超深水鉆井船月池角隅區(qū)域疲勞強(qiáng)度及載荷敏感性分析

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

鉆井船為滿足功能需求，在船中處布置有較大的月池。月池開(kāi)口的存在破壞了船體結(jié)構(gòu)連續(xù)性，其角隅處是應(yīng)力集中高發(fā)區(qū)。在海洋環(huán)境交變載荷的作用下，開(kāi)口角隅等應(yīng)力集中區(qū)域結(jié)構(gòu)容易發(fā)生疲勞失效，危及船舶結(jié)構(gòu)安全[1-5]。

本文以第七代某工字形開(kāi)口超深水鉆井船為研究對(duì)象，該船主甲板開(kāi)口長(zhǎng)44 m，最大寬度超過(guò)船寬一半，嚴(yán)重破壞了甲板連續(xù)性，導(dǎo)致開(kāi)口角隅處存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是易發(fā)生疲勞破壞的關(guān)鍵區(qū)域?？紤]采用譜分析法對(duì)月池開(kāi)口區(qū)域進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，并根據(jù)譜分析結(jié)果分析鉆井船開(kāi)口角隅疲勞載荷特點(diǎn)。

1 目標(biāo)船及計(jì)算載況

1.1 目標(biāo)船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目標(biāo)船為有試采、儲(chǔ)油功能的第七代超深水鉆井船，船長(zhǎng)238 m，型寬43.4 m，型深22.4 m，結(jié)構(gòu)吃水12.5 m，全船結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖1。鉆井船月池開(kāi)口位于船中處，為提高甲板空間利用率，月池主甲板開(kāi)口為工字形，船底開(kāi)口為方型，見(jiàn)圖2。

圖1 鉆井船全船結(jié)構(gòu)模型

圖2 月池開(kāi)口區(qū)域結(jié)構(gòu)

1.2 疲勞計(jì)算載況

鉆井船疲勞強(qiáng)度計(jì)算考慮遷移、鉆井和采油3個(gè)載況，設(shè)計(jì)壽命25年，各載況信息見(jiàn)表1。

表1 鉆井船載況信息

2 月池開(kāi)口區(qū)域疲勞譜分析

疲勞破壞常常發(fā)生在結(jié)構(gòu)不連續(xù)的應(yīng)力集中區(qū)域，目標(biāo)鉆井船月池大開(kāi)口引起的應(yīng)力集中區(qū)域是本文關(guān)注的重點(diǎn)，包括主甲板工字形開(kāi)口8個(gè)角隅和船底方形開(kāi)口4個(gè)角隅。由于角隅較多，且左右舷對(duì)稱(chēng)，較為合理的方法是先建立整體結(jié)構(gòu)粗網(wǎng)格模型進(jìn)行總體強(qiáng)度分析，對(duì)所有角隅進(jìn)行粗網(wǎng)格疲勞強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)合損傷度計(jì)算結(jié)果和總體強(qiáng)度分析結(jié)果篩選疲勞節(jié)點(diǎn)，然后建立局部精細(xì)網(wǎng)格模型進(jìn)行疲勞譜分析。

2.1 環(huán)境參數(shù)

2.2 S-N曲線

疲勞壽命計(jì)算采用DNVGL-RP-C203[5]推薦的雙直線型S-N曲線。鉆井船主甲板開(kāi)口角隅自由邊采用空氣中的C曲線，船底開(kāi)口角隅自由邊采用海水中帶有陰極保護(hù)措施的C曲線，主甲板開(kāi)口角隅趾端焊接節(jié)點(diǎn)采用空氣中的D曲線進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，S-N曲線各參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 S-N曲線參數(shù)

2.3 月池開(kāi)口區(qū)域疲勞節(jié)點(diǎn)篩選

根據(jù)鉆井船全船有限元分析結(jié)果，對(duì)月池主甲板開(kāi)口和船底開(kāi)口角隅進(jìn)行粗網(wǎng)格疲勞譜分析計(jì)算，對(duì)同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，篩選需要進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格分析的熱點(diǎn)。

式中:a,m為S-N曲線參數(shù)；T為設(shè)計(jì)壽命，s；Γ為gamma函數(shù)；ε為帶寬系數(shù)；f0為應(yīng)力響應(yīng)跨零率；σ為應(yīng)力分布標(biāo)準(zhǔn)差；λ為雨流修正系數(shù)；μ為低應(yīng)力范圍修正系數(shù)；pi為各海況出現(xiàn)概率；M為波浪散布圖中所有海況數(shù)之和。

開(kāi)口角隅處粗網(wǎng)格損傷度見(jiàn)圖3。

雖然左右舷結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱(chēng)，但裝載不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致靜水工況應(yīng)力分布不對(duì)稱(chēng)，進(jìn)行平均應(yīng)力修正后右舷主甲板工字型開(kāi)口角隅疲勞損傷度略高于左舷，因此選擇右舷的4個(gè)角隅作為后續(xù)細(xì)化分析的熱點(diǎn)，同時(shí)靠船艉角隅附近的開(kāi)口趾端也是典型的應(yīng)力集中點(diǎn)，故也需要進(jìn)行細(xì)化分析；船底方形開(kāi)口取損傷度較大的左舷靠艏部角隅作為細(xì)化研究熱點(diǎn)。熱點(diǎn)H1～H6分布見(jiàn)圖2。

圖3 開(kāi)口角隅粗網(wǎng)格損傷度云圖

2.4 開(kāi)口角隅熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞譜分析

針對(duì)篩選出來(lái)的6個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域，結(jié)合結(jié)構(gòu)具體細(xì)節(jié)，建立單元尺寸不超過(guò)t×t(t為板厚)的精細(xì)網(wǎng)格模型，見(jiàn)圖4。以距離熱點(diǎn)t/2和3t/2處的表面主應(yīng)力為基準(zhǔn)，采用線性外推法插值計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力。遷移載況各熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)見(jiàn)圖5。

目標(biāo)鉆井船設(shè)計(jì)壽命25年，考慮平均應(yīng)力和板厚的影響，對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行相關(guān)系數(shù)修正。選擇相應(yīng)的S-N曲線，計(jì)算得到不同載況下各熱點(diǎn)的疲勞累積損傷度D，則熱點(diǎn)疲勞壽命為25/D，見(jiàn)表3。

圖4 月池開(kāi)口角隅精細(xì)網(wǎng)格模型

圖5 遷移載況熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)

表3 月池角隅熱點(diǎn)疲勞損傷度和壽命

從計(jì)算結(jié)果可以看出，月池主甲板和船底開(kāi)口角隅處的疲勞壽命均滿足設(shè)計(jì)要求。遷移載況計(jì)算的波浪環(huán)境條件比作業(yè)工況更為惡劣，因此，遷移載況疲勞損傷度高于作業(yè)載況；主甲板開(kāi)口角隅疲勞壽命均高于船底開(kāi)口，這是因?yàn)槌鲇趶?qiáng)度考慮主甲板開(kāi)口角隅處的板厚增加較多，且船底月池開(kāi)口角隅計(jì)算疲勞的時(shí)候考慮了海水的腐蝕作用；工字形開(kāi)口角隅H2應(yīng)力范圍水平高于其他角隅，因此，該點(diǎn)處疲勞壽命最低。

3 疲勞載荷敏感性分析

3.1 載況敏感性

各熱點(diǎn)遷移、鉆井、采油載況下?lián)p傷度占比見(jiàn)圖6。

圖6 不同載況的損傷度占比

遷移載況時(shí)間占比只有20%，但是由于其遭遇的海況環(huán)境更為惡劣，因此，遷移載況下疲勞損傷度遠(yuǎn)高于其他兩作業(yè)載況。遷移載況對(duì)疲勞損傷度貢獻(xiàn)較大的波高范圍在4～9 m之間，鉆井和采油載況對(duì)疲勞損傷度貢獻(xiàn)較大的波高范圍在2.25～4.75 m之間，兩者重心位置、吃水相差不大，波浪載荷下結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為接近，且作業(yè)環(huán)境和時(shí)間占比相同，故疲勞損傷度接近。

3.2 浪向敏感性

計(jì)算統(tǒng)計(jì)不同浪向?qū)狳c(diǎn)疲勞損傷度的貢獻(xiàn)，見(jiàn)圖7。

由圖7可見(jiàn)，同一熱點(diǎn)各載況下不同浪向損傷度占比基本一致，對(duì)熱點(diǎn)H1損傷度貢獻(xiàn)較大的浪向?yàn)?45°～345°范圍內(nèi)的斜浪。鉆井船處于120°～240°的斜浪和迎浪狀態(tài)時(shí)，熱點(diǎn)H4～H6疲勞損傷較為嚴(yán)重。結(jié)合圖8載荷傳遞函數(shù)可知，總縱彎矩以及橫向轉(zhuǎn)矩是該開(kāi)口區(qū)域疲勞主控載荷。

圖7 不同載況浪向損傷度占比

熱點(diǎn)H2和H3對(duì)60°～120°之間的斜浪和橫浪載荷較為敏感，這是由于熱點(diǎn)H2和H3結(jié)構(gòu)位置緊貼井架，除了受斜浪扭轉(zhuǎn)載荷作用外，井架的橫搖慣性力對(duì)交變應(yīng)力也有很大的影響，如圖8井架處的橫向加速度RAO所示，60°～120°也是井架橫向加速度較大的浪向區(qū)間。

圖8 載荷傳遞函數(shù)

3.3 海況參數(shù)敏感性

圖9 短期海況累積損傷度(遷移載況)

4 結(jié)論

1)根據(jù)譜分析的結(jié)果，該鉆井船月池開(kāi)口角隅處疲勞壽命滿足25年設(shè)計(jì)要求。

2)船底月池開(kāi)口角隅受海水腐蝕的影響，其疲勞壽命比主甲板月池開(kāi)口角隅低，設(shè)計(jì)時(shí)注意優(yōu)化角隅線型，提高疲勞壽命。

3)鉆井船月池開(kāi)口角隅處的疲勞載荷主要來(lái)源于斜浪和迎浪狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)及彎矩載荷，距井架較近的熱點(diǎn)還應(yīng)考慮橫搖慣性力的影響。

4)對(duì)疲勞損傷度貢獻(xiàn)較大的環(huán)境載荷為波長(zhǎng)在50%～100%倍的船長(zhǎng)之間的中低海況。