圓筒樁腿自升式平臺(tái)的疲勞譜分析

劉 靜，傅 強(qiáng)，張國棟，尹秀鳳

（中集海洋工程研究院，山東煙臺(tái) 264000）

圓筒樁腿自升式平臺(tái)的疲勞譜分析

劉 靜，傅 強(qiáng)，張國棟，尹秀鳳

（中集海洋工程研究院，山東煙臺(tái) 264000）

應(yīng)用SACS軟件計(jì)算圓筒樁腿自升式平臺(tái)對(duì)波浪載荷的整體響應(yīng)，并評(píng)估出疲勞敏感區(qū)域，再通過Abaqus軟件建立疲勞敏感區(qū)域的有限元子模型，通過多層線性簡化對(duì)疲勞載荷進(jìn)行預(yù)處理，將平臺(tái)的整體響應(yīng)反映到子模型中，為疲勞譜分析直接搭建起合理的應(yīng)力幅傳遞函數(shù)，而非應(yīng)力傳遞函數(shù)，大幅簡化計(jì)算過程，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，并應(yīng)用自編程序完成疲勞敏感區(qū)域的疲勞譜分析后處理，得到疲勞壽命。應(yīng)用該方法完成的煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司的某在建圓筒樁腿自升式生產(chǎn)平臺(tái)的疲勞分析報(bào)告已通過ABS船級(jí)社審核。

自升式平臺(tái)；圓筒樁腿；疲勞譜分析；應(yīng)力幅傳遞函數(shù)

0 引言

自升式平臺(tái)作為移動(dòng)式海上平臺(tái)，在海洋油氣開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于自升式平臺(tái)，疲勞問題主要體現(xiàn)在隨機(jī)波浪載荷作用下產(chǎn)生的隨機(jī)交變應(yīng)力對(duì)平臺(tái)樁腿造成疲勞損傷[1]。疲勞“譜分析”是一種線性分析方法，應(yīng)力傳遞函數(shù)的建立是疲勞譜分析方法的基礎(chǔ)[1]。對(duì)于圓筒形樁腿自升式平臺(tái)而言，疲勞敏感區(qū)域的應(yīng)力與平臺(tái)整體響應(yīng)之間關(guān)系復(fù)雜，很難通過直接方法得到二者之間的關(guān)系，應(yīng)力傳遞函數(shù)搭建困難，因此非常有必要探索一種

快速搭建應(yīng)力傳遞函數(shù)的方法，以便快速可靠地評(píng)估平臺(tái)疲勞強(qiáng)度。

本文通過自升式平臺(tái)整體分析軟件，計(jì)算出平臺(tái)對(duì)波浪載荷的整體響應(yīng)，并應(yīng)用子模型方法將平臺(tái)整體響應(yīng)反映的疲勞敏感區(qū)域，通過多層合理的線性假設(shè)，快速搭建起合理的應(yīng)力幅傳遞函數(shù)，而非應(yīng)力傳遞函數(shù)，簡化計(jì)算過程，縮短計(jì)算時(shí)間，為疲勞譜分析建立基礎(chǔ)。并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性，得到ABS船級(jí)社的認(rèn)可。

1 圓筒樁腿自升式平臺(tái)參數(shù)

中集來福士海洋工程有限公司某在建自升式生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)為長方體船型，主船體前后左右對(duì)稱，尺寸為75 m×50 m×7 m，四根圓筒形樁腿支撐主船體，每根樁腿長112 m、直徑4.5 m，樁腿前后左右間距為47 m×42 m。平臺(tái)主要功能是搭載天然氣壓縮模塊，壓縮油田伴生氣并注回油井，增大油壓，提高產(chǎn)油率，并且節(jié)能降耗、綠色環(huán)保。此圓筒樁腿自升式生產(chǎn)平臺(tái)的效果圖如圖1所示。

圖1 圓筒樁腿自升式生產(chǎn)平臺(tái)

此平臺(tái)為墨西哥灣某油田量身設(shè)計(jì)建造，平臺(tái)到達(dá)該油田壓樁站位后將連續(xù)工作8年～12年，無需移動(dòng)或者頻繁升降平臺(tái)，平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)疲勞壽命為25年。因此對(duì)此平臺(tái)的疲勞計(jì)算只考慮站位作業(yè)工況，其他拖航、預(yù)壓載、升降等工況操作次數(shù)極少，只做強(qiáng)度計(jì)算即可，無需疲勞計(jì)算。

2 平臺(tái)整體響應(yīng)計(jì)算

2.1 平臺(tái)整體響應(yīng)模型

對(duì)圓筒形樁腿自升式平臺(tái)在站位作業(yè)工況下的疲勞計(jì)算，首先利用結(jié)構(gòu)分析軟件SACS計(jì)算平臺(tái)在波浪作用下的整體響應(yīng)。

平臺(tái)的SACS模型如圖2所示，主船體和固樁架簡化為箱型梁框架結(jié)構(gòu)[2]，由四根圓筒形樁腿支撐，在樁腿底部模擬海底基礎(chǔ)作用采用彈性支撐，圓筒形樁腿直徑4.5 m，船艏方向?yàn)榱愣确较?，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向。

圖2 平臺(tái)整體模型

整體模型建立過程中要考慮水深、氣隙、入泥深度、樁腿水動(dòng)力參數(shù)等因素，SACS整體模型計(jì)算參數(shù)如表1所示?？紤]海生物和雷諾數(shù)影響，計(jì)算得每條樁腿的拖拽系數(shù)為 1.11，慣性力系數(shù)為1.47[3]。

表1 SACS整體模型計(jì)算參數(shù)

2.2 疲勞載荷定義

疲勞損傷破壞是自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因之一，平臺(tái)在作業(yè)海域承受復(fù)雜的環(huán)境載荷，包括風(fēng)、浪、流、冰、地震等多種載荷，但波浪載荷作為一種隨機(jī)交變載荷是引起疲勞主要原因，其他載荷可作為靜態(tài)載荷處理[1,2]，假設(shè)其對(duì)疲勞損傷沒有貢獻(xiàn)。

計(jì)算平臺(tái)整體響應(yīng)，只考慮對(duì)疲勞有主要貢獻(xiàn)的重量載荷和波浪載荷。平臺(tái)提升重量是12 700 t，四根樁腿重量為4 300 t，樁靴重量為460 t，由于重量載荷引起的一階P-Δ效應(yīng)通過SACS軟件自行計(jì)算[4]。對(duì)于波浪載荷，在SACS軟件中選用以Stokes五階波理論為基礎(chǔ)，使用莫里森公式計(jì)算不同浪向的波浪載荷。

參考國內(nèi)外自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，波浪載荷產(chǎn)生的循環(huán)傾覆力矩是導(dǎo)致平臺(tái)疲勞敏感區(qū)產(chǎn)生疲勞應(yīng)力的主要原因。在模型中360°方向每隔30°取一浪向，共取12個(gè)浪向，按照等頻率間隔原則從1.0 s～33 s中取17個(gè)波浪周期，共需計(jì)算204個(gè)波浪。對(duì)每個(gè)波浪間隔5°相位對(duì)波浪載荷進(jìn)行搜索，搜索出在泥面處產(chǎn)生最大傾覆力矩（Max.OTM）和最小傾覆力矩（Min.OTM）時(shí)的兩個(gè)相位，定義為一組工況，共定義204組408個(gè)工況，每組工況對(duì)應(yīng)一個(gè)波浪載荷幅值。

2.3 疲勞敏感區(qū)域

對(duì)于圓筒形樁腿自升式平臺(tái)而言，疲勞敏感區(qū)主要集中在樁腿上部與固樁架相連的區(qū)域、樁腿底部及樁靴區(qū)域。本論文主要通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)闡述上述疲勞敏感區(qū)域的疲勞譜分析方法。

該項(xiàng)目中兩個(gè)疲勞敏感區(qū)域，即樁腿上部與固樁架相連的區(qū)域、樁腿底部及樁靴區(qū)域，其有限元子模型如圖3和圖4所示。

圖3 樁腿上部與固樁架相連的區(qū)域子模型

圖4 樁腿底部及樁靴區(qū)域子模型

3 線性化假設(shè)

結(jié)構(gòu)疲勞損傷程度的大小主要與應(yīng)力變化范圍（即應(yīng)力幅值）和作用次數(shù)有關(guān)[1]。為簡化計(jì)算過程，縮短計(jì)算時(shí)間，在足以保證平臺(tái)疲勞計(jì)算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列線性化假設(shè)，可直接建立某一特定波浪頻率下從波高到結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值的傳遞函數(shù)，將計(jì)算量大大縮減。作用在結(jié)構(gòu)上的波浪載荷幅值與波高存在非線性關(guān)系，但如果以某中等波高為基準(zhǔn)，對(duì)波浪載荷幅值與波高關(guān)系進(jìn)行線性逼近，其精確程度足以滿足疲勞校核要求[5,6]，因此在此平臺(tái)波浪載荷計(jì)算時(shí)以某一特定波高為基準(zhǔn)，線性逼近實(shí)際的波浪載荷幅值和波高關(guān)系曲線。

結(jié)構(gòu)內(nèi)力與載荷呈線性關(guān)系，波浪載荷的動(dòng)態(tài)放大也線性反映到結(jié)構(gòu)內(nèi)力上，因此每組波浪工況對(duì)應(yīng)一組結(jié)構(gòu)內(nèi)力幅值，此內(nèi)力幅值作為后續(xù)疲勞子模型計(jì)算的載荷輸入，即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)每個(gè)波浪的結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值。下面以0°浪向某一特定波高和頻率的波浪為例，詳細(xì)說明計(jì)算過程。

4 工況計(jì)算樣例

在平臺(tái)整體SACS中，定義0°方向某一特定波高和頻率的Stokes波，設(shè)置相位計(jì)算步長為5°，共計(jì)算72個(gè)相位，搜索在泥面位置產(chǎn)生最大和最小傾覆力矩的相位，并將輸出最大傾覆力矩和最小傾覆力矩的兩個(gè)相位作為兩個(gè)工況分別結(jié)算，得到一組平臺(tái)整體響應(yīng)。同樣方法，按照12個(gè)浪向和17個(gè)波浪周期組合，定義408個(gè)工況，得到204組平臺(tái)整體響應(yīng)，覆蓋平臺(tái)所有站位作業(yè)海況[6]。

平臺(tái)整體響應(yīng)計(jì)算完成后，對(duì)疲勞敏感局部區(qū)域建立有限元子模型，并從平臺(tái)整體響應(yīng)中提取結(jié)構(gòu)內(nèi)力，經(jīng)自編程序預(yù)處理后作為載荷幅值輸入子模型，計(jì)算可得到疲勞應(yīng)力幅值。而不是按照通常的疲勞計(jì)算方法，先根據(jù)交變載荷計(jì)算出交變應(yīng)力，再根據(jù)交變應(yīng)力計(jì)算出應(yīng)力幅值，然后按照S-N曲線評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞。在一系列合理的線性化假設(shè)基礎(chǔ)上，通過自編程序?qū)d荷進(jìn)行預(yù)處理，使子模型的計(jì)算工況減半，對(duì)疲勞計(jì)算過程大大簡化，同時(shí)也能保證疲勞評(píng)估結(jié)果的精確度和可靠度。

從平臺(tái)整體響應(yīng)計(jì)算結(jié)果中分別提取節(jié)點(diǎn)008M和節(jié)點(diǎn)0072位置的內(nèi)力，經(jīng)自編程序預(yù)處理

后作為疲勞載荷幅值施加到有限元子模型中。從平臺(tái)整體SACS模型中提取0°方向某一特定波高和頻率的Stokes波作用下的一組工況計(jì)算結(jié)果，節(jié)點(diǎn)0072位置的內(nèi)力和預(yù)處理過程如表2所示，將包含動(dòng)態(tài)放大影響的內(nèi)力幅值作為載荷施加到樁腿底部及樁靴區(qū)域的有限元子模型中，計(jì)算得到該波浪作用下的疲勞應(yīng)力幅值。

表2 節(jié)點(diǎn)0072內(nèi)力及預(yù)處理過程

同理計(jì)算樁腿上部與固樁架相連的區(qū)域的疲勞應(yīng)力幅值，把204組平臺(tái)整體響應(yīng)用同樣方法都反映到有限元子模型后可得到204個(gè)熱點(diǎn)應(yīng)力幅值。由于計(jì)算工況較多，建議計(jì)算過程中對(duì)有限元軟件進(jìn)行簡單開發(fā)，使其自動(dòng)讀入工況，自動(dòng)提取每個(gè)工況下的熱點(diǎn)應(yīng)力幅值，提高程序化操作，節(jié)省時(shí)間。

得到熱點(diǎn)應(yīng)力幅值后，按照ABS的“Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures”規(guī)范中的疲勞譜分析方法（Spectral-based Fatigue Assessment Method）評(píng)估平臺(tái)的疲勞壽命。ABS的疲勞譜分析方法是一種評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞破壞或者疲勞壽命的直接方法，波浪是產(chǎn)生疲勞的主因，其他載荷因素可忽略。這種方法適用于波高—波浪載荷—結(jié)構(gòu)響應(yīng)依次呈線性關(guān)系的情況，對(duì)疲勞的評(píng)估建立在應(yīng)力傳遞函數(shù)基礎(chǔ)之上，應(yīng)力傳遞函數(shù)表征結(jié)構(gòu)在單位波高波浪作用下某位置的應(yīng)力與波浪頻率和浪向之間的關(guān)系，即上述所做工作。

接下來的譜分析過程中采用PM波浪能量譜，樁腿底部及樁靴子模型的熱點(diǎn)應(yīng)力區(qū)域選用海水以下陰極保護(hù)的E疲勞曲線，樁腿上部與固樁架相連子模型中的熱點(diǎn)應(yīng)力區(qū)域選用空氣中的C疲勞曲線，作業(yè)海域波浪散布如表3所示。

表3 作業(yè)海域波浪散布

計(jì)算得樁腿底部及樁靴的最低疲勞壽命為299.7年，樁腿上部與固樁架相連區(qū)域的疲勞壽命為35.8年，詳細(xì)結(jié)果如表4所示。

5 結(jié)論

通過SACS軟件，計(jì)算出平臺(tái)在204個(gè)頻率和浪向組合工況下的整體響應(yīng)，并通過有限元子模型得到疲勞敏感區(qū)域?qū)?yīng)的應(yīng)力幅值，建立起應(yīng)力幅

值與頻率和浪向的關(guān)系，并通過自編后處理程序完成圓筒樁腿自升式平臺(tái)的疲勞譜分析。此方法主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1）只從平臺(tái)整體模型中提取波浪響應(yīng)，對(duì)疲勞敏感區(qū)域建立詳細(xì)的有限元子模型進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，減少對(duì)平臺(tái)整體模型操作的工作量，并有效保證了疲勞敏感區(qū)域疲勞應(yīng)力的準(zhǔn)確性；2）此方法建立起來的是應(yīng)力幅值傳遞函數(shù)，而非應(yīng)力傳遞函數(shù)，相當(dāng)于提前對(duì)疲勞載荷進(jìn)行了預(yù)處理，對(duì)疲勞計(jì)算結(jié)果無影響，在搭建應(yīng)力幅傳遞函數(shù)過程中，合理進(jìn)行線性化假設(shè)，簡化過程的同時(shí)也保證了計(jì)算精度，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。應(yīng)用該方法計(jì)算的實(shí)際項(xiàng)目樁腿疲勞分析報(bào)告已通過ABS船級(jí)社審核。

表4 疲勞計(jì)算結(jié)果

[1]胡毓仁, 陳伯真.船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析[M].上海: 人民交通出版社, 1996.

[2]ABS.ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2012.

[3]The Society of Naval Architects and Marine Engineers.Technical & Research Bulletin 5-5A Guidelines for Sites Specific Analysis of Mobile Jack-up Units[Z].2002.

[4]SACS Manual Version 7.0 Revision 1[Z].2010.

[5]竺艷蓉.海洋工程波浪力學(xué)[M].天津: 天津大學(xué)出版社, 1991.

[6]ABS.ABS Guide for the Fatigue Analysis of Offshore Structures[S].2012.

Spectral-based Fatigue Analysis for Jack-up Platform with Cylindrical Legs

Liu Jing, Fu Qiang, Zhang Guo-dong, Yin Xiu-feng
(Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd., Shandong Yantai 264000, China)

The paper calculates the global response of the jack-up with cylindrical legs on wave loads using SACS software, which evaluates the fatigue sensitive locations.Then the sub-models of fatigue sensitive locations are built by Abaqus software.Through the pre-processing of fatigue load by several liner assumptions, the global response of the jack-up platform is reflected in the sub-models.The reasonable stress range transfer function rather than stress transfer function for the spectral-based fatigue analysis method is directly completed so that the calculation process is greatly simplified and the calculation time is shortened.At last, the post-process of spectral-based fatigue analysis of the fatigue sensitive locations is finished by the self-programmed software.The fatigue life is gained.The fatigue analysis report for a jack-up platform under building in Yantai CIMC Raffles based on the method is finished and got approved by ABS.

jack-up platform; cylindrical leg; spectral-based fatigue analysis; stress range transfer function

674.38

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.013

劉靜（1983—），女，碩士，研究方向：自升式平臺(tái)的強(qiáng)度計(jì)算。