offshore platforms considering extreme sea states

HUANG Wei-ping，LIU Chao
(Shandong Key Laboratory of Offshore Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

Based on the design data for the offshore platforms to serve in Bohai bay and South China Sea，the trends of extreme sea states in China offshore and its impact on the fatigue design conditions of offshore platforms have been analyzed.The effect of the fatigue damage induced by extreme sea states on the fatigue life of offshore platforms has been studied based on the Miner’s linear cumulation rule of fatigue damage and the theory of fatigue reliability.The results show that the probability of offshore platforms experiencing years-return sea states has risen largely because the extreme weather happens frequently due to the global warming and it makes the current conditions for the fatigue design of offshore platforms less reasonable.The numerical example shows that the proportion of the fatigue damages induced by extreme sea states to total fatigue damages rises sharply with the extreme sea states happening frequently，even being main fatigue damage.Therefore，the effect of the fatigue damages induced by extreme sea states on the fatigue life of offshore platforms should not be neglected.The fatigue design of offshore platforms considering extreme sea states is in accordance with the changing trend of environmental conditions in recent years.

offshore platform;fatigue damage;fatigue life;fatigue design;extreme sea state

P751

A

1005-9865(2012)03-0125-06

2011-10-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51079136;51179179)

黃維平(1954-)，男，浙江人，教授，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)。E-mail:wphuang@ouc.edu.cn