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(中海油研究總院，北京 100028)

深水半潛式鉆井平臺由于受到長期波浪循環(huán)交變載荷作用，交變應力導致的疲勞破壞是平臺結構的主要破壞形式，平臺結構的疲勞壽命是制約平臺安全作業(yè)的重要因素。目前可采用基于S-N曲線的疲勞累積損傷理論和基于斷裂力學的疲勞裂紋擴展理論預報平臺結構的疲勞壽命。斷裂力學疲勞壽命分析方法通過研究裂紋在結構中生成、擴展的機理，探索裂紋對結構強度的影響，較S-N曲線方法是一種更為先進的方法。由于斷裂力學疲勞分析方法還在不斷的完善和發(fā)展中，還不能完全取代S-N曲線疲勞方法。目前，這兩種方法是船舶及海洋工程結構疲勞分析的兩種基本的、相互補充的方法[1-5]。考慮南海典型環(huán)境條件，針對深水半潛式鉆井平臺典型節(jié)點疲勞壽命進行斷裂力學分析方法和譜疲勞分析方法對比，斷裂力學分析中將平臺結構裂紋作為張開型裂紋來處理[6-7]，對比不同初始裂紋深度情況下疲勞壽命的計算結果，并與譜疲勞分析結果進行對比分析，探討斷裂力學分析方法在南海環(huán)境條件下對深水半潛式鉆井平臺的適用性，提出深水半潛式鉆井平臺典型節(jié)點初始設計階段斷裂力學分析裂紋深度推薦值，用于平臺結構的設計壽命評估及結構發(fā)現裂紋后剩余壽命的驗證分析。

1 結構疲勞壽命斷裂力學計算方法

若結構中初始裂紋深度為a0的裂紋，在恒幅交變應力作用下，經過時間t后，裂紋深度增加到at。通過對Paris公式積分可得到at和t之間的關系式[8-9]，考慮幾何修正系數后，寫為

(1)

式中：C，m為材料參數；a為裂紋深度；n為循環(huán)次數；Y(a)為幾何修正系數；S為應力范圍。

對式(1)積分：

(2)

對于分段連續(xù)隨機載荷，組成長期分布的海況假定共有k個：

(3)

等效應力范圍Se為

(4)

海洋平臺結構應力范圍長期分布為Weibull分布，式(4)中等效應力范圍Se由下式計算。

(5)

式中：γ為應力范圍長期分布Weibull形狀參數，SL為壽命期一遇最大應力范圍，NL為設計壽命期應力循環(huán)次數，m為材料參數，Γ為Gamma函數。由此，疲勞裂紋在隨機載荷作用下的擴展與應力范圍數值等于等效應力范圍Se的恒幅載荷作用下的擴展相等。

將式(3)、(4)代入式(2)，推導可得：

(6)

2 應力強度因子范圍確定方法

應力強度因子范圍表達式為

(7)

式中：S為名義應力范圍,S=σmax-σmin；Y(a)為幾何修正系數；a為裂紋深度。

海洋工程結構焊接裂紋一般為半橢圓形裂紋，平板中半橢圓形表面裂紋的應力強度因子以無限體中內埋橢圓形裂紋公式為基礎，對前后自由表面影響和邊界條件影響進行修正得到。

應力強度因子范圍為

(7)

式中：Sa和Sb為在裂紋尖端的名義軸向應力(平板拉伸應力)和彎曲應力(平板彎曲應力)；Fa和Fb是裂紋尺寸、形狀的函數，下標a表示軸向應力情況，下標b表示彎曲應力情況；Φ0為第二類完全橢圓積分函數。Mk為更正因子，當裂紋位于焊趾應力集中區(qū)域時，要考慮應力集中對裂縫處應力強度因子的影響。Mk隨著裂紋加深而減小，一般裂紋深度為板厚的30%時Mk減小至1，計算中當Mk小于1時假定其為1[8]。不同裂紋種類對接焊和填充焊節(jié)點缺陷見圖1。

圖1 對接焊和填充焊節(jié)點缺陷及幾何形狀

3 目標平臺結構疲勞壽命計算

因缺乏目標深水半潛式鉆井平臺相關材料的試驗資料，在分析中使用BS 7908(鋼結構的疲勞設計與評估指導做法)中推薦的海洋鋼結構斷裂力學疲勞分析參數，取m=3.0，C=2.30×10-12。采用規(guī)范BS 7908和經驗數據進行結構初始裂紋深度和形狀選取。

3.1 平臺立柱撐桿連接處斷裂力學疲勞壽命

選取目標平臺立柱撐桿連接處，用斷裂力學方法進行疲勞分析，共選取4個疲勞校核點，校核點位置見圖2。

圖2 立柱撐桿連接處疲勞校核點位置

根據該處結構形式采用平板半橢圓裂紋缺陷應力強度因子范圍方法計算結構應力強度因子范圍。立柱撐桿連接處撐桿板厚為51 mm、立柱外板厚44 mm。根據南海典型環(huán)境條件下譜疲勞分析結果，校核點1、3處應力長期Weibull分布參數為0.83，校核點2、4處應力長期Weibull分布參數為0.76。BS 7908推薦裂紋深度的選取范圍為0.10～0.25 mm，計算選取裂紋深度為0.10 mm和0.25 mm兩種情況，并根據經驗數據確定裂紋深度a與裂紋半長c的比值取0.62。根據等效應力范圍計算該結構的疲勞壽命，與譜疲勞分析結果進行對比見表1。

表1 立柱撐桿連接處計算結果及對比

表1表明，兩種疲勞分析方法分析結果相近。并且，通過比較發(fā)現斷裂力學方法采用規(guī)范推薦計算參數時其初始裂紋深度取0.1 mm時更為合理。

3.2 平臺撐桿外板焊縫斷裂力學疲勞壽命

選取目標平臺立撐桿外板焊縫連接處，用斷裂力學方法進行疲勞分析，共選取4個疲勞校核點，校核點位置見圖3。

圖3 撐桿外板焊縫疲勞校核點位置

根據該處結構形式采用平板半橢圓裂紋缺陷應力強度因子范圍計算方法結算結構應力強度因子范圍。撐桿外板焊縫處板厚為32 mm，根據南海典型環(huán)境條件下譜疲勞分析結果，4個校核點處應力長期Weibull分布參數為0.89，計算中分別取裂紋深度為0.10 mm和0.25 mm兩種情況，并根據經驗數據確定裂紋深度a與裂紋半長c的比值取0.62。將斷裂力學計算結果與譜疲勞分析結果進行對比見表2。

表2表明，兩種疲勞分析方法分析結果相近，并且初始裂紋深度取0.1 mm時更為合理。

4 結論

1)南海海洋環(huán)境條件下，對比結構斷裂力學方法、譜疲勞分析方法計算結果，發(fā)現計算結果相近，證實了斷裂力學分析方法分析深水半潛式鉆井平臺結構疲勞壽命的可靠性。

表2 撐桿外板焊縫連接處計算結果及對比

2)使用結構譜疲勞分析確定的結構長期應力分布Weibull參數，應用斷裂力學方法立柱撐桿連接處、撐桿外板焊縫熱點不同初始裂紋深度的疲勞壽命，與譜疲勞分析方法計算結果進行對比發(fā)現，在南海海洋環(huán)境條件下采用規(guī)范推薦參數時，初始裂紋深度取0.1 mm為宜。

3)斷裂力學疲勞壽命分析中，壽命期內等效應力是裂紋擴展分析的關鍵，需要準確掌握海洋工程結構服役海域的海洋環(huán)境條件，分析不同結構部位的應力長期分布特征，才能獲得準確的斷裂力學疲勞壽命分析結果。

4)對于南海作業(yè)的深水半潛式鉆井平臺，通過檢查發(fā)現結構存在裂紋尺寸，參考推薦初始裂紋深度0.1 mm，根據平臺作業(yè)情況，可驗證分析平臺裂紋擴展速度及相關應力長期分布特征，從而準確地分析結構的剩余壽命，保障平臺作業(yè)安全。