(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

鉆井船為滿足功能需求，在船中處布置有較大的月池。月池開口的存在破壞了船體結構連續(xù)性，其角隅處是應力集中高發(fā)區(qū)。在海洋環(huán)境交變載荷的作用下，開口角隅等應力集中區(qū)域結構容易發(fā)生疲勞失效，危及船舶結構安全[1-5]。

本文以第七代某工字形開口超深水鉆井船為研究對象，該船主甲板開口長44 m，最大寬度超過船寬一半，嚴重破壞了甲板連續(xù)性，導致開口角隅處存在較明顯的應力集中現(xiàn)象，是易發(fā)生疲勞破壞的關鍵區(qū)域?？紤]采用譜分析法對月池開口區(qū)域進行疲勞強度評估，并根據(jù)譜分析結果分析鉆井船開口角隅疲勞載荷特點。

1 目標船及計算載況

1.1 目標船結構特點

目標船為有試采、儲油功能的第七代超深水鉆井船，船長238 m，型寬43.4 m，型深22.4 m，結構吃水12.5 m，全船結構有限元模型見圖1。鉆井船月池開口位于船中處，為提高甲板空間利用率，月池主甲板開口為工字形，船底開口為方型，見圖2。

圖1 鉆井船全船結構模型

圖2 月池開口區(qū)域結構

1.2 疲勞計算載況

鉆井船疲勞強度計算考慮遷移、鉆井和采油3個載況，設計壽命25年，各載況信息見表1。

表1 鉆井船載況信息

2 月池開口區(qū)域疲勞譜分析

疲勞破壞常常發(fā)生在結構不連續(xù)的應力集中區(qū)域，目標鉆井船月池大開口引起的應力集中區(qū)域是本文關注的重點，包括主甲板工字形開口8個角隅和船底方形開口4個角隅。由于角隅較多，且左右舷對稱，較為合理的方法是先建立整體結構粗網格模型進行總體強度分析，對所有角隅進行粗網格疲勞強度計算，結合損傷度計算結果和總體強度分析結果篩選疲勞節(jié)點，然后建立局部精細網格模型進行疲勞譜分析。

2.1 環(huán)境參數(shù)

2.2 S-N曲線

疲勞壽命計算采用DNVGL-RP-C203[5]推薦的雙直線型S-N曲線。鉆井船主甲板開口角隅自由邊采用空氣中的C曲線，船底開口角隅自由邊采用海水中帶有陰極保護措施的C曲線，主甲板開口角隅趾端焊接節(jié)點采用空氣中的D曲線進行疲勞壽命計算，S-N曲線各參數(shù)見表2。

表2 S-N曲線參數(shù)

2.3 月池開口區(qū)域疲勞節(jié)點篩選

根據(jù)鉆井船全船有限元分析結果，對月池主甲板開口和船底開口角隅進行粗網格疲勞譜分析計算，對同類型的節(jié)點進行橫向對比，篩選需要進行精細網格分析的熱點。

式中:a,m為S-N曲線參數(shù)；T為設計壽命，s；Γ為gamma函數(shù)；ε為帶寬系數(shù)；f0為應力響應跨零率；σ為應力分布標準差；λ為雨流修正系數(shù)；μ為低應力范圍修正系數(shù)；pi為各海況出現(xiàn)概率；M為波浪散布圖中所有海況數(shù)之和。

開口角隅處粗網格損傷度見圖3。

雖然左右舷結構基本對稱，但裝載不對稱導致靜水工況應力分布不對稱，進行平均應力修正后右舷主甲板工字型開口角隅疲勞損傷度略高于左舷，因此選擇右舷的4個角隅作為后續(xù)細化分析的熱點，同時靠船艉角隅附近的開口趾端也是典型的應力集中點，故也需要進行細化分析；船底方形開口取損傷度較大的左舷靠艏部角隅作為細化研究熱點。熱點H1～H6分布見圖2。

圖3 開口角隅粗網格損傷度云圖

2.4 開口角隅熱點應力疲勞譜分析

針對篩選出來的6個熱點區(qū)域，結合結構具體細節(jié)，建立單元尺寸不超過t×t(t為板厚)的精細網格模型，見圖4。以距離熱點t/2和3t/2處的表面主應力為基準，采用線性外推法插值計算熱點應力。遷移載況各熱點應力傳遞函數(shù)見圖5。

目標鉆井船設計壽命25年，考慮平均應力和板厚的影響，對熱點應力進行相關系數(shù)修正。選擇相應的S-N曲線，計算得到不同載況下各熱點的疲勞累積損傷度D，則熱點疲勞壽命為25/D，見表3。

圖4 月池開口角隅精細網格模型

圖5 遷移載況熱點應力傳遞函數(shù)

表3 月池角隅熱點疲勞損傷度和壽命

從計算結果可以看出，月池主甲板和船底開口角隅處的疲勞壽命均滿足設計要求。遷移載況計算的波浪環(huán)境條件比作業(yè)工況更為惡劣，因此，遷移載況疲勞損傷度高于作業(yè)載況；主甲板開口角隅疲勞壽命均高于船底開口，這是因為出于強度考慮主甲板開口角隅處的板厚增加較多，且船底月池開口角隅計算疲勞的時候考慮了海水的腐蝕作用；工字形開口角隅H2應力范圍水平高于其他角隅，因此，該點處疲勞壽命最低。

3 疲勞載荷敏感性分析

3.1 載況敏感性

各熱點遷移、鉆井、采油載況下?lián)p傷度占比見圖6。

圖6 不同載況的損傷度占比

遷移載況時間占比只有20%，但是由于其遭遇的海況環(huán)境更為惡劣，因此，遷移載況下疲勞損傷度遠高于其他兩作業(yè)載況。遷移載況對疲勞損傷度貢獻較大的波高范圍在4～9 m之間，鉆井和采油載況對疲勞損傷度貢獻較大的波高范圍在2.25～4.75 m之間，兩者重心位置、吃水相差不大，波浪載荷下結構應力較為接近，且作業(yè)環(huán)境和時間占比相同，故疲勞損傷度接近。

3.2 浪向敏感性

計算統(tǒng)計不同浪向對熱點疲勞損傷度的貢獻，見圖7。

由圖7可見，同一熱點各載況下不同浪向損傷度占比基本一致，對熱點H1損傷度貢獻較大的浪向為245°～345°范圍內的斜浪。鉆井船處于120°～240°的斜浪和迎浪狀態(tài)時，熱點H4～H6疲勞損傷較為嚴重。結合圖8載荷傳遞函數(shù)可知，總縱彎矩以及橫向轉矩是該開口區(qū)域疲勞主控載荷。

圖7 不同載況浪向損傷度占比

熱點H2和H3對60°～120°之間的斜浪和橫浪載荷較為敏感，這是由于熱點H2和H3結構位置緊貼井架，除了受斜浪扭轉載荷作用外，井架的橫搖慣性力對交變應力也有很大的影響，如圖8井架處的橫向加速度RAO所示，60°～120°也是井架橫向加速度較大的浪向區(qū)間。

圖8 載荷傳遞函數(shù)

3.3 海況參數(shù)敏感性

圖9 短期海況累積損傷度(遷移載況)

4 結論

1)根據(jù)譜分析的結果，該鉆井船月池開口角隅處疲勞壽命滿足25年設計要求。

2)船底月池開口角隅受海水腐蝕的影響，其疲勞壽命比主甲板月池開口角隅低，設計時注意優(yōu)化角隅線型，提高疲勞壽命。

3)鉆井船月池開口角隅處的疲勞載荷主要來源于斜浪和迎浪狀態(tài)下的扭轉及彎矩載荷，距井架較近的熱點還應考慮橫搖慣性力的影響。

4)對疲勞損傷度貢獻較大的環(huán)境載荷為波長在50%～100%倍的船長之間的中低海況。