(上海交通大學(xué) 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(jié)構(gòu)連續(xù)性,其角隅處是應(yīng)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(yīng)力集中區(qū)域結(jié)構(gòu)容易發(fā)生疲勞失效,危及船舶結(jié)構(gòu)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(yán)重破壞了甲板連續(xù)性,導(dǎo)致開口角隅處存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,是易發(fā)生疲勞破壞的關(guān)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(jié)果分析鉆井船開口角隅疲勞載荷特點。
目標(biāo)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(jié)構(gòu)吃水12.5 m,全船結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型
圖2 月池開口區(qū)域結(jié)構(gòu)
鉆井船疲勞強度計算考慮遷移、鉆井和采油3個載況,設(shè)計壽命25年,各載況信息見表1。
表1 鉆井船載況信息
疲勞破壞常常發(fā)生在結(jié)構(gòu)不連續(xù)的應(yīng)力集中區(qū)域,目標(biāo)鉆井船月池大開口引起的應(yīng)力集中區(qū)域是本文關(guān)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(jié)構(gòu)粗網(wǎng)格模型進行總體強度分析,對所有角隅進行粗網(wǎng)格疲勞強度計算,結(jié)合損傷度計算結(jié)果和總體強度分析結(jié)果篩選疲勞節(jié)點,然后建立局部精細(xì)網(wǎng)格模型進行疲勞譜分析。
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)
根據(jù)鉆井船全船有限元分析結(jié)果,對月池主甲板開口和船底開口角隅進行粗網(wǎng)格疲勞譜分析計算,對同類型的節(jié)點進行橫向?qū)Ρ龋Y選需要進行精細(xì)網(wǎng)格分析的熱點。
式中:a,m為S-N曲線參數(shù);T為設(shè)計壽命,s;Γ為gamma函數(shù);ε為帶寬系數(shù);f0為應(yīng)力響應(yīng)跨零率;σ為應(yīng)力分布標(biāo)準(zhǔn)差;λ為雨流修正系數(shù);μ為低應(yīng)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(wǎng)格損傷度見圖3。
雖然左右舷結(jié)構(gòu)基本對稱,但裝載不對稱導(dǎo)致靜水工況應(yīng)力分布不對稱,進行平均應(yīng)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(xì)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(yīng)力集中點,故也需要進行細(xì)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(xì)化研究熱點。熱點H1~H6分布見圖2。
圖3 開口角隅粗網(wǎng)格損傷度云圖
針對篩選出來的6個熱點區(qū)域,結(jié)合結(jié)構(gòu)具體細(xì)節(jié),建立單元尺寸不超過t×t(t為板厚)的精細(xì)網(wǎng)格模型,見圖4。以距離熱點t/2和3t/2處的表面主應(yīng)力為基準(zhǔn),采用線性外推法插值計算熱點應(yīng)力。遷移載況各熱點應(yīng)力傳遞函數(shù)見圖5。
目標(biāo)鉆井船設(shè)計壽命25年,考慮平均應(yīng)力和板厚的影響,對熱點應(yīng)力進行相關(guān)系數(shù)修正。選擇相應(yīng)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(xì)網(wǎng)格模型
圖5 遷移載況熱點應(yīng)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(jié)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(shè)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(yīng)力范圍水平高于其他角隅,因此,該點處疲勞壽命最低。
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(yuǎn)高于其他兩作業(yè)載況。遷移載況對疲勞損傷度貢獻(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)應(yīng)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。
計算統(tǒng)計不同浪向?qū)狳c疲勞損傷度的貢獻(xiàn),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(xiàn)較大的浪向為245°~345°范圍內(nèi)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(yán)重。結(jié)合圖8載荷傳遞函數(shù)可知,總縱彎矩以及橫向轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)位置緊貼井架,除了受斜浪扭轉(zhuǎn)載荷作用外,井架的橫搖慣性力對交變應(yīng)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)
圖9 短期海況累積損傷度(遷移載況)
1)根據(jù)譜分析的結(jié)果,該鉆井船月池開口角隅處疲勞壽命滿足25年設(shè)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(shè)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(zhuǎn)及彎矩載荷,距井架較近的熱點還應(yīng)考慮橫搖慣性力的影響。
4)對疲勞損傷度貢獻(xiàn)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。