海洋鉆井平臺抗冰結(jié)構(gòu)的疲勞分析

劉力吉（渤海裝備遼河重工，遼寧　盤錦　124010）

海洋鉆井平臺抗冰結(jié)構(gòu)的疲勞分析

劉力吉（渤海裝備遼河重工，遼寧盤錦124010）

由于陸地油氣資源的日趨緊張，海洋蘊含著豐富油氣資源，海冰作用對結(jié)構(gòu)的損傷是很嚴(yán)重的，所以對海洋鉆井平臺抗冰結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析顯得十分重要。希望通過本文，對海洋鉆井平臺冰激疲勞分析方面的研究提供一些可借鑒之處，對抗冰結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全評估方面的實際應(yīng)用提供參考。

疲勞分析；壽命分析

1　模型介紹

由于海洋平臺結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，附屬設(shè)施比較多，在建立結(jié)構(gòu)有限元模型過程中一般都要對真實的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些必要的簡化，但是結(jié)構(gòu)的簡化必須保證結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)動力特性的真實性，即在結(jié)構(gòu)上要保證主體結(jié)構(gòu)幾何形狀的真實性，在結(jié)構(gòu)動力特性上要保證結(jié)構(gòu)的振動頻率和振型的真實性。海洋平臺結(jié)構(gòu)的簡化主要集中上部質(zhì)量和樁基的處理上。如果平臺上部設(shè)備的放置位置和重量已知，可以按照重量的實際分布處理，但在一般情況下，也可以假定平臺上部質(zhì)量均勻分布在整個甲板面積上。對于樁-土相互作用，可以按照有關(guān)規(guī)范按照等效樁來考慮，等效樁長度取6倍樁徑。

冰荷載的大小會直接影響疲勞壽命分析的結(jié)果，冰疲勞環(huán)境的建立，冰疲勞環(huán)境就是冰疲勞環(huán)境參數(shù)長期的概率分布，因為影響冰情的因素眾多，復(fù)雜多變，目前難以像波浪環(huán)境一樣利用短期的觀測就可以推斷出長期冰參數(shù)的概率分布，同時海洋平臺的結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜，快速準(zhǔn)確的計算出冰荷載作用下的熱點應(yīng)力也是十分重要的。

利用ANSYS軟件建立其有限元模型，上部用mass21模擬；導(dǎo)管架用實際尺寸由管單元pipe模擬；工字梁用梁單元beam189模擬；入土的部分樁用梁單元pipe16模擬，導(dǎo)管架內(nèi)的樁用增加導(dǎo)管架厚度近似，樁-土的相互作用由等效樁模擬，阻尼比為0.025，平臺實測基頻為1.4（圖1）。

圖1　有限元模型　

對于抗冰平臺的冰激振動，振動的能量大部分集中在結(jié)構(gòu)的基頻上，在高頻上能量分布較少，同時復(fù)雜結(jié)構(gòu)高頻計算結(jié)果精度較差，因此一般在動力響應(yīng)分析中，只取前幾階

頻率就可以保證足夠的精度，這里計算取前10階振型。結(jié)構(gòu)的阻尼比取實測值0.025。

將直立結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動的冰力函數(shù)和隨機振動的冰力譜，通過ANSYS疲勞分析軟件的瞬態(tài)分析和譜分析，作用在節(jié)點‘792’，‘796’兩個節(jié)點，求出結(jié)構(gòu)熱點的應(yīng)力幅值。列舉幾組，通過軟件分析得到應(yīng)力變化的圖譜，通過分析該結(jié)構(gòu)的熱點單元為‘809’，節(jié)點為‘97’（圖2）。

圖2　管節(jié)點熱點位置

2　冰荷載作用在直立結(jié)構(gòu)上的破壞形式

疲勞冰荷載指的是對海洋鉆井平臺進(jìn)行疲勞分析時的動冰荷載，對于不同的結(jié)構(gòu)，冰荷載形成的機理和形式是不同的。冰荷載作用在直立結(jié)構(gòu)時，發(fā)生擠壓破壞；作用在錐體結(jié)構(gòu)時，發(fā)生彎曲破壞。

疲勞冰荷載指的是對海洋鉆井平臺進(jìn)行疲勞分析時的動冰荷載，對于不同的結(jié)構(gòu)

冰荷載形成的機理和形式是不同的，出現(xiàn)最多的是擠壓破壞。擠壓破壞可以分為三種，分別為：準(zhǔn)靜態(tài)破壞，自激振動，隨機強迫振動。

（1）準(zhǔn)靜態(tài)破壞

低冰速時為準(zhǔn)靜態(tài)破壞，冰速（V＜2cm/s時），在疲勞分析時不考慮。

（2）自激振動

中冰速時為自激振動，冰速（2cm/s＜V≤4cm/s）會發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動的現(xiàn)象，此時時冰力破碎的頻率、相位與結(jié)構(gòu)振動的頻率、相位一致，出現(xiàn)頻率鎖定現(xiàn)象，這樣會發(fā)生共振現(xiàn)象。有時冰激穩(wěn)態(tài)振動能持續(xù)較長的時間，在結(jié)構(gòu)疲勞分析中考慮冰激穩(wěn)態(tài)振動。

（3）隨機強迫振動

快冰速時為隨機強迫振動，冰速（V≥5cm/s）冰速進(jìn)一步加快時，結(jié)構(gòu)由穩(wěn)態(tài)振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機振動。因為直立結(jié)構(gòu)在快速冰力的擠壓破壞產(chǎn)生的強迫隨機振動，占絕大數(shù)工況，所以應(yīng)在疲勞分析中考慮。

（4）冰厚小于10cm時的平整冰，冰速較慢的冰荷載作用在直立結(jié)構(gòu)上，此時發(fā)生彎曲破壞。當(dāng)冰層較薄，冰的結(jié)構(gòu)不均勻時，冰荷載作用在直立結(jié)構(gòu)上時還會出現(xiàn)屈曲破壞。彎曲破壞和屈曲破壞很相近，發(fā)生這兩種疲勞破壞時，作用在結(jié)構(gòu)上的冰力周期長，幅值大，冰層較薄，冰的破碎長度也較長，兩種破壞形式都有局部擠壓破碎過程。

3　結(jié)語

冰激振動對海洋平臺的壽命影響很大，不可輕視。同時發(fā)現(xiàn)，冰激穩(wěn)態(tài)振動是直立結(jié)構(gòu)上發(fā)生的最嚴(yán)重的振動情況，對結(jié)構(gòu)的影響最大。由于前人在對冰荷載作用直立結(jié)構(gòu)時的疲勞壽命估計時，忽略了穩(wěn)態(tài)振動的情況，但因時間的關(guān)系，本文未考慮錐體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命估計，希望本文對以后在海冰情況下，抗冰結(jié)構(gòu)疲勞壽命的估計有所幫助。

海洋開發(fā)的潛力巨大，大量的礦藏、油氣的開采都離不開海洋平臺的運用。我國更是海洋大國，只有我們掌握頂尖的海洋開發(fā)技術(shù)，我們的資源才會得到合理的開采，因此進(jìn)一步加強開展海洋平臺的相關(guān)技術(shù)研究是十分必要的。

劉力吉（1989-），男遼寧盤錦人助理工程師本科主要從事海洋鉆井平臺設(shè)計工作。