半潛式綜合支撐平臺系泊疲勞分析

曹　菡， 強兆新， 苗文舉， 劉志剛

(1.中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司， 北京100081； 2.天津新港船舶重工有限責任公司， 天津 300452)

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半潛式綜合支撐平臺系泊疲勞分析

曹菡1， 強兆新1， 苗文舉1， 劉志剛2

(1.中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司， 北京100081； 2.天津新港船舶重工有限責任公司， 天津 300452)

摘要：該文以某半潛式平臺的系泊纜為對象進行疲勞性能研究，采用鏈-纜-鏈三段組成的懸鏈線式系泊纜。使用Harp軟件，基于時域耦合方法計算系泊纜的動力響應(yīng)，選取錨鏈與平臺主體連接點、上部錨鏈與纜繩連接點及拖地點三點，計算其張力時間歷程曲線。根據(jù)雨流計數(shù)法的基本原理，基于Matlab平臺開發(fā)程序，統(tǒng)計張力循環(huán)次數(shù)。依據(jù)Miner線性累積損傷理論，分別得到各系泊纜的疲勞壽命，對系泊纜的疲勞性能進行評估。

關(guān)鍵詞：系泊纜；懸鏈線式系泊系統(tǒng)；時域耦合分析；張力時間歷程；疲勞損傷

0引言

半潛式平臺在深海油氣資源的開發(fā)中占有舉足輕重的地位，其系泊系統(tǒng)則為平臺在海上的定位和安全作業(yè)提供了重要的保障。半潛式平臺在海上長期作業(yè)期間，其整體結(jié)構(gòu)要承受不斷變化的風、浪、流等環(huán)境載荷的作用，這些環(huán)境載荷及平臺的運動都會引起系泊系統(tǒng)內(nèi)的交變應(yīng)力，造成系泊線的疲勞損傷。深水半潛式平臺通常采用傳統(tǒng)的懸鏈線式系泊系統(tǒng)，由三段濕重、剛度和長度都不同的錨鏈和纜繩組合成鏈-纜-鏈型式的系泊系統(tǒng)[1]。

該文以半潛式綜合支撐平臺的系泊系統(tǒng)為研究對象，所選海況為中國南海某海域。分析計算錨鏈與平臺主體連接點A、上部錨鏈與纜繩連接點B及拖地點C的疲勞損傷，為系泊系統(tǒng)的理論研究及實踐應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1系泊疲勞計算理論

疲勞破壞是一個極其復(fù)雜的過程，因此目前的疲勞分析大都建立在宏觀層次之上，通常采用基于S-N曲線和Palmgren-Miner線性累積損傷準則的疲勞累積損傷方法以及基于Paris裂紋擴展法則的斷裂力學(xué)方法，目前這兩種方法已成為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計與分析的兩種相互補充的基本理論方法[3]。

該文使用時域耦合分析的方法考察系泊纜的動力響應(yīng)，采用線性累積損傷理論對系泊系統(tǒng)的疲勞問題進行研究。根據(jù)平臺所處海域，獲得海洋環(huán)境資料后，對平臺及其系泊系統(tǒng)進行時域耦合分析，獲得系泊纜的張力時間歷程曲線，然后使用雨流計數(shù)法對其進行計數(shù)統(tǒng)計，根據(jù)Miner線性準則，獲得單根系泊纜的累積疲勞損傷，進而求得疲勞壽命，具體分析流程如圖1所示

圖1　疲勞分析的計算流程圖

1.1T-N曲線

材料和構(gòu)件的疲勞性能用應(yīng)力或應(yīng)變與破壞時的壽命之間的關(guān)系，即S-N曲線表示。對系纜來說為T-N曲線，T-N曲線基于實驗數(shù)據(jù)，給出了恒定載荷幅值下系泊纜循環(huán)到破壞的次數(shù)，反映了張力T和疲勞壽命N之間的關(guān)系。T-N曲線的形式為[3]：

(1)

式中：N為循環(huán)次數(shù)；R為張力范圍(雙邊幅值)與RBS(參考破斷強度)的比值。

ORQ級、R3 級、R4 級和R4S 級普通或連接錨鏈環(huán)的RBS 取同樣尺寸ORQ 級普通錨鏈環(huán)的最小破斷強度(MBS)。對于鋼纜，RBS 等同于MBS。

令Lm 為平均載荷與鋼纜的參考破斷強度的比值，表1為M 值和K值：

表1　M值和K值

1.2雨流計數(shù)法

在現(xiàn)有的各種隨機疲勞載荷的計數(shù)方法中，雨流計數(shù)法因有一定的力學(xué)基礎(chǔ)，是目前被公認為最準確有效的一種方法。

雨流計數(shù)法的計數(shù)原則建立在一定的力學(xué)原理的基礎(chǔ)上。其前提是認為造成疲勞損傷的原因是塑性變形。一般情況下，雖然名義應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)，但局部已達到了塑性狀態(tài)，于是就造成了疲勞損傷。材料的塑性性質(zhì)則表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中的遲滯回線。當交變載荷使應(yīng)力-應(yīng)變構(gòu)成一個遲滯回線，就認為形成了一個完整的循環(huán)[4]。

系泊纜的疲勞損傷取決于張力-時間歷程中各種張力幅值的大小以及發(fā)生的頻率。雨流計數(shù)法可以對張力-時間歷程進行有效且合理的計數(shù)，從而達到對系泊纜進行疲勞性能評估分析的目的[1]。

1.3Miner線性準則

大多數(shù)結(jié)構(gòu)的失效是由一系列的循環(huán)載荷所產(chǎn)生的疲勞損傷累積造成的，疲勞累積損傷理論研究的是在變幅疲勞載荷作用下疲勞損傷的累積規(guī)律和疲勞破壞的準則，對疲勞壽命的預(yù)測是十分重要的。

疲勞累積損傷理論大致可歸納為三大類，即線性累積損傷理論、修正線性累積損傷理論和非線性疲勞累積損傷理論。線性疲勞累積損傷理論中典型的是Palmgren-Miner理論，簡稱Miner理論，在海洋工程中應(yīng)用較為廣泛。

根據(jù)Miner線性累積損傷理論，每年長期海況作用下系泊纜的疲勞損傷D可以通過n個短期海況下的疲勞損傷Di累計得到[3]，即：

(2)

由此可以得到系泊纜的疲勞壽命

(3)

2平臺及其系泊系統(tǒng)選型及海況選擇

2.1平臺參數(shù)

該文選取的計算對象為一南海的半潛式綜合支撐平臺，該平臺的主尺度見表2。

表2　半潛平臺的主尺度

半潛式綜合支撐平臺模型如圖2所示。

圖2　半潛式綜合支撐平臺

2.2海況選擇

由于疲勞載荷主要是由波浪引起的，疲勞分析中波浪的長期狀態(tài)可看作由許多短期海況的序列所引起，每一海況由波浪特性的參數(shù)以及該海況出現(xiàn)的頻率來描述，常用的波浪參數(shù)有有義波高HS和平均跨零周期TZ,某一海域的波浪長期分布形式可以用不同的HS和TZ的海況及該海況出現(xiàn)的頻率來近似表示，即波浪散布圖，表3為南海某海域波浪散布圖。

表3　南海某海域波浪散布圖

根據(jù)以上波浪散布圖，可將長期海況離散成以下短期海況，短期海況的特征參數(shù)見表4。

表4　10個短期海況的特征參數(shù)

通常情況下，還需要風、浪、流的方向來定義環(huán)境狀況。對每個具體海況，該文中選取風、浪的方向為45°，流的方向為90°進行相關(guān)分析。分析時波浪使用JONSWAP譜，譜峰因子γ取2.0。

2.3系泊纜布置及其相關(guān)參數(shù)

該半潛式綜合支撐平臺采用傳統(tǒng)的懸鏈線式系泊系統(tǒng)，系泊線由三段濕重、剛度和長度均不同的錨鏈和纜繩組成鏈-纜-鏈型式。系泊系統(tǒng)為4×3式，即四組，每組三根。每組內(nèi)纜繩間夾角為5°，分布形式如圖3所示。

圖3　系泊布置圖

該系泊系統(tǒng)中間部分的纜繩為聚酯尼龍纜，系泊纜各部分的長度見表5。

表5　系泊纜各組分長度

根據(jù)API-RP-2SM的規(guī)定，當缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)信息時，可使用螺旋股鋼絲繩或者多股鋼絲繩的T-N曲線來代替聚酯纜的T-N曲線[5]。因此，根據(jù)API -RP-2SK，獲得該文所研究平臺的系泊系統(tǒng)的疲勞參數(shù)見表6。

表6　系泊纜疲勞參數(shù)

3半潛式綜合支撐平臺系泊疲勞分析結(jié)果

該文所研究的半潛式平臺，使用Harp軟件進行時域耦合分析。在計算中，模擬時間為10 800 s，對表4中的10個工況進行分析，分析12根系泊纜A、B、C三個點的疲勞壽命。

根據(jù)耦合分析結(jié)果，提取纜繩上待分析節(jié)點的張力時間歷程，圖4為Line1上A點在工況10下的張力時間歷程曲線。使用Matlab軟件進行張力循環(huán)統(tǒng)計，圖5為Line1上A點在工況10下的雨流計數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。

圖4　A點在工況10下的張力時間歷程　　　　　　　　　　圖5　A點在工況10下的雨流計數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計，以及海況的發(fā)生概率，得到每一根系泊纜的疲勞壽命見表7。其中，半潛式綜合支撐平臺的設(shè)計使用壽命為20年，根據(jù)API規(guī)范，錨鏈的安全系數(shù)為3，纜繩的安全系數(shù)取10。

表7　系泊疲勞壽命

4結(jié)論

該文選取單根系泊纜上端錨鏈與平臺主體連接點A、與纜繩連接點B、與地接觸點C為研究對象，計算其在長期海況下的疲勞損傷，可得到以下結(jié)論：

(1) 通過計算系泊纜上A、B、C三個連接點的疲勞損傷，得到其疲勞壽命LB>LA>LC。在該文所比較的三個連接點中，C點最容易發(fā)生疲勞損傷，A點次之，B點最安全。

(2) A點和C點的疲勞壽命數(shù)值比較接近，因此，可認為這兩個點都是危險點。

(3) 拖地點C由于受海底條件干擾，每一時刻張力雖然不是很大，疲勞壽命卻最短。

(4) 現(xiàn)有的疲勞數(shù)據(jù)說明聚酯纜有比鋼纜更好的抗疲勞性能。該文的計算結(jié)果再次證明，破斷強度相當?shù)木埘ダ|與錨鏈相比，聚酯纜材料本身具有更好的抗疲勞性能。

參考文獻

[1]鄭長新，翟鋼軍，喬東生.深水懸鏈錨泊線疲勞性能評估[J].船舶工程,2010，32(6):48-52.

[2]方磊.SPAR平臺系泊纜疲勞壽命評估方法研究[D].天津:天津大學(xué)，2008.

[3]API. Recommended practice API-RP-2SK: Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures[S].2005.

[4]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.

[5]API. Recommended practice API-RP-2SM: Recommended practice for design manufacture, installation, and maintenance of synthetic fiber ropes for offshore mooring[S].2001.

Fatigue Analysis for Mooring Lines of a Semi-submerged Platform

CAO Han1, QIANG Zhao-xin1, MIAO Wen-ju1, LIU Zhi-gang2

(1.China Ship Design & Research Center Co., Ltd, Beijing 100081, China;2.Tianjin Xingang Shipbuilding Heavy Industry Co., Ltd, Tianjin 300452, China)

Abstract：The mooring lines of a semi-submerged platform are taken as the fatigue research objects, and the mooring lines are made up of chain-wire-chain. The dynamic responses are calculated under coupled analysis in time domain method by Harp software. The tension time histories of the three points such as connections between the top of chain and topside, chain and wire, and the touchdown are calculated. The rain flow counting method is employed to count tension cycles by Matlab software. The Miner linear cumulative rule is used to obtain the fatigue life of different mooring line segment, and the fatigue performance of mooring lines are evaluated.

Keywords：mooring line; catenary mooring system; coupled analysis in time domain; tension time history; fatigue damage

中圖分類號:P75

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4500(2016)02-0062-06 1001-4500(2016)02-0075-07

作者簡介：曹菡(1987-)，女，碩士研究生。 高暢(1985-)，女，工程師。

收稿日期：2015-06-23 2015-03-31