李 輝， 齊曉亮， 王銘飛， 呂國(guó)森， 申 輝

(北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京100011)

新型干樹(shù)半潛平臺(tái)疲勞性能分析

李 輝， 齊曉亮， 王銘飛， 呂國(guó)森， 申 輝

(北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京100011)

干樹(shù)采油平臺(tái)具有修井方便、操作成本低、易于維修建造等優(yōu)勢(shì)，目前僅成功用于TLP和Spar平臺(tái)，相比于這兩種平臺(tái)，半潛式平臺(tái)不受水深限制，易于建造、安裝，但運(yùn)動(dòng)幅度較大。該文提出一種運(yùn)動(dòng)性能較好的新型干樹(shù)半潛平臺(tái)，采用譜分析方法對(duì)其進(jìn)行疲勞分析。首先介紹了目前海洋工程領(lǐng)域比較常用的譜分析方法及其流程，然后對(duì)在位工況下新型干樹(shù)半潛平臺(tái)進(jìn)行了總體強(qiáng)度分析和總體疲勞估算，確定了疲勞關(guān)鍵部位，最后利用譜分析法對(duì)這些關(guān)鍵部位進(jìn)行疲勞分析，得到了各熱點(diǎn)的疲勞壽命。計(jì)算結(jié)果表明，各關(guān)鍵部位的疲勞壽命基本滿足要求，但是比較接近設(shè)計(jì)壽命，因此在后續(xù)的設(shè)計(jì)中疲勞問(wèn)題仍需要重點(diǎn)關(guān)注。

新型干樹(shù)半潛；譜分析；熱點(diǎn)；疲勞壽命

0 引言

全球海洋油氣勘探和開(kāi)發(fā)逐步向深海發(fā)展，深水浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)顯得越來(lái)越重要。半潛式平臺(tái)作為一種典型的深水浮式平臺(tái)，具有運(yùn)動(dòng)性能好、建造簡(jiǎn)易、便于安裝的特點(diǎn)[1,2]，但多用于濕樹(shù)采油。該文介紹了一種新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)，采用平臺(tái)立柱和甲板分離設(shè)計(jì)，上部組塊通過(guò)導(dǎo)管架支撐，平臺(tái)立柱只提供穩(wěn)性和浮力，通過(guò)改變立柱水線面積調(diào)節(jié)平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)周期，增大立柱間距以改善平臺(tái)穩(wěn)性。平臺(tái)中部的導(dǎo)管架一方面為甲板提供支撐，另一方面為立管提供保護(hù)，圖1給出了該平臺(tái)的總體效果圖。

圖1 新型干樹(shù)半潛平臺(tái)效果圖

深水浮式平臺(tái)造價(jià)昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受載荷多樣，因此平臺(tái)的前期設(shè)計(jì)尤為重要，尤其是疲勞設(shè)計(jì)，因?yàn)楣こ讨泻芏嗟钠茐氖鹿识际怯捎谄谄茐囊鸬?。?980年“Alexander L.Kielland”號(hào)半潛平臺(tái)由于一根撐桿發(fā)生疲勞破壞而在北海沉沒(méi)，造成了123人死亡，因此開(kāi)展深水浮式平臺(tái)的疲勞分析具有重要意義[3]。目前用于疲勞分析的方法有兩種：一種是基于S-N曲線的疲勞累積損傷理論；一種是基于斷裂力學(xué)的疲勞裂紋擴(kuò)展理論[4]。馬網(wǎng)扣等基于譜分析法完成了傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)疲勞分析，給出了選取疲勞關(guān)鍵部位的建議和提高疲勞強(qiáng)度的方法[5]。葛菲等對(duì)船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)研究，認(rèn)為船體疲勞強(qiáng)度分析應(yīng)該考慮非線性載荷和多種應(yīng)力成分的影響，并提出了一種等效規(guī)則波方法[6,7]。

該文在參考ABS和DNV船級(jí)社規(guī)范的前提下，利用譜分析方法對(duì)該新型干樹(shù)半潛平臺(tái)進(jìn)行疲勞分析，確定了平臺(tái)疲勞分析關(guān)鍵部位，得到了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力和疲勞壽命，確保平臺(tái)疲勞設(shè)計(jì)滿足要求。

1 新型干樹(shù)半潛平臺(tái)疲勞譜分析方法和流程

目前船舶與海洋工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)疲勞分析方法主要是基于S-N曲線的疲勞累積損傷方法，它又可以分為簡(jiǎn)化方法和譜分析方法[8]。譜分析方法是建立在真實(shí)的海況和裝載工況下的直接計(jì)算方法，可以同時(shí)考慮不同裝載、波頻和浪向組合，計(jì)算精度較高，但是工作量巨大，周期較長(zhǎng)，因此一般通過(guò)專業(yè)的軟件包來(lái)進(jìn)行計(jì)算和分析。該新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)同時(shí)承受風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷，其中波浪載荷是引起結(jié)構(gòu)疲勞的主要因素，因此該文主要考慮波浪引起的疲勞?，F(xiàn)給出新型干樹(shù)半潛平臺(tái)譜疲勞分析方法如下：

(1) 計(jì)算應(yīng)力傳遞函數(shù)Hσ(ω,θ)。直接計(jì)算節(jié)點(diǎn)在各個(gè)頻率ω、浪向θ下的熱點(diǎn)應(yīng)力，對(duì)于管型節(jié)點(diǎn)和非管型節(jié)點(diǎn)，熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算方法稍有不同，計(jì)算方法在后面給出。

(2) 計(jì)算應(yīng)力能量譜Sσ(ω,Hs,Tz,θ)。通過(guò)熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)和波浪散布圖中每一個(gè)短期海況的波浪譜密度函數(shù)，通過(guò)下式得到應(yīng)力能量譜。

Sσ(ω,Hs,Tz,θ)=|Hσ(ω,θ)|2·Sη(ω,Hs,

式中：Sη(ω,Hs,Tz)表示波浪譜密度函數(shù)；Hs表示有義波高；Tz表示跨零周期。

(3) 計(jì)算應(yīng)力能量譜的譜矩。第n階譜矩mn的計(jì)算如下：

ωn·Sσ(ω,Hs,Tz,θ)dω

(4) 應(yīng)用計(jì)算的應(yīng)力能量譜譜矩，對(duì)于服從瑞麗分布的各個(gè)短期海況應(yīng)力范圍，其概率密度分布函數(shù)為：

≤S<+∞

平均跨零周期為

譜寬參數(shù)為

ε

(5) 疲勞累積損傷計(jì)算。根據(jù)Miner準(zhǔn)則計(jì)算累積疲勞損傷，當(dāng)短期海況的應(yīng)力范圍分布服從瑞利分布時(shí)，結(jié)合S-N曲線NSm=K，則第i個(gè)海況造成的累積疲勞損傷Di為：

對(duì)波浪散布圖中的多個(gè)海況(假設(shè)共有K個(gè))造成的損傷進(jìn)行累加，得到總的疲勞損傷D：

式中：T為設(shè)計(jì)壽命(秒)；f0i為第i個(gè)短期海況應(yīng)力范圍的跨零率；pi為有義波高和跨零周期的聯(lián)合概率；Si為第i個(gè)短期海況應(yīng)力范圍；gi(Si)為第i個(gè)短期海況產(chǎn)生的應(yīng)力范圍Si的概率密度函數(shù)。

(6) 疲勞損傷計(jì)算的解析表達(dá)式

1) 對(duì)于單斜率的S-N曲線，(8)式的表達(dá)式可以轉(zhuǎn)化為：

λ(m,εi)表示威爾遜雨流修正因子，計(jì)算如下：

λ(m,

式中：a(m)=0.926-0.033m；b(m)=1.587m-2.323；εi為響應(yīng)譜帶寬。

2) 對(duì)于雙直線的S-N曲線，在拐點(diǎn)(NQ，SQ)處，該S-N雙直線段的m變?yōu)閞=m+Δm(Δm>0)，并且常數(shù)由K1變?yōu)镵2。這時(shí)疲勞損傷的表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

式中：μi為持續(xù)參數(shù)，介于0到1之間，用于計(jì)算落在S-N曲線根底一段內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)對(duì)疲勞損傷的貢獻(xiàn)，μi計(jì)算如下：

2 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)疲勞強(qiáng)度分析

2.1 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)總體有限元模型

新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)模型一共分為三部分，即下浮體、下部導(dǎo)管架和上部組塊，其主要尺寸和重量參數(shù)見(jiàn)表1。選用ANSYS和SACS軟件共同完成建模和分析，平臺(tái)總體有限元模型分別如圖2、圖3所示。

表1 新型干樹(shù)半潛平臺(tái)主要參數(shù)

圖2 新型干樹(shù)半潛總體有限元模型 圖3 下部導(dǎo)管架模型

2.2 環(huán)境參數(shù)

疲勞分析采用的環(huán)境參數(shù)是以南海某海域?yàn)榛A(chǔ)，相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)于南海海域，波浪譜應(yīng)該選用JONSWAP[10]。為了獲取各熱點(diǎn)的應(yīng)力傳遞函數(shù)，一共定義了八個(gè)波浪方向，波浪方向示意圖如圖4所示。

表2 疲勞分析環(huán)境參數(shù)

圖4 波浪方向示意圖

2.3 疲勞關(guān)鍵位置的確定

2.3.1 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)總體強(qiáng)度分析

在進(jìn)行平臺(tái)疲勞強(qiáng)度分析之前，需要先完成平臺(tái)總體強(qiáng)度分析。該文利用ANSYS，WAMIT和SACS軟件完成了不同工況下的波浪載荷計(jì)算，得到了操作工況下的平臺(tái)強(qiáng)度分析結(jié)果，典型應(yīng)力云圖如圖5所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在立柱和浮箱連接部位、導(dǎo)管架和船體連接部位以及立柱內(nèi)部艙壁處。

圖5 新型干樹(shù)半潛等效應(yīng)力云圖

2.3.2 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)整體疲勞分析

強(qiáng)度分析結(jié)果表明，不同工況下波浪載荷對(duì)平臺(tái)作用力有很大差異，因此需要計(jì)算不同周期和浪向的平臺(tái)應(yīng)力響應(yīng)，選取各主要連接部位，應(yīng)力較大區(qū)域和工程經(jīng)驗(yàn)推薦的容易發(fā)生疲勞的區(qū)域進(jìn)行整體疲勞分析[11,12]。該文進(jìn)行整體疲勞分析選取的S-N曲線為ABS-D曲線，通過(guò)整體疲勞分析，選定了如圖6所示關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行熱點(diǎn)分析，這些節(jié)點(diǎn)主要位于立柱內(nèi)部角隅處，導(dǎo)管架和船體連接處，立柱和浮箱連接處。

圖6 疲勞關(guān)鍵位置

2.4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞分析

2.4.1 熱點(diǎn)模型細(xì)化

整體疲勞分析模型網(wǎng)格劃分較粗，沒(méi)有考慮局部細(xì)節(jié)構(gòu)造，因此在進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力分析時(shí)需要進(jìn)行模型細(xì)化，細(xì)化后的有限元模型如圖7、圖8所示。

圖7 疲勞細(xì)化有限元模型1

圖8 疲勞細(xì)化有限模型2

2.4.2 熱點(diǎn)應(yīng)力幅值計(jì)算

熱點(diǎn)應(yīng)力是結(jié)構(gòu)中最大的結(jié)構(gòu)主應(yīng)力或者危險(xiǎn)截面上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，它依賴于結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸以及載荷形式。在不考慮焊縫和裂紋等因素的前提下，按照規(guī)范[13-15]，對(duì)于非管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算應(yīng)采用外插法，如圖9所示；對(duì)于未采用板殼模擬的管型節(jié)點(diǎn)，按照規(guī)范其熱點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)按照式13計(jì)算，如圖10所示。

圖9 熱點(diǎn)應(yīng)力外插法計(jì)算示意圖 圖10 管型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算位置和應(yīng)力疊加示意圖

式中：σx為軸向載荷產(chǎn)生的最大名義應(yīng)力；σmy為面內(nèi)彎矩產(chǎn)生的最大名義應(yīng)力；σmz為面外彎矩產(chǎn)生的最大名義應(yīng)力；SCFAS為軸向載荷在鞍點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)；SCFAC為軸向載荷在冠點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)；SCFMIP為面內(nèi)彎矩對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)；SCFMOP為面外彎矩對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)。

2.4.3 各熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度分析

該文對(duì)選定各熱點(diǎn)進(jìn)行了疲勞分析，得到了各熱點(diǎn)的疲勞損傷和壽命，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。計(jì)算結(jié)果表明，在目標(biāo)平臺(tái)30年設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，選定的危險(xiǎn)部位疲勞強(qiáng)度滿足要求，其中導(dǎo)管架和船體連接位置疲勞壽命最低，因此在后續(xù)設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)關(guān)注此處，盡量降低這些位置應(yīng)力集中，施工時(shí)對(duì)這些區(qū)域要進(jìn)行打磨和有效的防腐處理。

表3 船體關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞分析結(jié)果

表4 導(dǎo)管架關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞分析結(jié)果

3 結(jié)論

新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)譜疲勞分析涉及到總體強(qiáng)度分析，疲勞載荷的計(jì)算，各工況下熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)的計(jì)算，疲勞損傷的累積以及相關(guān)參數(shù)的選取，因此分析過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量大。該文對(duì)新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)進(jìn)行了譜疲勞分析，得到了以下結(jié)論：

(1) 譜疲勞分析方法作為深水浮式平臺(tái)疲勞分析常用方法具有一定的準(zhǔn)確性，但是工作量較大，在平臺(tái)概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行合理的安排和使用。另外譜疲勞分析方法不考慮焊接初始缺陷、殘余應(yīng)力和裂紋擴(kuò)展的影響，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果具有一定的離散型，雖然被業(yè)界采用較多，但是計(jì)算的精度還有待提高。

(2) 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)在立柱和浮箱連接部位，船體和導(dǎo)管架鏈接位置以及幾個(gè)復(fù)雜管型節(jié)點(diǎn)相交處的應(yīng)力較高，疲勞損傷也較大，雖然基本滿足疲勞強(qiáng)度要求，但是在后續(xù)的設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注。

(3) 熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)的計(jì)算是譜疲勞分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的精度對(duì)計(jì)算結(jié)果有直接的影響。該文結(jié)合傳統(tǒng)的半潛式平臺(tái)與導(dǎo)管架平臺(tái)譜疲勞分析方法，對(duì)船體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用了不同的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法，它的正確性與可行性還需進(jìn)一步的驗(yàn)證。

(4) 疲勞載荷的計(jì)算是疲勞分析一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，對(duì)結(jié)果有著決定性的影響。該文只考慮了線性波浪載荷，如何考慮波浪載荷的非線性成分，以及風(fēng)、流和平臺(tái)作業(yè)時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷影響，建立適用深水浮式平臺(tái)在復(fù)雜環(huán)境條件下疲勞分析方法值得研究。

[ 1 ] 羅勇, 高巍, 申輝, 等. 新型深水干樹(shù)半潛平臺(tái)選型及總體性能分析研究[J]. 中國(guó)造船, 2013, 54(A2): 30-40.

[ 2 ] 王世圣, 謝彬, 曾恒一, 等. 3000 米深水半潛式鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能研究[J]. 中國(guó)海上油氣, 2007, 19(4): 277-280.

[ 3 ] 崔磊, 何勇, 毛江鴻, 等. 基于裂紋擴(kuò)展的深水半潛式平臺(tái)疲勞壽命分析[J]. Journal of Ship Mechanics, 2013.

[ 4 ] 羅慧明. 深水鉆井船月池結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2011.

[ 5 ] 馬網(wǎng)扣, 王志青, 張海彬. 深水半潛式鉆井平臺(tái)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命譜分析研究[J]. 海洋工程, 2008, 26(3): 1-8.

[ 6 ] 葛菲. 非線性波浪載荷作用下多種應(yīng)力成份組合的船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析 [D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2004.

[ 7 ] 葛菲, 戴仰山. 在非線性波浪載荷作用下計(jì)及多種應(yīng)力組合時(shí)船體總縱彎曲累積損傷計(jì)算[J]. 船舶力學(xué), 2005, 9(1): 71-78.

[ 8 ] 張立, 金偉良. 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞損傷與壽命預(yù)測(cè)方法[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版, 2002, 36(2): 138-142.

[ 9 ] 馮國(guó)慶. 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2006.

[10] ABS .Guides for Fatigue Assessment of Offshore Structures[S]. 2003.

[11] ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units [S].2008.

[12] CCS.船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南[S].2007.

[13] CCS.海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞強(qiáng)度評(píng)估指南[S].2013.

[14] DNV RP-C203.Fatigue Design of Offshore Steel Structures[S].2010.

[15] API RP 2A WSD. Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S].2005.

Fatigue Performance Analysis of New Dry Tree Semi-Submersible Platform

(COTEC Offshore Engineering Solutions，Beijing 100011， China)

Dry tree production platform has the advantages of convenient workover, low cost, easy to repair and construction, but only successfully used in TLP and Spar platform. Compared to the two platforms, semi-submersible platform is not limited by the water depth, and easy to construction, install, but has larger motion. This paper presents a new dry tree semi-submersible which has well motion performance, then carry on fatigue analysis through spectrum analysis method. Introduce the commonly used method of spectral analysis and process in ocean engineering field, then finish global strength analysis of dry tree semi-submersible platform and Screening fatigue analysis, determine the fatigue key parts. Finally, carry on fatigue analysis for these key parts using spectral analysis method, obtain the fatigue life of the hot spot. The calculation results show that the fatigue life of the key parts meet requirements, but close to the design life, so fatigue problem needs to focus on in following design.

new style dry tree semi； spectrum analysis； hot spot； fatigue life

2014-07-01

李 輝(1985-)，男，工程師。

1001-4500(2015)02-0077-08

P751

A