新型干樹半潛平臺疲勞性能分析

李 輝， 齊曉亮， 王銘飛， 呂國森， 申 輝

(北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京100011)

新型干樹半潛平臺疲勞性能分析

李 輝， 齊曉亮， 王銘飛， 呂國森， 申 輝

(北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京100011)

干樹采油平臺具有修井方便、操作成本低、易于維修建造等優(yōu)勢，目前僅成功用于TLP和Spar平臺，相比于這兩種平臺，半潛式平臺不受水深限制，易于建造、安裝，但運動幅度較大。該文提出一種運動性能較好的新型干樹半潛平臺，采用譜分析方法對其進行疲勞分析。首先介紹了目前海洋工程領(lǐng)域比較常用的譜分析方法及其流程，然后對在位工況下新型干樹半潛平臺進行了總體強度分析和總體疲勞估算，確定了疲勞關(guān)鍵部位，最后利用譜分析法對這些關(guān)鍵部位進行疲勞分析，得到了各熱點的疲勞壽命。計算結(jié)果表明，各關(guān)鍵部位的疲勞壽命基本滿足要求，但是比較接近設(shè)計壽命，因此在后續(xù)的設(shè)計中疲勞問題仍需要重點關(guān)注。

新型干樹半潛；譜分析；熱點；疲勞壽命

0 引言

全球海洋油氣勘探和開發(fā)逐步向深海發(fā)展，深水浮式平臺設(shè)計技術(shù)顯得越來越重要。半潛式平臺作為一種典型的深水浮式平臺，具有運動性能好、建造簡易、便于安裝的特點[1,2]，但多用于濕樹采油。該文介紹了一種新型干樹半潛式平臺，采用平臺立柱和甲板分離設(shè)計，上部組塊通過導(dǎo)管架支撐，平臺立柱只提供穩(wěn)性和浮力，通過改變立柱水線面積調(diào)節(jié)平臺垂蕩運動周期，增大立柱間距以改善平臺穩(wěn)性。平臺中部的導(dǎo)管架一方面為甲板提供支撐，另一方面為立管提供保護，圖1給出了該平臺的總體效果圖。

圖1 新型干樹半潛平臺效果圖

深水浮式平臺造價昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受載荷多樣，因此平臺的前期設(shè)計尤為重要，尤其是疲勞設(shè)計，因為工程中很多的破壞事故都是由于疲勞破壞引起的。如1980年“Alexander L.Kielland”號半潛平臺由于一根撐桿發(fā)生疲勞破壞而在北海沉沒，造成了123人死亡，因此開展深水浮式平臺的疲勞分析具有重要意義[3]。目前用于疲勞分析的方法有兩種：一種是基于S-N曲線的疲勞累積損傷理論；一種是基于斷裂力學(xué)的疲勞裂紋擴展理論[4]。馬網(wǎng)扣等基于譜分析法完成了傳統(tǒng)半潛式平臺疲勞分析，給出了選取疲勞關(guān)鍵部位的建議和提高疲勞強度的方法[5]。葛菲等對船體結(jié)構(gòu)疲勞強度進行了詳細研究，認為船體疲勞強度分析應(yīng)該考慮非線性載荷和多種應(yīng)力成分的影響，并提出了一種等效規(guī)則波方法[6,7]。

該文在參考ABS和DNV船級社規(guī)范的前提下，利用譜分析方法對該新型干樹半潛平臺進行疲勞分析，確定了平臺疲勞分析關(guān)鍵部位，得到了關(guān)鍵節(jié)點的熱點應(yīng)力和疲勞壽命，確保平臺疲勞設(shè)計滿足要求。

1 新型干樹半潛平臺疲勞譜分析方法和流程

目前船舶與海洋工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)疲勞分析方法主要是基于S-N曲線的疲勞累積損傷方法，它又可以分為簡化方法和譜分析方法[8]。譜分析方法是建立在真實的海況和裝載工況下的直接計算方法，可以同時考慮不同裝載、波頻和浪向組合，計算精度較高，但是工作量巨大，周期較長，因此一般通過專業(yè)的軟件包來進行計算和分析。該新型干樹半潛式平臺同時承受風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷，其中波浪載荷是引起結(jié)構(gòu)疲勞的主要因素，因此該文主要考慮波浪引起的疲勞。現(xiàn)給出新型干樹半潛平臺譜疲勞分析方法如下：

(1) 計算應(yīng)力傳遞函數(shù)Hσ(ω,θ)。直接計算節(jié)點在各個頻率ω、浪向θ下的熱點應(yīng)力，對于管型節(jié)點和非管型節(jié)點，熱點應(yīng)力的計算方法稍有不同，計算方法在后面給出。

(2) 計算應(yīng)力能量譜Sσ(ω,Hs,Tz,θ)。通過熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)和波浪散布圖中每一個短期海況的波浪譜密度函數(shù)，通過下式得到應(yīng)力能量譜。

Sσ(ω,Hs,Tz,θ)=|Hσ(ω,θ)|2·Sη(ω,Hs,

式中：Sη(ω,Hs,Tz)表示波浪譜密度函數(shù)；Hs表示有義波高；Tz表示跨零周期。

(3) 計算應(yīng)力能量譜的譜矩。第n階譜矩mn的計算如下：

ωn·Sσ(ω,Hs,Tz,θ)dω

(4) 應(yīng)用計算的應(yīng)力能量譜譜矩，對于服從瑞麗分布的各個短期海況應(yīng)力范圍，其概率密度分布函數(shù)為：

≤S<+∞

平均跨零周期為

譜寬參數(shù)為

ε

(5) 疲勞累積損傷計算。根據(jù)Miner準則計算累積疲勞損傷，當(dāng)短期海況的應(yīng)力范圍分布服從瑞利分布時，結(jié)合S-N曲線NSm=K，則第i個海況造成的累積疲勞損傷Di為：

對波浪散布圖中的多個海況(假設(shè)共有K個)造成的損傷進行累加，得到總的疲勞損傷D：

式中：T為設(shè)計壽命(秒)；f0i為第i個短期海況應(yīng)力范圍的跨零率；pi為有義波高和跨零周期的聯(lián)合概率；Si為第i個短期海況應(yīng)力范圍；gi(Si)為第i個短期海況產(chǎn)生的應(yīng)力范圍Si的概率密度函數(shù)。

(6) 疲勞損傷計算的解析表達式

1) 對于單斜率的S-N曲線，(8)式的表達式可以轉(zhuǎn)化為：

λ(m,εi)表示威爾遜雨流修正因子，計算如下：

λ(m,

式中：a(m)=0.926-0.033m；b(m)=1.587m-2.323；εi為響應(yīng)譜帶寬。

2) 對于雙直線的S-N曲線，在拐點(NQ，SQ)處，該S-N雙直線段的m變?yōu)閞=m+Δm(Δm>0)，并且常數(shù)由K1變?yōu)镵2。這時疲勞損傷的表達式變?yōu)椋?/p>

式中：μi為持續(xù)參數(shù)，介于0到1之間，用于計算落在S-N曲線根底一段內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)對疲勞損傷的貢獻，μi計算如下：

2 新型干樹半潛式平臺疲勞強度分析

2.1 新型干樹半潛式平臺總體有限元模型

新型干樹半潛式平臺模型一共分為三部分，即下浮體、下部導(dǎo)管架和上部組塊，其主要尺寸和重量參數(shù)見表1。選用ANSYS和SACS軟件共同完成建模和分析，平臺總體有限元模型分別如圖2、圖3所示。

表1 新型干樹半潛平臺主要參數(shù)

圖2 新型干樹半潛總體有限元模型 圖3 下部導(dǎo)管架模型

2.2 環(huán)境參數(shù)

疲勞分析采用的環(huán)境參數(shù)是以南海某海域為基礎(chǔ)，相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)見表2。對于南海海域，波浪譜應(yīng)該選用JONSWAP[10]。為了獲取各熱點的應(yīng)力傳遞函數(shù)，一共定義了八個波浪方向，波浪方向示意圖如圖4所示。

表2 疲勞分析環(huán)境參數(shù)

圖4 波浪方向示意圖

2.3 疲勞關(guān)鍵位置的確定

2.3.1 新型干樹半潛式平臺總體強度分析

在進行平臺疲勞強度分析之前，需要先完成平臺總體強度分析。該文利用ANSYS，WAMIT和SACS軟件完成了不同工況下的波浪載荷計算，得到了操作工況下的平臺強度分析結(jié)果，典型應(yīng)力云圖如圖5所示。根據(jù)計算結(jié)果可以看出，應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在立柱和浮箱連接部位、導(dǎo)管架和船體連接部位以及立柱內(nèi)部艙壁處。

圖5 新型干樹半潛等效應(yīng)力云圖

2.3.2 新型干樹半潛式平臺整體疲勞分析

強度分析結(jié)果表明，不同工況下波浪載荷對平臺作用力有很大差異，因此需要計算不同周期和浪向的平臺應(yīng)力響應(yīng)，選取各主要連接部位，應(yīng)力較大區(qū)域和工程經(jīng)驗推薦的容易發(fā)生疲勞的區(qū)域進行整體疲勞分析[11,12]。該文進行整體疲勞分析選取的S-N曲線為ABS-D曲線，通過整體疲勞分析，選定了如圖6所示關(guān)鍵節(jié)點進行熱點分析，這些節(jié)點主要位于立柱內(nèi)部角隅處，導(dǎo)管架和船體連接處，立柱和浮箱連接處。

圖6 疲勞關(guān)鍵位置

2.4 關(guān)鍵節(jié)點的疲勞分析

2.4.1 熱點模型細化

整體疲勞分析模型網(wǎng)格劃分較粗，沒有考慮局部細節(jié)構(gòu)造，因此在進行熱點應(yīng)力分析時需要進行模型細化，細化后的有限元模型如圖7、圖8所示。

圖7 疲勞細化有限元模型1

圖8 疲勞細化有限模型2

2.4.2 熱點應(yīng)力幅值計算

熱點應(yīng)力是結(jié)構(gòu)中最大的結(jié)構(gòu)主應(yīng)力或者危險截面上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，它依賴于結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸以及載荷形式。在不考慮焊縫和裂紋等因素的前提下，按照規(guī)范[13-15]，對于非管節(jié)點熱點應(yīng)力的計算應(yīng)采用外插法，如圖9所示；對于未采用板殼模擬的管型節(jié)點，按照規(guī)范其熱點應(yīng)力應(yīng)按照式13計算，如圖10所示。

圖9 熱點應(yīng)力外插法計算示意圖 圖10 管型節(jié)點應(yīng)力計算位置和應(yīng)力疊加示意圖

式中：σx為軸向載荷產(chǎn)生的最大名義應(yīng)力；σmy為面內(nèi)彎矩產(chǎn)生的最大名義應(yīng)力；σmz為面外彎矩產(chǎn)生的最大名義應(yīng)力；SCFAS為軸向載荷在鞍點對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)；SCFAC為軸向載荷在冠點對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)；SCFMIP為面內(nèi)彎矩對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)；SCFMOP為面外彎矩對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)。

2.4.3 各熱點疲勞強度分析

該文對選定各熱點進行了疲勞分析，得到了各熱點的疲勞損傷和壽命，結(jié)果見表3、表4。計算結(jié)果表明，在目標平臺30年設(shè)計壽命期內(nèi)，選定的危險部位疲勞強度滿足要求，其中導(dǎo)管架和船體連接位置疲勞壽命最低，因此在后續(xù)設(shè)計中要重點關(guān)注此處，盡量降低這些位置應(yīng)力集中，施工時對這些區(qū)域要進行打磨和有效的防腐處理。

表3 船體關(guān)鍵節(jié)點疲勞分析結(jié)果

表4 導(dǎo)管架關(guān)鍵節(jié)點疲勞分析結(jié)果

3 結(jié)論

新型干樹半潛式平臺譜疲勞分析涉及到總體強度分析，疲勞載荷的計算，各工況下熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)的計算，疲勞損傷的累積以及相關(guān)參數(shù)的選取，因此分析過程復(fù)雜，計算量大。該文對新型干樹半潛式平臺進行了譜疲勞分析，得到了以下結(jié)論：

(1) 譜疲勞分析方法作為深水浮式平臺疲勞分析常用方法具有一定的準確性，但是工作量較大，在平臺概念設(shè)計階段應(yīng)根據(jù)項目進度進行合理的安排和使用。另外譜疲勞分析方法不考慮焊接初始缺陷、殘余應(yīng)力和裂紋擴展的影響，計算出來的結(jié)果具有一定的離散型，雖然被業(yè)界采用較多，但是計算的精度還有待提高。

(2) 新型干樹半潛式平臺在立柱和浮箱連接部位，船體和導(dǎo)管架鏈接位置以及幾個復(fù)雜管型節(jié)點相交處的應(yīng)力較高，疲勞損傷也較大，雖然基本滿足疲勞強度要求，但是在后續(xù)的設(shè)計中需要重點關(guān)注。

(3) 熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)的計算是譜疲勞分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的精度對計算結(jié)果有直接的影響。該文結(jié)合傳統(tǒng)的半潛式平臺與導(dǎo)管架平臺譜疲勞分析方法，對船體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點采用了不同的熱點應(yīng)力計算方法，它的正確性與可行性還需進一步的驗證。

(4) 疲勞載荷的計算是疲勞分析一個重要的環(huán)節(jié)，對結(jié)果有著決定性的影響。該文只考慮了線性波浪載荷，如何考慮波浪載荷的非線性成分，以及風(fēng)、流和平臺作業(yè)時的動態(tài)載荷影響，建立適用深水浮式平臺在復(fù)雜環(huán)境條件下疲勞分析方法值得研究。

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Fatigue Performance Analysis of New Dry Tree Semi-Submersible Platform

(COTEC Offshore Engineering Solutions，Beijing 100011， China)

Dry tree production platform has the advantages of convenient workover, low cost, easy to repair and construction, but only successfully used in TLP and Spar platform. Compared to the two platforms, semi-submersible platform is not limited by the water depth, and easy to construction, install, but has larger motion. This paper presents a new dry tree semi-submersible which has well motion performance, then carry on fatigue analysis through spectrum analysis method. Introduce the commonly used method of spectral analysis and process in ocean engineering field, then finish global strength analysis of dry tree semi-submersible platform and Screening fatigue analysis, determine the fatigue key parts. Finally, carry on fatigue analysis for these key parts using spectral analysis method, obtain the fatigue life of the hot spot. The calculation results show that the fatigue life of the key parts meet requirements, but close to the design life, so fatigue problem needs to focus on in following design.

new style dry tree semi； spectrum analysis； hot spot； fatigue life

2014-07-01

李 輝(1985-)，男，工程師。

1001-4500(2015)02-0077-08

P751

A