基于S-N曲線的深水半潛平臺疲勞壽命分析

李增華，李良碧2,,陳明璐，嵇春艷,張 健

（1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于S-N曲線的深水半潛平臺疲勞壽命分析

李增華1，李良碧2,1,陳明璐1，嵇春艷1,張 健1

（1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

深水半潛平臺工作環(huán)境惡劣，造價(jià)成本高，為保證安全工作,有必要對其進(jìn)行疲勞壽命分析。首先利用SESAM軟件建立目標(biāo)平臺整體模型并分析總體結(jié)構(gòu)響應(yīng)。然后根據(jù)平臺總體結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，選取立柱與橫撐連接處、立柱外板與上甲板連接處兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，建立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元模型，計(jì)算其熱點(diǎn)應(yīng)力。最后采用S-N曲線分析該平臺在中國南海環(huán)境條件下的疲勞壽命。分析結(jié)果顯示該平臺疲勞壽命符合規(guī)范要求，但立柱與橫撐連接處的疲勞壽命偏低，應(yīng)加強(qiáng)日常檢修和維護(hù)。

S-N曲線；深水半潛平臺；疲勞壽命；有限元

隨著人類社會對能源的需求越來越大，石油開發(fā)由淺海逐漸向深水海域發(fā)展，深海半潛式平臺逐漸成為海洋平臺的主導(dǎo)品種。作為海上石油資源開發(fā)的大型基礎(chǔ)性設(shè)施，海洋平臺是海上生產(chǎn)和生活的基地，其所處的環(huán)境極其復(fù)雜、惡劣。并且平臺結(jié)構(gòu)在海洋中長期承受著風(fēng)、浪、流、冰及地震等多種環(huán)境因素的干擾，在長期惡劣環(huán)境和工作載荷影響下，交變應(yīng)力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷。并且在疲勞載荷的不斷作用下，破壞范圍會迅速擴(kuò)展，可能很快導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞失效[1-4]。因此，為保證深水平臺結(jié)構(gòu)的安全，對平臺進(jìn)行疲勞壽命的研究是一項(xiàng)非常必要的工作。

目前海洋工程界應(yīng)用疲勞分析法有S-N曲線、斷裂力學(xué)法和疲勞可靠性分析方法。S-N曲線法做為傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度分析方法，已經(jīng)相當(dāng)成熟。S-N曲線較為成熟的分析方法包括簡化分析方法，譜分析方法和確定性方法。Alexia Aubault[5]基于S-N曲線對某三立柱沉箱半潛式平臺進(jìn)行了疲勞壽命分析。謝文會[2]基于S-N曲線利用譜分析方法對某半潛式平臺做了疲勞壽命分析。簡化分析方法只是作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段用于篩選可能發(fā)生疲勞破壞危險(xiǎn)點(diǎn)的快速疲勞分析手段。對于譜分析方法，目前只能采取直接計(jì)算結(jié)構(gòu)在系列波作用下的應(yīng)力響應(yīng)得到節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)譜，工作量較大。確定性方法的基本思想是將波浪散布圖中的每一個(gè)短期海況用確定性的波高和波頻描述的規(guī)則波表示，確定性波浪條件下的波浪載荷作為疲勞載荷；而確定性方法計(jì)算較簡單。這種方法被認(rèn)為是譜分析方法的簡化方法。

所以，本文基于S-N曲線，利用海洋工程疲勞分析中的確定性方法分析深水半潛式平臺的疲勞壽命。

1 疲勞分析方法

本文對深水半潛式平臺疲勞壽命的評估主要參考美國船級社（ABS）的《近海結(jié)構(gòu)物疲勞評估規(guī)范》[6]。

1.1 熱點(diǎn)應(yīng)力定義

熱點(diǎn)指結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生疲勞破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)，熱點(diǎn)應(yīng)力指結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)截面危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力，是通過局部結(jié)構(gòu)精細(xì)有限元模型的有限元分析得到，有限元模型在疲勞熱點(diǎn)部位的有限元?jiǎng)澐殖叽缃咏黷×t（t為局部結(jié)構(gòu)板的厚度）。根據(jù)距離疲勞熱點(diǎn)部位t/2和3t/2處的參考應(yīng)力并使用外推法得到疲勞點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力，如圖1所示。圖中Snotch表示缺口應(yīng)力；Shot表示熱點(diǎn)應(yīng)力；Shot-t/2表示t/2處參考應(yīng)力；Shot-3t/2表示3t/2處參考應(yīng)力；Snom表示名義應(yīng)力。

圖1 外推法計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力[6]

1.2 基于S-N曲線的線性累積損傷方法

結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的疲勞損傷是一個(gè)累積的過程。通常認(rèn)為交變應(yīng)力的每一個(gè)循環(huán)都將造成一定的疲勞損傷，從而消耗掉一定量的結(jié)構(gòu)壽命。在結(jié)構(gòu)的使用期T內(nèi)，若設(shè)應(yīng)力范圍水平共有 k 級，求出交變應(yīng)力 σ1，σ2，σ3，…，σk，相應(yīng)的作用次數(shù)為 n1，n2，n3，…，nk，在 S-N 疲勞設(shè)計(jì)曲線中根據(jù)求出的交變應(yīng)力確定引起疲勞的相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，分別為N1，N2，N3，…，Nk，于是載荷單獨(dú)作用時(shí)對疲勞壽命的損傷程度將分別為 n1/N1，n2/N2，n3/N3，…，nk/Nk，線性累積損傷方法認(rèn)為各種交變載荷作用過程中構(gòu)件的損傷程度可以疊加。故總的累積疲勞損傷為：

式中：D為結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞時(shí)的總損傷量；Dj為在第j級應(yīng)力范圍σi的損傷分量。

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)有：

式中：Di為各工況的疲勞損傷度；Pi為各工況出現(xiàn)概率。

根據(jù)每種荷載工況下熱點(diǎn)應(yīng)力幅值和1 a中各個(gè)工況所占的比例，算出各應(yīng)力幅值對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；根據(jù)S-N曲線，對所有的工況進(jìn)行疲勞計(jì)算；最后將各疲勞工況下的損傷相累加，得到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命或損傷程度。熱點(diǎn)處1 a內(nèi)在各種工況作用下的疲勞損傷期望值為，再根據(jù)式（4）估算出平臺熱點(diǎn)處的疲勞壽命[7]。

2 深水半潛平臺疲勞壽命分析

2.1 平臺總體有限元模型建立

本文進(jìn)行疲勞壽命分析的平臺是一雙下浮體、四立柱、每兩根立柱之間具有兩根水平橫向撐桿的深水半潛式平臺。該平臺長為114 m,寬為74.4 m，型深38.6 m，設(shè)計(jì)作業(yè)水深3 000 m。

有限元模型由板單元、梁單元及質(zhì)量元組成，包括平臺主要結(jié)構(gòu)，艙壁及梁等主要構(gòu)件。圖2和圖3為該平臺的有限元模型。

2.2 平臺疲勞載荷分析

半潛式平臺受到的水動力載荷主要有3種：拖曳力、慣性力和衍射力，在平臺的生命周期中，風(fēng)暴自存狀態(tài)的時(shí)間極短，所以在進(jìn)行疲勞分析時(shí)，取工作狀態(tài)的環(huán)境條件。由于平均應(yīng)力相對較小，對疲勞損傷的影響可以忽略。在半潛式海洋平臺受到的各種環(huán)境載荷中，只有波浪載荷會產(chǎn)生明顯的循環(huán)應(yīng)力，其它載荷產(chǎn)生的應(yīng)力在疲勞分析中暫不考慮[3]。設(shè)目標(biāo)平臺服役海域?yàn)橹袊虾：Ｓ颍鶕?jù)長期統(tǒng)計(jì)資料，此海域波高0～4 m,周期5～10 s的波浪出現(xiàn)的概率較高，約為89%。波高5～9 m，周期5～10 s的波浪出現(xiàn)的概率較小，約為4.5%。波高10 m以上的波浪出現(xiàn)的概率極小。

圖2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一位置

圖3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二位置

本文首先采用SESAM/Genie建立目標(biāo)平臺水動力計(jì)算模型，利用WADAM分析在各波浪工況下遭受的水動力載荷和慣性力，并進(jìn)行水動力分析。根據(jù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[2]，橫浪會對平臺造成較大的疲勞損傷，所以本文疲勞計(jì)算的浪向確定在90°。圖2為目標(biāo)平臺總體模型受到的水動力載荷示意圖。然后利用SESAM/Sestra計(jì)算平臺結(jié)構(gòu)的總體響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果顯示，在各波浪工況下，平臺總體應(yīng)力分布均勻，但也存在一些高應(yīng)力區(qū)域?，F(xiàn)將其應(yīng)力較大的位置列在表1中。

表1 平臺總體高應(yīng)力區(qū)域位置

2.3 疲勞熱點(diǎn)部位選取

由平臺總體強(qiáng)度分析結(jié)果可知,立柱與橫撐連接處、立柱外殼與甲板連接處都是應(yīng)力較大的區(qū)域，而且是平臺關(guān)鍵的連接部位，很容易產(chǎn)生疲勞損傷，所以將其兩部位做為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其疲勞壽命。位置如圖2和圖3所示。

2.4 建立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元模型及熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下,建立總體模型時(shí)，一般將結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，如對弱構(gòu)件（如小的縱骨）作為相當(dāng)厚度計(jì)及到板厚中。因此，在建立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的有限元模型時(shí)，必須建立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)精細(xì)的局部有限元模型進(jìn)行分析。在整體建模時(shí)簡化的縱骨，本文采用梁單元來模擬，增加肘板等。根據(jù)ABS《近海結(jié)構(gòu)物疲勞評估規(guī)范》[6]，采用本文1.1節(jié)介紹的有限元?jiǎng)澐址椒?。圖4和圖5為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二的有限元模型，圖4（b）和圖5（b）分別為疲勞熱點(diǎn)部位的網(wǎng)格劃分。

將平臺整體有限元分析中的位移值做為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)局部模型有限元分析的邊界條件。因此關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)局部模型邊界處的網(wǎng)格應(yīng)與整體模型相同部位的網(wǎng)格保持一致，以確保其邊界處的節(jié)點(diǎn)相一致。

在不同工況條件下對平臺進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元應(yīng)力計(jì)算。表2和表3為平臺關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果。其中波高1.5 m,周期為6 s（工況二）的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布如圖6和圖7所示。由工況二的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一的高應(yīng)力區(qū)位于橫撐兩側(cè)與立柱連接處的焊接部位，也就是結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二的高應(yīng)力區(qū)位于立柱與上甲板連接兩側(cè)折角處的焊接部位。高應(yīng)力區(qū)也即有可能產(chǎn)生疲勞破壞的地方。圖8標(biāo)注了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一的6個(gè)疲勞熱點(diǎn)的大致位置，圖9標(biāo)注了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二的6個(gè)疲勞熱點(diǎn)的大致位置。

圖4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一有限元模型

圖5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二有限元模型

圖6 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一工況二應(yīng)力云圖

圖7 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二工況二應(yīng)力云圖

圖8 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一疲勞熱點(diǎn)分布圖

圖9 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二疲勞熱點(diǎn)分布圖

表2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一的熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果/Pa

表3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二的熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果/Pa

從表2和表3可以看出，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一的熱點(diǎn)應(yīng)力普遍高于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二的熱點(diǎn)應(yīng)力。而且綜合各工況分析，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一中，4號節(jié)點(diǎn)即橫撐外板與立柱外板的連接處某節(jié)點(diǎn)（圖8所示）的熱點(diǎn)應(yīng)力較大。

2.5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的相關(guān)疲勞參數(shù)

平臺關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)所用材料為EH-36的高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為360 MPa,彈性模量為2.06E+11 Pa。

關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一的工作狀態(tài)為半潛于海水之中，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二為處于空氣中。因此，根據(jù)ABS規(guī)范，選取非管節(jié)點(diǎn)在空氣中ABS-E(A)和海水中受陰極保護(hù)的S-N曲線的ABS-E(CP)曲線對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行疲勞分析，S-N曲線參數(shù)如表3所示，曲線如圖10和圖11所示。

表3 S-N曲線參數(shù)[6]

2.6 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命分析

依據(jù)相應(yīng)的S-N曲線與Miner準(zhǔn)則，計(jì)算關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)各疲勞熱點(diǎn)的疲勞損傷度和疲勞壽命如表4和表5所示。

從表4可以看出，該平臺結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)各熱點(diǎn)年疲勞損傷度最大的為4號節(jié)點(diǎn)即橫撐外板與立柱外板連接處某節(jié)點(diǎn)（圖8所示），損傷度為2.31E-02，所以疲勞壽命最小，約為43.2 a，因此該節(jié)點(diǎn)是這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一中影響疲勞壽命的危險(xiǎn)點(diǎn)。平臺壽命滿足ABS規(guī)范要求。從表5可以看出，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二年疲勞損傷度相對較少，疲勞壽命相對較大。

圖10 非管節(jié)點(diǎn)空氣中S-N曲線[6]

圖11 非管節(jié)點(diǎn)海水中受陰極保護(hù)的S-N曲線[6]

表4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一疲勞損傷度和疲勞壽命

表5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)二疲勞損傷度和疲勞壽命

3 結(jié)論

立柱與上甲板連接處、立柱與橫撐連接處做為半潛式平臺重要連接部位，位于波浪載荷的傳遞路徑上，承受較大的交變載荷，都是易發(fā)生疲勞破壞的部位。通過本文分析可知，立柱與橫撐連接處的年疲勞損傷度相對于立柱與上甲板連接處較大，疲勞壽命比較小，是影響平臺疲勞壽命的關(guān)鍵點(diǎn)。而且此部位長期受到海水的腐蝕作用，所以應(yīng)當(dāng)是日常檢修和維護(hù)的重點(diǎn)部位。

[1]李潤培,王志農(nóng).海洋平臺強(qiáng)度分析[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1992：103-122.

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[6]Guide for the Fatigue Assessment ofOffshore Structures[R].Classification Notes,ABS,2003.

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Fatigue Analysis of Deepwater Semi-submersible Platform Based on S-N Approach

LI Zeng-hua1,LI Liang-bi2,1,CHEN Ming-lu1,JI Chun-yan1,ZHANG Jian1
(1.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China;2.Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co.Ltd,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

Deepwater semi-submersible platform works in bad environment conditions with high cost,so it is necessary to do fatigue analysis to make sure it works safely.Firstly,the model of platform was made and the response of the global structure was calculated based on SESAM.According to overall response result,column and brace connection&column and upper deck connection were chosen as key joint.The fine FEA model of key joint was made and the hotspot stress was calculated.Finally,the fatigue life of platform was calculated based on S-N approach in South China Sea.The result shows that the platform could meet ABS rules demand but there is a low fatigue life at the column and the brace connection of the platform,so the strengthening daily repair and maintenance is necessary.

S-N approach;deepwater semi-submersible platform;fatigue life;finite element

P75

B

1003-2029（2012）01-0077-06

2011-09-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51079065，51109100）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2011508）；江蘇科技大學(xué)博士科研啟動基金資助項(xiàng)目（35011003）

李增華（1984-），男，助理工程師，碩士。Email:lizenghua1984@163.com

致謝：本研究項(xiàng)目在江蘇科技大學(xué)江蘇省船舶先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，特此致謝。