極端海洋環境對海洋平臺疲勞壽命的影響

黃維平，劉 超

(中國海洋大學山東省海洋工程重點試驗室，山東青島 266100)

極端海洋環境對海洋平臺疲勞壽命的影響

黃維平，劉 超

(中國海洋大學山東省海洋工程重點試驗室，山東青島 266100)

基于渤海和南海的海洋平臺設計環境條件，分析了近年來我國近海極端海洋環境條件的發生規律及其對海洋平臺疲勞設計條件的沖擊。采用Miner’s線性累積疲勞損傷準則和疲勞可靠性理論，研究了極端海況引起的疲勞損傷對海洋平臺疲勞壽命的影響，提出了考慮極端海洋環境條件的海洋平臺疲勞設計方法。研究表明，由于近年來全球氣候變換帶來的極端氣象條件頻發，導致海洋工程結構經歷傳統意義上的多年一遇海洋環境條件的概率大大增加，使得現行的海洋平臺疲勞設計條件偏離了實際的海洋環境條件。數值算例表明，極端海況引起的疲勞損傷在總的疲勞損傷的比例大大增加，甚至成為疲勞損傷的主要部分。因此，這些極端海況引起的疲勞損傷對結構疲勞壽命的影響不容忽略，考慮極端海洋環境條件的海洋平臺疲勞設計符合近年來的災害性海況頻發的現狀。

海洋平臺;疲勞損傷;疲勞壽命;疲勞設計;極端海況

近年來，全球災害性氣象條件頻發，傳統意義上的多年一遇極端環境條件發生頻度劇增，地震、海嘯、山體滑坡和泥石流等具有毀滅性的自然災害對人類和世界經濟造成了巨大的損失。據國家海洋局的統計，自1989年以來的22年間，我國有統計數據的海洋災害直接經濟損失每年達數十～數百億元［1］。這些海洋災害性環境條件中，海浪和海冰對海洋平臺的安全造成嚴重的威脅。統計資料顯示，我國4 m以上的災害性海浪平均每年發生的天數為:渤海26天、東海123天、南海169天［2］。其發生概率遠遠超過了相應海域的疲勞設計條件(波浪散斑圖)，它的直接影響是降低了海洋平臺實際的疲勞設計安全系數。因此，降低了海洋平臺的疲勞可靠性，應該引起業界的高度重視。

在新的設計環境標準尚未形成之時，為了確保海洋平臺的安全服役，在進行海洋平臺設計和評估時，應充分考慮極端環境條件變化對結構疲勞壽命的影響。基于渤海和南海現行的海洋平臺設計環境條件，基于近年來的海洋環境統計數據，分析了災害性海況頻發對海洋平臺疲勞設計條件的影響。采用Miner＇s線性累計損傷準則，研究了極端環境條件引起的疲勞損傷對海洋平臺設計疲勞壽命的影響，提出了考慮極端環境條件的海洋平臺疲勞設計方法。

1 極端環境條件的變化

1.1 渤海極端海況的統計數據

據國家海洋局的統計數據，渤海每年出現4 m(有效波高)以上災害性海浪的天數平均為26天，其最大波高可達8 m。圖1給出了1989年～2008年間，有數據年份的年度波高趨勢。其中，有12個年份的最大波高達到了4 m，9個年份的最大波高達到了5 m，5個年份的最大波高達到了6 m，2007年發生了波高為8 m的狂濤。

現行的設計環境條件中，渤中某油田所在海域的50年一遇有效波高為4.4 m，100年一遇為4.6 m，且設計波浪散斑圖中，大于4 m有效波高的發生概率為零;錦州一油田所在海域的50年一遇有效波高為3.4 m，100年一遇為3.6 m，波浪散斑圖中，大于4.0 m有效波高的發生概率為零;另一錦州油田所在海域的50年一遇有效波高為4.7 m，100年一遇為5.1 m;南堡某油田所在海域的50年一遇有效波高為3.3 m，100年一遇為3.5 m。

上述數據表明，現行設計標準的50年一遇或100年一遇的波浪幾乎每年都會發生，且發生概率遠遠大于疲勞設計所采用的疲勞散斑圖標準。如果僅僅按照波浪散斑圖進行疲勞設計，那么，極端海況引起的疲勞損傷就會被忽略，從而降低了海洋平臺實際的疲勞安全系數，導致結構疲勞可靠性降低。

1.2 南海極端海況的統計數據

據國家海洋局的統計數據，南海每年出現4 m(有效波高)以上災害性海浪的天數平均為169天，其最大波高可達14 m。圖2給出了1989年～2010年的災害性海浪年度波高趨勢。其中，有12個年份的浪高大于8 m，占19個有數據年份的63%;最大波高大于9 m的年份有9個，占47%;大于12 m的有5個，占26%。1989年有3次臺風(“8908”、“8925”和“8929”)過程形成了8 m以上的狂浪，其中“8908”號臺風浪的最大波高達10 m，持續時間長達5天。1995年～1998年連續發生了6次波高大于8 m的狂浪或狂濤，其中，1995年和1996年連續兩年的最大波高為12 m。2003年～2008年連續發生了18次波高大于8 m的狂浪或狂濤，其中，波高大于9 m的狂濤12次，大于12 m的4次，2006年發生的3次12 m狂濤一共持續了17天。

圖1 渤海災害海浪波高年度趨勢Fig.1 Happening trends of extreme wave in Bohai sea

圖2 南海災害海浪波高年度趨勢Fig.2 Happening trends of extreme wave in South China Sea

現行的設計環境條件中，潿州某油田所在海域的50年一遇有效波高為8.2 m，100年一遇為8.8 m，且設計波浪散斑圖中，大于4 m的發生概率僅為0.012%，大于5 m有效波高的發生概率為零;某深水油氣田所在海域的50年一遇有效波高為12 m，100年一遇為13 m，波浪散斑圖中，大于4 m的發生概率為7.08%，大于9 m有效波高的發生概率為零。這表明，現行標準的50年或100年一遇波浪已經頻繁發生，其發生概率已遠遠超過了波浪散斑圖的標準。因此，由此引起的疲勞損傷不應被忽略。

由此看來，不論是渤海還是南海，由于氣候變化而導致的極端海況頻發已經改變了疲勞設計的環境條件。因此，海洋平臺的疲勞設計及壽命預測必須考慮氣候變化對海洋平臺環境荷載的影響。

2 極端環境條件的特點

2.1 發生頻度高

極端荷載是指發生概率較小、但強度極大的環境荷載，通常這樣的荷載不出現在波浪散斑圖中，如50年一遇或100年一遇的浪流荷載。由于海洋平臺的設計壽命一般為20年，因此，按照極端荷載的定義，服役期內極端荷載可能不會發生，即便發生，由于其發生概率與常年荷載相比非常小，它所引起的疲勞損傷對結構的疲勞損傷貢獻較小，可以忽略。因此，現有的海洋平臺疲勞壽命計算不考慮這樣的“偶發”性荷載引起的疲勞損傷對疲勞壽命的影響。但是，海洋環境統計資料表明，近二十年來極端荷載的發生概率大大增加。南海1991～1996年每年的臺風浪或冷空氣浪的發生次數僅為3～4次，而2006～2010年的五年間，每年發生臺風浪或冷空氣浪的次數達到了7～9次，最高多達15次［3］。東海1992年～2003年每年的臺風浪或冷空氣浪的發生次數僅為1～2次，而2004年～2010年每年的大風浪或臺風浪的發生次數達到了5～7次，最高多達13次。

圖3和圖4分別給出了南海和東海1989～2010年的22年間，大風浪和臺風浪發生頻度的變化趨勢。從圖中可以明顯地看出，近年來我國南海和東海的大風浪或臺風浪發生頻度大幅度增加。

圖3 南海臺風浪發生次數年度趨勢Fig.3 The trend of annual typhoon waves in South China Sea

圖4 東海臺風浪發生次數年度趨勢Fig.4 The trend of annual typhoon waves in East China Sea

2.2 持續時間長

災害性海浪持續時間長是極端環境條件變化的另一個特點:2003年，臺風“伊布都”造成4 m以上的巨浪達6天［4］。2004年8月21～26日，受臺風“艾利”的影響，南海和東海均發生4～10 m的臺風浪，持續時間長達6天［5］。2005年9月8～12日受臺風“卡努”的影響，東海發生了8～12 m波高的臺風浪;9月23～27日，臺風“達維”在南海掀起了6～10 m的臺風浪。兩次臺風浪均持續了5天［6］。2006年5月13～18日和10月29～11月4日，受臺風“珍珠”和“西馬侖”的影響，南海中部和北部形成了12m的臺風浪，持續時間分別為6天和7天［7］。2007年8月3～9日的“0706”號和10月2～8日的“羅莎”臺風分別在南海和東海形成了4～5 m和7～8 m臺風浪，臺風浪持續了7天。國家海洋局9號浮標測到的臺風“萬宜”、“韋帕”和“百合”形成的臺風浪波高分別為8.1、9.5和6.2m，總的持續時間達到了7天;18號浮標測到的臺風“圣帕”、“韋帕”和“0303”強溫帶氣旋形成的海浪最大波高分別為7.6、12.1和7.5 m，總的持續時間達到了9天［8］。2008年1月11～19日的“080111”和11月6～14日的“080106”兩次冷空氣浪影響了全國11個沿海省的所有海域，災害性海浪過程均持續了9天［3］。2009年1月4～12日和10月29～11月5日的兩次冷空氣浪過程分別影響了南海、渤海和東海，災害性海浪過程分別持續了9天和8天［9］。2010年10月2～10日的冷空氣浪影響了南海海域，災害性海浪過程持續了9天［1］。圖5給出了災害性海浪持續時間的變化趨勢。

3 考慮極端海況的疲勞設計

現行的海洋平臺設計方法中，疲勞設計的依據是疲勞散斑圖，即不同波高、不同波向的波浪每年的發生概率。因此，多年一遇荷載通常不出現在波浪散斑圖中。如渤海某油田所在海域的50年一遇波高為4.4 m，波浪散斑圖中大于4 m波高的發生概率為零。而近二十年來，渤海所有海域平均每年發生4 m以上巨浪26天，一次巨浪過程持續時間最長的達9天，其發生概率達2.5%。由此看來，現行設計條件中的多年一遇海況引起的疲勞損傷應該累積到總的疲勞損傷中。

根據上述分析，基于Miner＇s現行累積損傷準則提出了考慮極端環境荷載的疲勞設計方法:

式中:Da、Tf和fa分別為依據波浪散斑圖或長期荷載計算得到的疲勞損傷率(1/年)、海洋平臺設計壽命(年)和長期荷載的疲勞設計安全系數;Di、Ti和fi分別為基于第i個極端海況計算得到的疲勞損傷率(1/天)、第i個極端海況的持續時間(天)和極端海況的設計疲勞安全系數。

Miner提出線性累積損傷理論時就已經注意到，結構發生疲勞破壞時的累積損傷度并不準確地等于1，他的兩次試驗結果分別為0.61≤Δ≤1.45和0.7≤Δ≤2.2［10］。因此，如果考慮結構疲勞破壞時累積損傷度的不確定性或變異性，即D=Δ≠1，則式(1)可表示為:

圖5 災害性海浪持續時間年度趨勢Fig.5 The trend of extreme wave＇s duration in one time

式中:Δ為一隨機變量，海洋工程結構疲勞壽命計算時，可設Δ為對數正態分布隨即變量，并取中值和變異系數分別為 1.0 和 0.30［10］。

由式(1)可得海洋平臺的設計疲勞壽命為:

式中:Tf為海洋平臺的設計疲勞壽命(年)。

式(1)的極端海況可根據統計數據分為若干個不同的等級，包括海冰等極端海洋環境。因此，式中的疲勞設計安全系數可以是相同的，也可以是不同的。如果按照荷載抗力系數法(LRFD)，不同的荷載具有不同的設計荷載系數，即考慮不同荷載的不確定性差異。因此，不同的荷載應采用不同的設計疲勞安全系數。而按照工作應力法(WSD)，則所有荷載具有相同的設計荷載系數，因此，不同荷載可采用相同的安全系數。這樣，式(1)可表示為:

式中:η為疲勞利用系數，η=1/f。

4 數值算例

4.1 計算模型及參數

渤海某導管架平臺的設計水深6.4 m，50年一遇設計高水位的最大波高為4.39 m，100年一遇為4.59 m。該平臺的上部組塊共有5層甲板，其中下面三層為主作業甲板。圖6為該平臺的ANSYS模型，其中，樁土相互作用采用泥線下8倍樁徑來模擬，上部甲板的工字梁用Beam188單元模擬，導管架結構位于泥面以上的部分用Pipe59單元模擬，位于泥面以下的導管架結構以及樁腿結構用Pipe16單元模擬，甲板上部的設備重量用Mass21集中質量單元模擬。

疲勞損傷采用熱點應力計算，熱點應力的確定可以通過有限元方法或參數公式法，國內外的學者采用上述方法對各種類型管節點的應力集中系數進行了比較詳實的研究［11-14］。ANSYS軟件提供的實體單元可有效地模擬主管與支管的連接處的截面形狀，但是由于這些單元在模擬波浪力等方面有所欠缺以及管節點附近單元細化引起的計算量的增加，而SACS軟件雖然提供了KAW，DNV等方法用于計算應力集中系數對管節點疲勞壽命的影響，但是對于一些特殊管節點，其結果與實際情況不符［14］。因此，在確定熱點應力時采用參數公式法［15］，即先通過ANSYS軟件計算出構件的名義應力，然后根據參數公式，確定某管節點的應力集中系數，由名義應力與應力集中系數相乘得出管節點附近的熱點應力。應力循環次數采用雨流計數法計算，疲勞損傷率采用Miner＇s線性累積損傷準則計算，其中的S-N曲線選用API RP 2A推薦的X曲線，隨機變量的中值取1。

4.2 計算結果及分析

圖7給出了節點1和節點2(見圖6)的疲勞損傷中長期海況和極端海況引起的疲勞損傷所占比例。從圖中可以看出，50年一遇波浪荷載引起的疲勞損傷在浪致疲勞損傷中所占比例，節點1為12%;節點2為17%。

圖8給出了極端海況對導管架管節點的疲勞損傷率及疲勞壽命的影響，分析可知，考慮極端荷載后，節點1的疲勞損傷率和疲勞壽命分別增大了10.5%和降低了10.2%;節點2分別增大了27.4%和降低了17.6%。

圖6 平臺有限元模型Fig.6 Model of platform

圖7 極端海況引起的疲勞損傷比例Fig.7 The proportion of the fatigue damages induced by extreme sea states

圖8 極端海況對疲勞損傷/疲勞壽命的影響Fig.8 The effects of the fatigue damages induced by extreme sea states on the fatigue life

上述1年一遇波浪的疲勞損傷是按年發生概率為1計算的，如果按波浪散斑圖計算，則50年一遇波浪引起的疲勞損傷所占比例還將增大。由此可見，極端海況引起的疲勞損傷是不容忽視的。

5 結語

近年來，由于全球氣候變暖，自然災害頻發，傳統意義上的極端海況發生頻率大大增加。分析了近20年的海洋災害數據，得到了極端海浪(50年一遇或100年一遇)的發生頻度和持續時間變化趨勢，并與渤海和南海幾個海域的現行疲勞設計用波浪散斑圖進行了比較。結果表明，高于波浪散斑圖的50年一遇或100年一遇極端海浪近10年來幾乎每年都會發生，甚至一年發生數次，且持續時間較長。而目前的海洋平臺疲勞設計仍沿用傳統的波浪散斑圖，這將導致海洋平臺的結構疲勞設計安全系數降低。因此，使結構的疲勞設計偏于不安全。通過對渤海某平臺的疲勞分析，定量地研究了50年一遇海浪對海洋平臺疲勞損傷的影響，證明了極端海況引起的海洋平臺結構疲勞損傷在結構總的疲勞損傷中占有較大的比例。提出了考慮極端環境荷載的海洋平臺結構疲勞設計方法，并建議在未來的研究和工程中開展更深入地研究，為海洋平臺疲勞設計提供依據和參考。

［1］國家海洋局.2010年中國海洋災害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2011-04-22.

［2］國家海洋局.1998年中國海洋災害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，1998-11-26.

［3］國家海洋局.2008年中國海洋災害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2009-03-12.

［4］國家海洋局.2003年中國海洋災害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2004-01-26.

［5］國家海洋局.2004年中國海洋災害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2005-01-26.

［6］國家海洋局.2005年中國海洋災害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2005-09-26.

［7］國家海洋局.2006年中國海洋災害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2006-11-26.

［8］國家海洋局.2007年中國海洋災害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2008-01-03.

［9］國家海洋局.2009年中國海洋災害公報［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2010-03-05.

［10］胡毓仁，李典慶，陳伯真.船舶與海洋工程結構疲勞可靠性分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2010.

［11］陳團國，陳國明.T型焊接管節點應力集中系數數值分析［J］.焊接學報，2010，31(11):45-48.

［12］石衛華，鐘新谷，余志武.軸向荷載作用下K型管節點應力集中系數研究［J］.工程力學，2010，27(S1):48-52.

［13］楊 錚，金偉良.Y型管節點應力集中系數有限元分析［J］.中國海洋平臺，2004，19(4):17-21.

［14］鄧和霞，張益公，石永敏，等.K型管節點應力集中系數計算方法適用性探討［J］.中國海上油氣，2007，19(5):357-360.

［15］柳春圖，王維明，丁克勤.海上固定式導管架平臺疲勞壽命評估及程序系統［J］.計算力學學報，1997，14(3):342-346.

Study on the method of the fatigue design of offshore platforms considering extreme sea states

HUANG Wei-ping，LIU Chao
(Shandong Key Laboratory of Offshore Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

Based on the design data for the offshore platforms to serve in Bohai bay and South China Sea，the trends of extreme sea states in China offshore and its impact on the fatigue design conditions of offshore platforms have been analyzed.The effect of the fatigue damage induced by extreme sea states on the fatigue life of offshore platforms has been studied based on the Miner’s linear cumulation rule of fatigue damage and the theory of fatigue reliability.The results show that the probability of offshore platforms experiencing years-return sea states has risen largely because the extreme weather happens frequently due to the global warming and it makes the current conditions for the fatigue design of offshore platforms less reasonable.The numerical example shows that the proportion of the fatigue damages induced by extreme sea states to total fatigue damages rises sharply with the extreme sea states happening frequently，even being main fatigue damage.Therefore，the effect of the fatigue damages induced by extreme sea states on the fatigue life of offshore platforms should not be neglected.The fatigue design of offshore platforms considering extreme sea states is in accordance with the changing trend of environmental conditions in recent years.

offshore platform;fatigue damage;fatigue life;fatigue design;extreme sea state

P751

A

1005-9865(2012)03-0125-06

2011-10-11

國家自然科學基金資助項目(51079136;51179179)

黃維平(1954-)，男，浙江人，教授，主要從事海洋工程結構設計研發。E-mail:wphuang@ouc.edu.cn