半潛式平臺關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)節(jié)點形式對疲勞強度的影響

王金峰， 王永剛， 周 慶， 劉仁昌， 王 醍

(1. 中遠海運重工有限公司 設(shè)計研究院， 遼寧 大連 116600；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院， 上海 200011)

0 引 言

深遠海中蘊藏著豐富的石油、天然氣等資源，隨著國內(nèi)海洋工程設(shè)計建造能力的提升，海洋油氣資源的勘探、開發(fā)向深遠海發(fā)展成為可能[1]。半潛式鉆井平臺具有甲板面積大[2]、工作水深適用范圍廣、在風(fēng)浪環(huán)境中運動性能好等諸多優(yōu)點。目前第七代半潛式鉆井平臺作業(yè)水深可達3 600 m，其主體結(jié)構(gòu)由甲板盒、立柱、下浮體和撐桿構(gòu)成。

立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)是半潛式鉆井平臺結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域之一，該結(jié)構(gòu)承受交變的總體載荷導(dǎo)致嚴重的疲勞問題，因此疲勞強度是立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計控制因素。立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計直接決定了局部節(jié)點在復(fù)雜海況下維持完好的能力進而影響整體結(jié)構(gòu)承受載荷的極限能力和使用壽命。以往的海洋工程裝備重大海損事故也顯示，結(jié)構(gòu)的損傷和破壞往往起始或發(fā)生于關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)上。因此，立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計成為第七代半潛式鉆井平臺在深海安全作業(yè)的重要保障。調(diào)研現(xiàn)有半潛式平臺設(shè)計中立柱與甲板盒連接肘板的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)目標第七代半潛式平臺的疲勞分析結(jié)果給出多種設(shè)計優(yōu)化方案，對比不同結(jié)構(gòu)節(jié)點形式和焊接方式對疲勞強度的影響，給出適用于第七代半潛式鉆井平臺立柱與甲板盒連接肘板的疲勞強度優(yōu)化建議。

1 立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計

半潛式鉆井平臺已發(fā)展至第七代，與第六代半潛式鉆井平臺相比，第七代鉆井平臺承受的環(huán)境載荷更為惡劣，對立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的疲勞強度要求更高[3]。調(diào)研、整理已有的典型半潛式平臺如海洋石油981、GM4000、Ocean500等平臺立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，確定第七代鉆井平臺立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計方案為常見的圓弧形過渡肘板結(jié)合周邊加厚嵌入板設(shè)計。由譜疲勞計算可知，基于第六代鉆井平臺的初始設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)形式與尺寸難以滿足第七代鉆井平臺的設(shè)計要求。因此，基于初始方案，針對目標平臺在立柱外板與甲板盒連接位置，考慮立柱結(jié)構(gòu)過渡位置至甲板盒底板間距及施工方案對肘板尺寸的影響，綜合外形尺寸、板厚、材質(zhì)、趾端形式、連續(xù)形式、焊接節(jié)點等因素，給出3種適用于第七代半潛式鉆井平臺立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的節(jié)點形式，如圖1所示。

圖1 3種立柱與甲板盒連接肘板結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計方案

方案1采用與初始方案相同的圓弧形肘板的結(jié)構(gòu)節(jié)點形式，考慮到第七代鉆井平臺作業(yè)能力和環(huán)境適應(yīng)能力的提高，增大初始方案的連接結(jié)構(gòu)尺寸與板厚。方案1為初始方案的加強設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。方案2采用帶有面板的連接肘板形式，以改善原方案連接肘板自由邊的疲勞問題，同時將連接肘板的上下端設(shè)計成軟趾，改善端部疲勞強度，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。方案3采用橢圓弧形的過度肘板結(jié)構(gòu)形式，基于方案1增加了肘板長度，使得肘板形狀適應(yīng)連接位置的受力特點，提高連接結(jié)構(gòu)加強效率，同時提升肘板自由邊的疲勞強度，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 連接肘板設(shè)計方案1

圖3 連接肘板設(shè)計方案2

圖4 連接肘板設(shè)計方案3

2 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的譜疲勞分析

2.1 環(huán)境條件

采用HydroD軟件[4]計算應(yīng)力譜分析所需的周期性載荷，包含波浪載荷[5]和平臺運動引起的慣性力。

在計算節(jié)點熱點應(yīng)力時平臺工作水深取3 600 m，按作業(yè)工況進行計算；根據(jù)美國船級社(ABS)規(guī)范對應(yīng)力傳遞函數(shù)計算精度的要求，計算波浪頻率區(qū)間[6]取0.2～2.0 rad/s、步長為0.05 rad/s，浪向區(qū)間取0°～180°、步長為15°，浪向均勻分布；波浪譜選用JONSWAP譜；波浪散布圖采用全球海況波浪散布圖。

2.2 有限元模型

有限元模型采用板、梁單元建立，有限元模型采用Genie軟件建立[7]。關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜分析采用子模型方法[8]，在合理考慮子模型邊界效應(yīng)的同時保證子模型范圍能夠合理反映細化區(qū)域的幾何形狀，保證細化網(wǎng)格至粗網(wǎng)格的光滑過度。

熱點附近區(qū)域采用4節(jié)點殼單元，在建模時不考慮焊縫和焊趾的細節(jié)，網(wǎng)格尺寸不大于板厚，并保證細化區(qū)域以3個粗網(wǎng)格范圍向外保持良好過渡，如圖5所示。關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)疲勞分析的子模型范圍如圖6所示。細化區(qū)域以3個強框架間距選取子模型，避免邊界影響細化區(qū)域應(yīng)力分布。

圖5 3種改進設(shè)計方案精細網(wǎng)格有限元模型

圖6 整體有限元模型與子模型

2.3 應(yīng)力傳遞函數(shù)

疲勞譜分析[9]的疲勞載荷的計算都將平臺結(jié)構(gòu)作為線性系統(tǒng)，且將波浪視為線性微幅，平臺疲勞分析的波浪載荷采用頻域法求解，系統(tǒng)輸入的波面升高為簡諧變化的波浪，節(jié)點的應(yīng)力分量也是簡諧變化量，但是合成的主應(yīng)力的方向隨著波浪初相位變化而不確定，主應(yīng)力不一定簡諧變化，因此需要在波浪初相0°～360°搜索滿足條件的主應(yīng)力，最終得到在單位波幅波浪激勵下節(jié)點熱點主應(yīng)力，即節(jié)點的熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)，以用于節(jié)點熱點應(yīng)力的譜分析。不同方案對應(yīng)的橫向與縱向肘板疲勞熱點位置如圖7所示。以最大主應(yīng)力計算的不同連接肘板設(shè)計方案熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)分別如圖8～圖13所示。

圖7 橫向與縱向肘板疲勞熱點位置示例

圖8 HS29熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖9 HS31熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖10 HS07熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖11 HS09熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖12 HS04熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖13 HS06熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)

由圖8～圖13可知，立柱與甲板盒橫向連接肘板的傳遞函數(shù)最大值出現(xiàn)在0.75 rad/s頻率左右與90°浪向情況下。不同設(shè)計方案對傳遞函數(shù)最大值出現(xiàn)的頻率與浪向影響較小。

2.4 計算結(jié)果分析

根據(jù)不同節(jié)點結(jié)構(gòu)形式與規(guī)范S-N曲線對應(yīng)關(guān)系：打磨后肘板自由邊可采用ABS的B級曲線；對于有面板節(jié)點形式的肘板腹板邊緣，當裂紋垂直于焊縫時采用C級曲線，當裂紋平行于焊縫時采用E級曲線；其他焊接節(jié)點采用熱點應(yīng)力E級曲線。不同設(shè)計方案熱點的疲勞損傷計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同設(shè)計方案熱點疲勞損傷計算結(jié)果

續(xù)表1 疲勞損傷計算結(jié)果

由表1可知，初始設(shè)計方案的橫向肘板自由邊與縱向肘板下趾端超出標準要求。方案1通過增大圓弧形肘板尺寸直至結(jié)構(gòu)尺寸達到布置限制對初始方案進行改進：縱向肘板下趾端最大損傷為0.29，滿足規(guī)范要求；橫向肘板自由邊損傷為1.10，比初始方案減小35%，當圓弧形結(jié)構(gòu)形式的肘板達到結(jié)構(gòu)布置限制時，其損傷仍不能滿足要求。方案2通過增加肘板面板與趾端圓弧過渡對初始方案進行改進，最終全部熱點滿足要求，方案2為可行方案。方案3通過增大肘板長軸方向臂長至2 450 mm進行改進，此時橢圓弧形肘板自由邊損傷為1.00，剛好滿足規(guī)范要求，方案3也是滿足疲勞要求的可行方案。

不同結(jié)構(gòu)形式連接肘板損傷分布如圖14所示。由圖14可知，由于立柱與甲板盒連接肘板的受力特點，圓弧形肘板損傷最大位置偏向肘板上方，而橢圓弧形肘板最大損傷約出現(xiàn)在橢圓弧的中點位置，說明橢圓弧形肘板形狀更適應(yīng)立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的受力特點。在帶有面板的方案2中，肘板上的最大疲勞損傷出現(xiàn)在面板與肘板的焊縫位置，同時在上下趾端位置的圓弧處損傷分布也比較集中。

圖14 不同結(jié)構(gòu)形式連接肘板損傷分布

2.5 疲勞損傷對海況、浪向的敏感性

結(jié)合目標平臺疲勞譜分析結(jié)果，以方案3自由邊計算結(jié)果為例，開展浪向與海況的疲勞敏感性分析，判斷目標位置疲勞損傷的主要貢獻載荷。其中橫向、縱向肘板自由邊在不同短期海況下的損傷分布如圖15和圖16所示，考慮結(jié)構(gòu)對稱性后不同浪向下的損傷如圖17和圖18所示。

圖15 不同海況下橫向肘板損傷分布

圖16 不同海況下縱向肘板損傷分布

圖17 不同浪向下橫向肘板損傷分布

圖18 不同浪向下縱向肘板損傷分布

由計算結(jié)果可知：對橫向肘板自由邊貢獻較大的海況為波高3.0～7.0 m、周期6.5～9.5 s 的波浪，對縱向肘板自由邊貢獻較大的海況為波高4.0～7.0 m、周期7.5～9.5 s 的波浪；對橫向肘板自由邊貢獻較大的浪向為90°(迎浪為0°，隨浪為180°)，對縱向肘板自由邊貢獻較大的浪向為135°。

3 結(jié)構(gòu)節(jié)點形式與焊接方式對疲勞強度影響

對比連接肘板疲勞危險節(jié)點不同結(jié)構(gòu)形式的疲勞損傷計算結(jié)果可知，在疲勞損傷剛好滿足要求時，有面板形式的肘板(方案2)所需肘板厚度與臂長更小。但有面板形式的肘板設(shè)計不利于連接肘板趾端的疲勞強度，計算結(jié)果表明采用面板加強(方案2)的趾端疲勞損傷約為圓弧形肘板(方案1)趾端處損傷的3倍。不同連接結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的疲勞損傷對比如圖19所示。

由圖19可知，方案3采用橢圓弧形肘板的設(shè)計方案，其肘板自由邊與趾端的疲勞強度均優(yōu)于其他方案，同時方案3沒有面板加強，因此結(jié)構(gòu)形式簡單，是最優(yōu)方案。

圖19 不同連接結(jié)構(gòu)設(shè)計方案疲勞損傷對比結(jié)果

除連接結(jié)構(gòu)節(jié)點形式對疲勞強度有較大影響外，關(guān)鍵區(qū)域的焊接方式也直接影響該區(qū)域的疲勞性能。半潛式平臺結(jié)構(gòu)的焊接方式主要包括無坡口角焊縫、全熔透角焊縫、部分熔透角焊縫等3種。不同焊接方式的應(yīng)力集中系數(shù)差異較大，焊接方式的選取直接影響該區(qū)域結(jié)構(gòu)的疲勞性能，根據(jù)挪威船級社(DNV)船體結(jié)構(gòu)疲勞分析規(guī)范[10]，無坡口角焊縫趾端(見圖20)的幾何應(yīng)力集中系數(shù)為1.41，全熔透角焊縫趾端(見圖21)的幾何應(yīng)力集中系數(shù)為1.13。從規(guī)范要求角度來看，全熔透焊應(yīng)力集中系數(shù)明顯小于無坡口角焊縫趾端的應(yīng)力集中系數(shù)。

圖20 無坡口角焊縫規(guī)范結(jié)構(gòu)示例

圖21 全熔透角焊縫規(guī)范結(jié)構(gòu)示例

綜上所述，對比不同結(jié)構(gòu)節(jié)點形式設(shè)計方案的計算結(jié)果及不同焊接方式，采用橢圓弧形狀的連接結(jié)構(gòu)具有更好的疲勞性能，全熔透焊接方式有利于提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能。因此，立柱與甲板盒連接肘板設(shè)計采用方案3并采用全熔透焊接方式可明顯改善該處結(jié)構(gòu)的疲勞性能，是最適用于第七代半潛式鉆井平臺立柱與甲板盒連接區(qū)域結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。

4 結(jié) 論

(1) 對于立柱與甲板盒：橫向連接肘板疲勞強度對90°浪向最為敏感，橫向分離力是該位置結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的主要控制載荷；縱向連接肘板疲勞強度對135°浪向敏感，扭轉(zhuǎn)與縱向剪切是該結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的主要控制載荷，在關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計中可在總強度階段重點針對這幾個浪向的載荷工況進行結(jié)構(gòu)加強與迭代設(shè)計。

(2) 在立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，除保證其疲勞強度外，需要避免連接肘板的下趾端與立柱形狀過渡交點位置接近，以免引入額外的應(yīng)力集中，因此在實際設(shè)計中肘板垂向長度不能超過方案1中的2 250 mm，采用方案2與方案3能夠有效避免該問題。

(3) 計算發(fā)現(xiàn)，帶有面板的連接肘板形式能夠非常有效地改善原方案肘板自由邊位置處的疲勞強度，但面板的引入不利于連接肘板上下兩個趾端的疲勞強度。建議在自由邊損傷嚴重不滿足要求時采用這種方案。

(4) 對比不同連接結(jié)構(gòu)節(jié)點形式，采用橢圓弧形狀的肘板能夠較好地改善連接結(jié)構(gòu)全部危險熱點的疲勞強度，而且該結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)形式簡單，焊接量少，避免了焊接帶來的缺陷，在立柱與甲板盒連接位置采用該種結(jié)構(gòu)形式結(jié)合全熔透焊接型式是最優(yōu)的設(shè)計方案。