吳深毅 裴志勇 王 璞 周 佳 楊 鑰

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院2) 上海 200011)

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)對(duì)能源需求與日俱增，海洋石油開(kāi)采的重點(diǎn)方向已從淺海開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)向深水或超深水海域開(kāi)采[1].半潛式鉆井平臺(tái)作為深水油氣開(kāi)發(fā)的主流裝備[2]，其面臨的最大挑戰(zhàn)是如何合理對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在極限海況環(huán)境中保證平臺(tái)的安全性和可靠性.

深水半潛式鉆井平臺(tái)的安全評(píng)估主要基于兩種方式：屈服失效和疲勞破壞.其中屈服失效是指結(jié)構(gòu)材料在極限外載作用下進(jìn)入屈服階段狀態(tài)，而疲勞破壞是指結(jié)構(gòu)材料在重復(fù)加載作用下發(fā)生局部永久性損傷，經(jīng)長(zhǎng)期累積后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象[3].目前海洋平臺(tái)屈服強(qiáng)度評(píng)估準(zhǔn)則主要是在借鑒傳統(tǒng)造船和其他技術(shù)領(lǐng)域的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，引入平臺(tái)實(shí)際設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)得到的，所以在評(píng)估原理和評(píng)估方法上與船舶技術(shù)相似.而目前對(duì)于海洋平臺(tái)的疲勞評(píng)估主要還是基于S-N曲線(xiàn)，包括簡(jiǎn)化疲勞分析方法、確定性方法以及譜分析方法[4].其中，譜分析法中假定平臺(tái)結(jié)構(gòu)是一個(gè)線(xiàn)性系統(tǒng)，在計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)可結(jié)合波浪譜和波浪散布圖來(lái)確定交變應(yīng)力統(tǒng)計(jì)特性，相較于其他兩種方法更為精確和直接.

1 研究區(qū)域方案介紹

以南海某一已投入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，針對(duì)平臺(tái)立柱與甲板盒連接區(qū)域在初始方案的基礎(chǔ)上提出三種不同的優(yōu)化連接型式.研究的平臺(tái)立柱與甲板盒連接區(qū)域具體位置見(jiàn)圖1.

圖1 平臺(tái)立柱與甲板盒典型連接節(jié)點(diǎn)位置

初始方案見(jiàn)圖2，立柱外板和甲板盒底板為普通骨架型式，無(wú)特殊局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處理與加強(qiáng).

圖2 初始方案局部有限元模型

優(yōu)化方案一見(jiàn)圖3，該設(shè)計(jì)方案在研究區(qū)域的底甲板上直接通過(guò)縱橫T排加強(qiáng)，并在立柱內(nèi)外對(duì)應(yīng)設(shè)置肘板.該方案設(shè)計(jì)理念是通過(guò)立柱內(nèi)外側(cè)肘板將應(yīng)力傳遞給甲板上的剛度較大的縱橫T排，立柱與甲板盒的相對(duì)變形應(yīng)力集中在肘板和T排上，不會(huì)發(fā)生在立柱外板和底甲板上.

圖3 優(yōu)化方案一局部有限元模型

優(yōu)化方案二見(jiàn)圖4，該設(shè)計(jì)方案在研究區(qū)域的底甲板上沿著立柱外板對(duì)應(yīng)設(shè)置一道環(huán)向T排，即將立柱外板延伸到甲板之上，同時(shí)設(shè)置徑向T排，并在立柱內(nèi)外設(shè)置徑向肘板.該方案設(shè)計(jì)理念保證豎向結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，來(lái)將應(yīng)力流直接由立柱外板傳遞給甲板上的環(huán)向T排，并由徑向T排來(lái)緩解應(yīng)力集中問(wèn)題.

優(yōu)化方案三見(jiàn)圖5，該設(shè)計(jì)方案在立柱上部將立柱截面由圓形過(guò)渡到矩形，使之分別直接與甲板盒外板以及內(nèi)部艙壁相互對(duì)應(yīng)，并在連接處設(shè)置一塊大肘板.該方案設(shè)計(jì)理念與前兩種方案不同，是通過(guò)改變立柱截面形狀來(lái)使立柱與上部結(jié)構(gòu)外板、縱向艙壁對(duì)齊，保證了主要傳力構(gòu)件的連續(xù)性，合理傳遞應(yīng)力.

圖4 優(yōu)化方案二局部有限元模型

圖5 優(yōu)化方案三局部有限元模型

2 半潛平臺(tái)安全評(píng)估流程

Sesam軟件是DNV-GL開(kāi)發(fā)的大型集成軟件，專(zhuān)注于船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、疲勞分析，以及系泊系統(tǒng)分析，文中所有計(jì)算過(guò)程都是基于Sesam軟件包的各個(gè)模塊完成的.基于Sesam的整個(gè)半潛平臺(tái)安全分析評(píng)估流程見(jiàn)圖6.

圖6 基于Sesam的半潛平臺(tái)安全評(píng)估流程

3 目標(biāo)區(qū)域局部強(qiáng)度分析

目前，各大船級(jí)社規(guī)范對(duì)于半潛式平臺(tái)的波浪載荷計(jì)算均要求采用基于三維水動(dòng)力理論的直接計(jì)算方法[5].波浪載荷計(jì)算采用基于水動(dòng)力頻域分析和譜分析的設(shè)計(jì)譜法，將等效設(shè)計(jì)波產(chǎn)生的平臺(tái)濕表面水動(dòng)壓力和波浪誘導(dǎo)的慣性力映射到結(jié)構(gòu)模型上.

“是的，結(jié)束了！”“顏姨”回答他?！澳俏业拿妹谩泵锥嘤杂种埂！拔視?huì)繼續(xù)照顧她！”“顏姨”說(shuō)，“你愿意放棄這段‘人生’，加入我們嗎？”

結(jié)構(gòu)分析采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法，根據(jù)ABS制定的柱穩(wěn)式平臺(tái)推薦做法(ABS MODU-Part-3)[6]的建議，在強(qiáng)度分析時(shí)取六個(gè)半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力特征響應(yīng)作為選擇波浪工況的控制參數(shù)，選擇這六個(gè)控制參數(shù)達(dá)到極值的瞬時(shí)時(shí)刻的波浪載荷施加到結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行有限元計(jì)算.

3.1 設(shè)計(jì)波參數(shù)確定

設(shè)計(jì)波參數(shù)包括波幅、浪向、波浪周期、相位，按照設(shè)計(jì)波的產(chǎn)生過(guò)程可以分為設(shè)計(jì)波法和設(shè)計(jì)譜法[7].本文采用考慮了波浪的隨機(jī)性和不規(guī)則性的設(shè)計(jì)譜法得到研究平臺(tái)自存工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)，見(jiàn)表1.其中，相位表示設(shè)計(jì)波與結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，作為結(jié)構(gòu)分析的初始相位.工況編號(hào)LC01～LC06分別表示最大分離力狀態(tài)、最大水平扭矩狀態(tài)、最大縱向剪切狀態(tài)、最大縱向慣性力狀態(tài)、最大橫向慣性力狀態(tài)和最大垂向彎矩狀態(tài).

表1 研究平臺(tái)自存工況設(shè)計(jì)波參數(shù)

3.2 邊界條件

在進(jìn)行局部區(qū)域強(qiáng)度校核時(shí)，邊界條件采用Submod模塊中的子模型技術(shù)，將平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)的變形或者位移邊界，通過(guò)節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)依據(jù)單元自身形狀函數(shù)作為插值函數(shù)，將總體模型變形合理地匹配到局部模型的邊界處.

3.3 局部應(yīng)力分析

考慮到風(fēng)暴自存工況下的波浪載荷以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)顯著大于其他工況，對(duì)強(qiáng)度分析起決定性作用，因此選取風(fēng)暴自存工況分別對(duì)各種設(shè)計(jì)方案中研究區(qū)域進(jìn)行局部強(qiáng)度校核.各種設(shè)計(jì)方案中研究局部區(qū)域的各主要構(gòu)件最大von Mises應(yīng)力見(jiàn)表2，由分析結(jié)果可知，各設(shè)計(jì)方案中計(jì)算工況L02和L03時(shí)應(yīng)力水平最高，此時(shí)平臺(tái)分別遭受浪向120°和135°斜浪作用，分別會(huì)產(chǎn)生最大水平橫向扭矩和最大縱向剪力作用.各方案LC03工況下局部應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7.

表2 各種設(shè)計(jì)方案局部區(qū)域主要構(gòu)件最大von Mises應(yīng)力 MPa

圖7 LC03工況局部應(yīng)力云圖

4 目標(biāo)區(qū)域疲勞強(qiáng)度評(píng)估

針對(duì)該平臺(tái)立柱與甲板盒連接區(qū)域，應(yīng)用譜疲勞分析法分別對(duì)三種優(yōu)化方案中的典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估.

4.1 典型節(jié)點(diǎn)篩選

由于疲勞評(píng)估中波浪工況數(shù)量極多，將研究區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)都作為熱點(diǎn)進(jìn)行譜疲勞分析可行性差，一般處理方法是：根據(jù)整理結(jié)構(gòu)響應(yīng)或局部強(qiáng)度評(píng)估篩選若干典型節(jié)點(diǎn)作為疲勞熱點(diǎn)進(jìn)行譜疲勞評(píng)估[8].本文針對(duì)研究區(qū)域篩選出對(duì)局部強(qiáng)度影響較大的若干節(jié)點(diǎn)作為典型危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，各方案篩選出的疲勞危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖8.

圖8 典型節(jié)點(diǎn)位置

4.2 熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)

求取傳遞函數(shù)是應(yīng)用譜分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的關(guān)鍵[9].主要技術(shù)路線(xiàn)為：首先計(jì)算平臺(tái)在不同浪向、不同波長(zhǎng)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)；然后在平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型上施加運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力和外部波浪動(dòng)壓力進(jìn)行有限元分析得到應(yīng)力響應(yīng)；最后應(yīng)力幅值與波浪幅值的比值就是該海況下傳遞函數(shù)的數(shù)值.

本文中在進(jìn)行目標(biāo)平臺(tái)譜疲勞評(píng)估時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)計(jì)算七個(gè)浪向，計(jì)算工況(不同浪向、周期和相位)合計(jì)36×7=252個(gè).各優(yōu)化方案中分別選兩個(gè)典型節(jié)點(diǎn)計(jì)算其熱點(diǎn)應(yīng)力函數(shù)，見(jiàn)圖9.

圖9 各優(yōu)化方案典型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)

4.3 節(jié)點(diǎn)疲勞壽命評(píng)估

當(dāng)每個(gè)短期海況的波浪載荷譜的短期概率密度分布函數(shù)可用連續(xù)概率密度函數(shù)表示時(shí)，基于Miner準(zhǔn)則計(jì)算疲勞累積損傷可表示為

式中：k為選取的短期海況個(gè)數(shù)；pi為對(duì)應(yīng)短期海況出現(xiàn)的概率.

在多級(jí)恒幅交變應(yīng)力作用下，Miner線(xiàn)性累積損傷準(zhǔn)則認(rèn)為結(jié)構(gòu)累計(jì)疲勞損傷是各級(jí)應(yīng)力水平下?lián)p傷之和[10].因此，將典型節(jié)點(diǎn)在各組合短期海況下的疲勞損傷進(jìn)行疊加即可得到總的疲勞損傷度D.結(jié)合目標(biāo)平臺(tái)的設(shè)計(jì)壽命T和節(jié)點(diǎn)的疲勞安全因子即可得到節(jié)點(diǎn)的實(shí)際疲勞壽命Tf=T/D.

文中采用ABS推薦的非管節(jié)點(diǎn)在空氣中帶陰極保護(hù)的E級(jí)S-N曲線(xiàn)[11]，其參數(shù)見(jiàn)表3，各設(shè)計(jì)方案中對(duì)應(yīng)的典型節(jié)點(diǎn)疲勞壽命結(jié)果見(jiàn)表4～6.

表3 疲勞分析S-N曲線(xiàn)參數(shù)

表4 優(yōu)化方案一各熱點(diǎn)累積損傷度計(jì)算值最大結(jié)果

表5 優(yōu)化方案二各熱點(diǎn)累積損傷度計(jì)算值最大結(jié)果

表6 優(yōu)化方案三各熱點(diǎn)累積損傷度計(jì)算值最大結(jié)果

5 結(jié)果分析與方案評(píng)估

不同設(shè)計(jì)方案在自存工況下的最大應(yīng)力值及出現(xiàn)位置見(jiàn)表7.

表7 不同方案自存工況下最大應(yīng)力值及出現(xiàn)位置

初始方案 由表7及圖7a)可知，在立柱與甲板盒相交焊縫附近，局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力突然增大.究其原因，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，該相交焊縫處立柱外板與甲板盒的連接處存在剛性突變，結(jié)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行有效過(guò)渡，導(dǎo)致應(yīng)力流無(wú)法從立柱外板直接傳遞到甲板盒內(nèi)的強(qiáng)力構(gòu)件，導(dǎo)致該位置應(yīng)力集中嚴(yán)重.

優(yōu)化方案一 由表7及圖7b)可知，高應(yīng)力區(qū)域發(fā)生在安裝于立柱外板與甲板連接處的肘板自由邊以及肘板趾端與立柱外板連接處.究其原因，是因?yàn)樵摲桨缚烧J(rèn)為是初始方案的直接加強(qiáng)，仍然沒(méi)有有效改善結(jié)構(gòu)連續(xù)性，應(yīng)力流傳遞路徑復(fù)雜，存在多處應(yīng)力集中，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)最多.但加強(qiáng)T排與肘板剛度的分擔(dān)作用明顯，最高應(yīng)力水平較原始方案降低了28.2%.

優(yōu)化方案二 由表7及圖7c)可知，高應(yīng)力區(qū)域與優(yōu)化方案一類(lèi)似，但應(yīng)力水平相對(duì)優(yōu)化方案一稍高.此方案由于將立柱外板延伸到甲板上，在甲板處保證了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，消除了原始方案以及優(yōu)化方案一中的高應(yīng)力區(qū)域，在一定程度上降低了應(yīng)力集中程度，最高應(yīng)力水平較原始方案降低了25.6%.同時(shí)，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)較優(yōu)化方案一大大減少，疲勞壽命略有降低.

優(yōu)化方案三 由表7及圖7d)可知，高應(yīng)力區(qū)域主要發(fā)生在安裝肘板自由邊及根部.由表6可知，此方案相較與原始方案最高應(yīng)力水平降低19.8%，究其原因，是此方案在連接區(qū)域立柱截面為矩形直角，應(yīng)力流由單一肘板傳遞.但此方案結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，且都位于外部易于檢修，疲勞壽命與優(yōu)化方案二相近.

6 結(jié) 論

1) 半潛平臺(tái)中立柱與甲板盒連接區(qū)域，易因結(jié)構(gòu)幾何形狀突變和結(jié)構(gòu)不連續(xù)問(wèn)題而導(dǎo)致屈服失效，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中應(yīng)將其作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)來(lái)處理.

2) 通過(guò)四種設(shè)計(jì)方案的局部強(qiáng)度分析可知，對(duì)于典型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中問(wèn)題的優(yōu)化研究要遵循結(jié)構(gòu)連續(xù)性原則.

3) 半潛平臺(tái)在作業(yè)過(guò)程中長(zhǎng)期承受波浪載荷的交變作用，立柱與甲板盒連接區(qū)域極易發(fā)生疲勞破壞，應(yīng)當(dāng)作為日常檢修和維護(hù)的重點(diǎn)部位.

4) 通過(guò)對(duì)比分析研究區(qū)域的不同結(jié)構(gòu)方案可知，雖然優(yōu)化方案三局部應(yīng)力相對(duì)較高，但其結(jié)構(gòu)連續(xù)且型式簡(jiǎn)單，疲勞強(qiáng)度較優(yōu)，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)最少且易于檢修，故綜合考慮推薦采用優(yōu)化方案三.