海洋導管架平臺疲勞問題分析

張淑華，徐 磊，錢 進

（河海大學，南京210098） ＊

海洋導管架平臺疲勞問題分析

張淑華，徐 磊，錢 進

（河海大學，南京210098）＊

疲勞破壞是海洋工程結(jié)構(gòu)的一種主要破壞模式。導管架平臺受到海洋復雜載荷的作用，由于交變應(yīng)力的隨機性以及材料性能的分散性，結(jié)構(gòu)的疲勞具有隨機性和不確定性，因此要從概率的角度進行疲勞可靠性分析。采用ANSYS軟件對導管架平臺建模，利用S－N曲線模型以及Miner線性損傷理論，對結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性進行評估。將整個導管架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡化成串并聯(lián)模式，應(yīng)用分枝限界法來尋找系統(tǒng)的主要疲勞失效模式，并對系統(tǒng)的可靠性作出評價，以供工程實際參考。

導管架；疲勞；系統(tǒng)可靠性

導管架平臺是我國最主要的一種海洋平臺形式［1］。在服役期間，導管架結(jié)構(gòu)受到波浪、海流、風、冰等復雜的環(huán)境載荷作用，疲勞破壞是其主要破壞形式［2］。結(jié)構(gòu)最主要的交變應(yīng)力是由于波浪的不規(guī)則變化形成的，事實上任一載荷都不是確定的，而是隨時間不規(guī)則變化的。結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是一個累積損傷過程，載荷不管大小都會在一定時間內(nèi)對結(jié)構(gòu)造成一定的疲勞損傷。把這些不規(guī)則變化當成隨機變量處理，研究在這些隨機變化下結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生疲勞破壞的概率，即結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性分析。

現(xiàn)行的抗疲勞設(shè)計方法有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)變法、損傷容限法等。局部應(yīng)變法是一種基于應(yīng)變的、考慮彈塑性變形的疲勞壽命估算法，此方法對以彈性變形為主的疲勞進行計算時經(jīng)常產(chǎn)生較大誤差，但卻是一種很有研究前景的疲勞估算法。損傷容限法是在斷裂力學的基礎(chǔ)上通過估算裂紋擴展速率的一種新方法，此法只能對裂紋擴展階段的壽命進行評估。本文采用的名義應(yīng)力法計算簡便，且有大量的數(shù)據(jù)積累，在海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在導管架的疲勞計算中采用美國石油學會推薦的API－X曲線［3－5］。

1 疲勞可靠性分析

1.1 疲勞破壞機理

疲勞破壞與靜強度破壞有著本質(zhì)的區(qū)別。靜強度破壞是構(gòu)件危險截面上的應(yīng)力超過其抗拉強度而造成斷裂失效，或是超過其屈服點發(fā)生過大的殘余變形引起最終失效。疲勞破壞在構(gòu)件的局部應(yīng)力最大處出現(xiàn)，在循環(huán)應(yīng)力作用下出現(xiàn)微裂紋，再繼續(xù)擴大成宏觀裂紋，宏觀裂紋再繼續(xù)發(fā)展就導致了疲勞斷裂。疲勞破壞具有低應(yīng)力性、突然性、時間性、敏感性。

1.2 疲勞分析方法

本文采用的名義應(yīng)力法以S－N曲線和Miner線性累積損傷理論為基礎(chǔ)。Miner理論簡單、方便，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，它認為疲勞過程是一個臨界值的積累過程，交變應(yīng)力下的任一循環(huán)都會對構(gòu)件產(chǎn)生一定程度的疲勞損傷，因而就會消耗一定程度的結(jié)構(gòu)壽命［6］。結(jié)構(gòu)疲勞損傷總量就是按照適當?shù)脑韺⒂刹煌档膽?yīng)力循環(huán)產(chǎn)生的疲勞損傷相加得到的，即

式中，Δσ即應(yīng)力范圍S，MPa；Δσref為在N＝2×106處的應(yīng)力范圍值。

對X曲線，m＝4.38，Δσref＝100MPa，其對數(shù)表達式為

1.3 疲勞壽命可靠度［7－9］

交變應(yīng)力的隨機性以及材料性能的分散性說明，用確定性的方法來描述不確定因素是不適合的，因此要應(yīng)用結(jié)構(gòu)可靠性理論，從概率的角度對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行合理預測。結(jié)構(gòu)可靠性理論通過隨機變量或隨機過程對各種不確定因素進行描述，用在服役期內(nèi)結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)疲勞破壞的概率衡量結(jié)構(gòu)壽命是否合格。

用pr來表示結(jié)構(gòu)疲勞壽命的可靠度，即疲勞壽命Tf大于或等于設(shè)計壽命TD的概率，即

式中，ni為給定應(yīng)力幅值下的循環(huán)次數(shù)；Ni為S－N曲線上給定應(yīng)力幅值的允許循環(huán)次數(shù)。

API－X曲線是由美國石油學會推薦的，其表達

式為

而Tf＜TD的概率就是結(jié)構(gòu)的疲勞失效概率，用pf表示為

安全余量為

此時，可靠性指標可表示為

式中，μlnΔ、μlnA、μlnB分別為lnΔ、lnA、lnB的均值；σlnΔ、σlnA、σlnB分別為lnΔ、lnA、lnB的標準差。

這樣得到的結(jié)構(gòu)疲勞可靠度以及疲勞失效概率分別為

如果用基本隨機變量A、B、Δ的中值及變異系數(shù)來表示，可得可靠性指標為

式中，A、B、Δ為基本隨機變量；G為極限狀態(tài)函數(shù)。

在海洋工程結(jié)構(gòu)中，對數(shù)正態(tài)格式是計算結(jié)構(gòu)疲勞壽命可靠度的最常用做法。式（6）的安全余量在對數(shù)正態(tài)分布下可以寫為

2 海洋導管架平臺系統(tǒng)疲勞可靠性分析

海洋導管架平臺是由大量結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的一個復雜系統(tǒng)，有時1個甚至幾個管節(jié)點毀壞并不一定代表整個系統(tǒng)毀壞。若僅從某一個構(gòu)件的角度來估算整個結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是不適當?shù)?，因此要通過結(jié)構(gòu)可靠度，從整個系統(tǒng)的角度來研究。

2.1 結(jié)構(gòu)的基本系統(tǒng)模型

結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)失效可分為串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)和串并聯(lián)系統(tǒng)3種類型。在串聯(lián)系統(tǒng)中只要有1個失效即整體失效。并聯(lián)系統(tǒng)認為所有極限狀態(tài)都失效，整體才失效。串并聯(lián)系統(tǒng)由串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)組合而成，一般認為串并聯(lián)系統(tǒng)才是最接近工程實際的。串并聯(lián)系統(tǒng)認為系統(tǒng)失效是由一定量的失效模式構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)，而每一個失效模式一定量的結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效事件構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)，只有當某一個失效模式中的每一個構(gòu)件失效事件都出現(xiàn)時，才會出現(xiàn)系統(tǒng)失效。

本文計算時采用串并聯(lián)系統(tǒng)模型，如圖1。

圖1 串并聯(lián)模式

2.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要失效模式的判別

用所有的失效途經(jīng)來計算整體的可靠度是不現(xiàn)實的，系統(tǒng)的主要失效模式是指對系統(tǒng)的疲勞失效起著重要影響作用的關(guān)鍵失效途徑。計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性時只需尋找到這些發(fā)生概率較大的主要疲勞失效模式就可以了，其余的失效途徑對系統(tǒng)的影響可以忽略。

本文應(yīng)用分支界限法來尋找系統(tǒng)的主要疲勞失效模式。分支界限法是一種系統(tǒng)化的解法，它將問題的解像樹的分支一樣展開，接著在每一個分支中搜索最佳解。分支界限法在運行時把所有可能的解不斷分割，形成一個個分支，把每個分支的解都設(shè)置一個上界或下界，剔除超出界限的解，這樣就縮小了搜索范圍，不斷進行此過程直至尋找到可行解。其過程原理如圖2所示。

圖2 分支限界過程

圖中，CS代表主要失效模式；DL代表已經(jīng)被刪除了的失效途徑；CF代表繼續(xù)向前搜尋的失效途徑；K表示失效級。

結(jié)合海洋導管架平臺，本文采用如下3個判斷：①1個樁腿疲勞失效；②任意2個橫撐疲勞失效；③任意3個構(gòu)件疲勞失效。只要出現(xiàn)上述三者之一，即判斷整個系統(tǒng)失效。

3 算例［4－10］

導管架由4根直徑?1 326mm×25mm的導管組成，設(shè)有3道水平橫撐，橫撐規(guī)格為?610mm ×20mm，潮差段以下設(shè)置?610mm×14mm的斜撐。導管架上部由立柱、斜撐、甲板構(gòu)成，上部平臺面積是24×17.125m2，上、下2層甲板的厚度分別為80mm、30mm，斜撐為?406.4mm×15.88mm，立柱采用?1 326mm×25mm。導管架整體高度為15.5m。導管架插入4根樁基中，樁基深入泥下42 m，導管架和樁基之間的空間用水泥漿灌入。

導管架所處的環(huán)境條件如表1～4所示。

表1 水深和潮位

表2 波浪

表3 海流流速

表4 風速

用ANSYS軟件建立平臺有限元模型如圖3。

圖3 平臺有限元模型

計算得出的結(jié)構(gòu)未失效時的結(jié)果如表5所示。

由上表可以看出節(jié)點1519首先脆性斷裂。為此，計算以節(jié)點1519為起點的失效途經(jīng)產(chǎn)生的概率。如此，采用分支限界法后共可得到14條關(guān)鍵失效途經(jīng)，各關(guān)鍵失效途經(jīng)的代碼及疲勞可靠度如表6所示

表6 各失效路徑的可靠度

用簡單上下限法計算整個導管架平臺結(jié)構(gòu)的可靠度為

4 結(jié)語

導管架平臺作為我國最主要的海洋平臺形式，研究其結(jié)構(gòu)的疲勞壽命具有重要的現(xiàn)實意義。為方便計算，本文僅考慮了波浪、海流及風載荷的作用，隨著水深的增加，載荷將更加復雜，考慮到他們的耦合作用及地震、冰載荷等隨機載荷的影響，導管架結(jié)構(gòu)壽命的計算會更加困難。因此，需要采用更先進的結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法，以便對現(xiàn)役導管架平臺的剩余壽命評估提供參考。

［1］ 苗玉坤，趙學峰.我國海洋石油裝備現(xiàn)狀及市場前景［J］.石油礦場機械，2011，40（9）：29－32.

［2］ 胡毓仁，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：哈爾濱工程大學出版社，2010.

［3］ Wirsching PH.Fatigue reliability for offshore structures［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，1984，110（10）：2340－2356.

［4］ 許亮斌，陳國明，蔣世全.近海石油平臺動態(tài)魯棒疲勞可靠性研究［J］.石油礦場機械，2010，39（2）：1－5.

［5］ 王國棟，趙宏林，段夢蘭.JZ20－2MUQ型導管架平臺相似模型設(shè)計研究［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：1－5.

［6］ 王彥偉.基于有限元的疲勞分析方法與實踐［J］.機械設(shè)計與制造，2008（1）：22－24.

［7］ Det Norske Veritas.Fatigue strength analysis for mobile offshore units：Classification Note［K］.1984.

［8］ 楊秀娟.深水導管架海洋平臺隨機疲勞壽命可靠性分［J］.機械強度，2011，33（2）：264－269.

［9］ 修宗祥.深水導管架海洋平臺安全可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計［D］.東營：中國石油大學，2010.

［10］ 馮加果，李新仲，謝 彬.基于ANSYS的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估的網(wǎng)格精度和外推方法研究［J］.石油礦場機械，2011，40（1）：15－20.

Fatigue Analysis of Offshore Jacket Platform

ZHANG Shu－h(huán)ua，XU Lei，QIAN Jin
（Hohai University，Nanjing210098，China）

Fatigue Failure is a main failure mode，especially for jacket platform structure.The marine loads have complicated effect on offshore jacket platform.Because of the randomization of alternating stress and material dispersion，structural fatigue own uncertainty and randomization，the probability method is used to analyze fatigue reliability.The ANSYS was adopted to calculate and evaluate the fatigue reliability of jacket platform through finite element model technique.The fatigue life of structural elements is estimated based on the S－N curve and Miner＇s theory.The system of jacket platform is simplified to series parallel mode，using branch and bound method to search the mainly fail model，and evaluate the system reliability.It can be used as a reference for engineering practice.

jacket；fatigue；system reliability

1001－3482（2012）11－0016－04

TE951

A

2012－05－11

張淑華（1964－），女，遼寧大連人，教授，博導，主要從事波浪與建筑物相互作用方向的研究。