半潛式平臺關鍵結構選取及疲勞壽命計算

劉明琛, 竇培林, 劉夢鴿, 趙佳怡, 張 文

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

近年來，海洋油氣資源開采逐漸由近海走向深遠海。半潛式平臺在海洋工程中的應用逐漸走向深水區(qū)域，該類平臺移動性和穩(wěn)定性良好，且上部甲板空間大，在深水作業(yè)中得到廣泛應用[1]。

半潛式平臺在深水區(qū)油氣資源開采方面擁有優(yōu)勢，但平臺長期在海上作業(yè)，遭受風浪流等各種載荷作用，會遇到一些極端天氣的影響，這對半潛式平臺的結構強度和安全性要求較高。由于半潛式平臺長期在深水區(qū)服役，距離岸邊遠、來回運輸慢、設備拆裝麻煩等缺點導致平臺檢修困難，因此在半潛式平臺設計之初需要注重對關鍵連接處及典型節(jié)點處的計算和標注，便于后期檢修。半潛式在服役期間，難免會出現(xiàn)檢修不及時或受損處難以發(fā)現(xiàn)等情況，易造成安全事故。

半潛式平臺在服役期間遭受各種外部載荷及平臺自身載荷，易出現(xiàn)結構破壞或疲勞損傷等問題，需要對其進行整體結構強度分析和關鍵處的疲勞壽命計算，為平臺安全提供保障。王金峰等[2]通過SESAM軟件研究某第七代半潛式平臺關鍵節(jié)點和關鍵連接處的疲勞壽命，并提出優(yōu)化方案。GHOLIZAD等[3]基于有限元分析理論完成某海域自升式平臺疲勞分析，并提出一種基于極端工況的疲勞計算方法。謝文會等[4-5]根據(jù)斷裂力學和譜疲勞分析等理論方法對南海某半潛式平臺進行疲勞計算，驗證斷裂力學在半潛式平臺裂紋擴展的適用階段，為半潛式平臺的疲勞強度分析提供理論參考。此外，將南海和墨西哥灣等兩種海況進行對比，研究平臺的結構響應情況。趙仕倫等[6]參照船級社規(guī)范，通過波浪散布圖和傳遞函數(shù)計算得到隨機疲勞載荷結果，對平臺立柱與橫撐連接處的裂紋擴展進行研究，計算該處疲勞壽命。

基于南海作業(yè)工況，利用SESAM軟件對南海某半潛式平臺進行簡化分析，計算該平臺的結構強度，并對關鍵節(jié)點處進行疲勞壽命計算。

1 半潛式平臺結構強度計算

1.1 結構模型建立

該平臺主要由下部浮體、立柱和上部模塊組成，通過SESAM軟件中的GeniE模塊建立模型，賦予相關設計參數(shù)，有限元模型如圖1所示，平臺主尺度如表1所示。GeniE中的有限元模型最后劃分網(wǎng)格尺寸為0.8 m，包括板單元、梁單元和上部平臺質(zhì)量塊等，網(wǎng)格劃分結果為49 416個單元、45 514個節(jié)點。

圖1 有限元模型示例

表1 平臺主尺度

1.2 邊界條件設置

半潛式平臺在SESAM/GeniE中建立有限元模型，以平臺上層甲板中心(月池正中心)向下33.5 m處為坐標原點，平臺垂直方向為坐標系z軸方向，水平方向分別為x軸、y軸方向。為了降低或消除在計算過程中出現(xiàn)六自由度的剛性位移對平臺模型的影響，需要選取節(jié)點進行約束。模型設置的約束點在下部浮體底部，進行z向的約束，如圖2所示。

圖2 邊界條件約束

1.3 結構強度計算及關鍵結構選取

半潛式平臺發(fā)生的疲勞損傷一般出現(xiàn)在結構連接處或焊接節(jié)點等部位，因此對平臺進行疲勞分析工作量太大，需要對平臺進行整體強度計算，篩選應力集中區(qū)域，關注關鍵結構連接處和焊接節(jié)點處的應力分布。

在GeniE中將平臺導出為T文件，在HydroD中的Wadam模塊[7]進行水動力分析，設置波浪載荷為0°～90°浪向、步長為15°，波浪周期為3～25 s、步長為2 s。根據(jù)Wadam計算導出的G文件得到平臺的一階波浪力、附加質(zhì)量和附加阻尼等計算結果[8]。利用Sestra模塊[9]對平臺進行結構強度計算，計算結果如圖3所示。圖4為圖3(a)中兩處關鍵結構區(qū)域的局部放大圖。

圖3 結構強度計算結果

圖4 局部放大圖

《海上移動平臺入級規(guī)范(2020)》[10]要求：在結構強度分析過程中，對于平臺可能產(chǎn)生的疲勞裂紋、出現(xiàn)裂紋擴展的任一部位和出現(xiàn)應力集中區(qū)域的關鍵結構均應進行疲勞校核，以確保目標平臺滿足設計使用年限。對于半潛式平臺的關鍵結構選取，應包含立柱與甲板連接處、甲板焊縫處、柱體與殼體連接處等。此外，在設計載荷過程中應考慮靜載工況、靜載荷與環(huán)境載荷的組合工況。

由靜水強度計算結果可得到應力集中出現(xiàn)的區(qū)域，關鍵結構均出現(xiàn)在結構連接處和焊縫節(jié)點。由波浪載荷作用計算結果可知：在立柱與下部浮體連接處出現(xiàn)應力集中區(qū)域。

目標區(qū)域出現(xiàn)在平臺上部甲板與導管架連接處、立柱與下部浮體連接處、平臺上殼體與立柱連接處。將前兩個連接處選為關鍵結構區(qū)域，確定關鍵節(jié)點坐標，便于進行關鍵結構區(qū)域的疲勞分析。后一個連接處出現(xiàn)的應力集中區(qū)域應力較小，不進行計算。

2 截面載荷預報

半潛式平臺由于在海上長期服役，持續(xù)受到波浪載荷作用，因此需進行作業(yè)工況下的波浪載荷預報[11]。選取波浪譜為JONSWAP譜，定義概率水平、浪向分布及發(fā)生概率，設定有義波高為13.8 m，跨零周期為12 s，浪向為0°～90°，設置步長為15°，利用SESAM軟件中的Postresp模塊進行波浪載荷的長期預報。

半潛式平臺立柱和下部浮體連接處受力情況如表2和圖5所示，該處危險截面受力集中，以中橫剖面和中縱剖面為例進行運動響應分析和長期載荷預報。

圖5 截面受力分析

表2 截面受力情況

在Postresp模塊中輸入相關參數(shù)，對中橫剖面和中縱剖面進行計算。運動響應計算結果如圖6所示。長期預報計算結果如圖7所示。

圖6 運動響應計算結果

圖7 長期預報計算結果

半潛式平臺為對稱結構，以0°～90°浪向為研究內(nèi)容，剩余浪向以此為參考。由圖6可知：對于中橫剖面和中縱剖面關鍵處的響應幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)，在設定的7個浪向分布中，對RAO結果影響較大的入射浪向角分別為45°和90°。由圖7可知：在波浪載荷長期預報幅值中，對中橫剖面和中縱剖面的關鍵節(jié)點應力載荷影響較大的是45°和90°浪向角。設定每個浪向的發(fā)生概率相同，計算結果顯示入射浪向角度為45°和90°時對關鍵處的影響最大，說明這兩處浪向分布下的節(jié)點受力危險，并可能與平臺裝載情況有關。

3 關鍵節(jié)點疲勞分析

3.1 疲勞譜分析

疲勞譜分析方法在疲勞分析中具有廣泛應用，依據(jù)平臺在海洋中受到的波浪載荷進行計算，得到波浪力作用結果，并將其施加到結構物上，得到響應譜。疲勞分析主要使用SESAM中的Stofat模塊[12]完成相關計算，利用S-N曲線的Miner累積損傷理論[13]進行求解，對熱點處的疲勞強度進行評估。

根據(jù)《船體結構疲勞強度指南(2021)》[14]，目標平臺在服役期間的設計壽命應滿足：

(1)

式中：D為壽命周期總累積損傷度；TD為設計壽命，a。

疲勞譜分析通過SESAM軟件求解應力響應傳遞函數(shù)和應力響應譜，根據(jù)隨機過程理論[15]可得：

Sσ(ω|HS，TZ，θ)=|H(ω|θ)|2Sη(ω|HS，TZ)

(2)

式中：Sσ(ω|HS，TZ，θ)為應力響應譜；|H(ω|θ)|為應力響應傳遞函數(shù)；Sη(ω|HS，TZ)為波浪譜。

應力響應譜的n階譜矩經(jīng)過計算得

(3)

(4)

(5)

式(3)～式(5)中：mn為響應譜n階譜矩；TZ為跨零周期；σ為短期Rayleigh分布均方差。

根據(jù)式(3)～式(5)求解符合瑞利分布的概率密度函數(shù)：

(6)

式中：S為應力范圍。

考慮目標結構物遭受隨機載荷作用產(chǎn)生的交變應力是隨機的，因此可求解某個海況條件下的累積疲勞損傷度：

(7)

式中：NL為設計壽命周期的應力循環(huán)次數(shù)；A、m分別為S-N曲線相關參數(shù)。

最后根據(jù)各海況條件下的疲勞累積損傷度進行求和，得到壽命周期總累積損傷度D。

3.2 疲勞關鍵節(jié)點確定

將圖3中的4處關鍵區(qū)域選為疲勞計算目標區(qū)域，對其網(wǎng)格細化且網(wǎng)格大小不超過熱點處受力構件的板厚。此外，考慮圖3(b)下部浮體和立柱連接處長期位于海水中，易發(fā)生表面侵蝕，因此選取其中一處應力較大的連接區(qū)域進行疲勞計算。在GeniE中確定目標處的節(jié)點坐標，共計5處，如表3所示。

表3 疲勞關鍵節(jié)點坐標

若對整個平臺進行疲勞分析則工作量巨大，且計算結果不夠精確，因此常采用SESAM軟件中的Submod模塊處理局部模型，實現(xiàn)整體模型載荷傳遞，導入Stofat進行疲勞分析。

在GeniE中建立子模型進行整體載荷傳遞，導出子模型T文件。在Submod模塊中新建Job工作文件，將整體模型強度計算結果R3文件與子模型進行邊界節(jié)點匹配。若在GeniE中設置分組Regular Sets則可進行模型拆分，不再進行Submod模塊處理。兩者計算結果誤差在參考范圍內(nèi)，使用SET分組形式進行局部模型處理。

在模型計算中，根據(jù)目標區(qū)域的熱點坐標使用GeniE將上部平臺設置分組Regular Sets，以SET組形式導入Stofat模塊進行處理。局部模型如圖8所示。

圖8 局部模型示例

在分組Regular Sets中對目標區(qū)域進行網(wǎng)格細化，疲勞部位的網(wǎng)格大小為t×t[14]，將處理的局部模型進行Wadam二次計算，最后將結果接口文件R3.SIN導入Stofat模塊進行疲勞分析。

3.3 疲勞壽命計算

在Stofat模塊中計算疲勞時，主要參考文獻[16]分析使用的S-N曲線DNVC-I。

半潛式平臺設計疲勞壽命為20.0 a，參照文獻[14]第3章第3.5節(jié)，計算節(jié)點在工況中的疲勞累積損傷度為

(8)

式中：ND為20.0 a壽命周期的載荷總循環(huán)次數(shù)，取值0.65×108；NL為載荷譜回復周期循環(huán)次數(shù)，取值100；αk為載荷工況時間分配因數(shù)；K為S-N曲線參數(shù)；SD，k為工況k的應力范圍，N/mm2；ξk為工況k的Weibull參數(shù)，取1。

節(jié)點處的疲勞壽命應計算為

(9)

根據(jù)南海海況輸入相關參數(shù)，對選取的熱點部位進行疲勞壽命計算，計算結果如表4所示。

表4 關鍵節(jié)點疲勞壽命計算結果

4 結 語

以作業(yè)水深為2 500.0 m的半潛式平臺為例，研究平臺結構強度和節(jié)點處的疲勞壽命，以提高平臺的安全性和穩(wěn)定性，避免或減少經(jīng)濟損失。

基于SESAM軟件對半潛式平臺在南海作業(yè)工況條件下的整體強度進行計算，得到靜水工況條件下的結構強度和浪向角為0°～90°的波浪載荷作用下的整體結構強度，根據(jù)應力集中區(qū)域和關鍵結構連接處，篩選5處易產(chǎn)生疲勞損傷的關鍵區(qū)域。

半潛式平臺在服役期間，中橫剖面和中縱剖面界面處遭受載荷集中，屬于危險區(qū)域，選取其截面計算特征載荷SEC1012、SEC1014、SEC2011、SEC2015的RAO運動響應和長期載荷預報幅值，發(fā)現(xiàn)對剖面載荷影響最大的入射浪向角為45°和90°。

對篩選的關鍵區(qū)域進行疲勞分析，確定熱點坐標，根據(jù)南海作業(yè)工況，參考相關規(guī)范，確定疲勞分析方法。由Stofat模塊的計算結果可知：關鍵區(qū)域HOT1～HOT5的疲勞壽命分別為30.6 a、32.6 a、113.0 a、112.0 a、80.0 a。平臺設計壽命期限為20.0 a，因此計算得到的疲勞壽命滿足設計要求。通過對比結果發(fā)現(xiàn)，關鍵區(qū)域HOT1和HOT2的疲勞損傷更大，疲勞壽命相對較短，應進行定期檢修和維護，保證使用安全。