腐蝕損傷對深海半潛式平臺結構極限強度的影響研究

張 健，沈中祥，王自力，嵇春艷

（1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082））

腐蝕損傷對深海半潛式平臺結構極限強度的影響研究

張 健1,2，沈中祥1，王自力1，嵇春艷1

（1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082））

極限強度是半潛式海洋平臺適應環境能力的重要指標，鑒于腐蝕損傷對平臺極限承載能力的重要影響，在評價平臺結構安全性時應考慮腐蝕損傷因素。文章以3000 m深海半潛式平臺為研究對象，運用有限元軟件建立以腐蝕厚度為變量的典型構件和節點的參數化模型，基于逐步破壞分析法和有限元計算法，采用增量理論按比例逐步加載，計算了典型構件和節點在腐蝕損傷影響下的極限承載力，總結了典型構件和節點在不同失效模式和服役年限下的極限承載力演變規律。

半潛平臺；腐蝕；構件；節點；極限強度

1 引 言

隨著各國經濟發展對油氣資源的需求日益擴大，陸上油氣資源的逐步枯竭，油氣資源開發正在不斷地向海洋尤其是深海發展[1]。而深海半潛式鉆井平臺作為目前國內外用于深海開發的主流鉆井設備，體積龐大、結構復雜，且長期處于鹽霧、潮氣和海水等環境中，受到海水及海生物的侵蝕而產生劇烈的電化學腐蝕，海洋環境十分復雜惡劣，腐蝕嚴重影響海洋平臺結構材料的力學性能，降低平臺承載能力，影響平臺使用安全[2]。因此，平臺一旦發生事故后果不堪設想。1980年“亞歷山大·基爾蘭”號（Alexander L.Kielland）半潛式生活平臺由于D-6撐桿在腐蝕作用下發生斷裂最后導致整個平臺的傾覆[3]；2001年3月巴西最大的海上平臺也是當時世界上最大的半潛式海上油井平臺之一，耗資3.26億美元的老齡化平臺P-36號沉沒造成巨大經濟損失和環境污染[4]。這些事故引起了國際海洋工程界的高度重視，國際船舶與海洋結構委員會在2003年成立了專門的"老齡化船舶與海洋結構評估委員會"，探討老齡化船舶和平臺合適的評估方法和判定標準。

平臺極限強度評估是確保其在可能的極限外載荷下有足夠的強度儲備，是保證完整性最有效的方法。目前，研究海洋平臺結構的極限強度已經成為國際海洋工程領域近期的一個熱點研究課題。由于我國深水海洋平臺的研究還處于起步階段，腐蝕對深水海洋平臺極限強度的研究尚未充分開展，再加上我國鋼材抗腐蝕性能及防腐技術與發達國家有一定差距，因此，進行考慮腐蝕損傷下的海洋平臺安全評估研究具有重要意義。

2 極限強度概述

極限強度的概念早在上世紀五十年代就由VASTA提出，極限狀態是評價結構物是處于正常功能狀態還是處于失效狀態的衡量標準。所謂極限分析，就是當外載荷達到某一極限值，結構將變為幾何可變機構，變形將無限制地增長，從而失去承載能力，這種狀態稱為結構的極限狀態。當研究極限狀態時的應力、應變、載荷或變形等時，即為極限分析。根據結構物的種類、使用目的和使用方式的不同，可分為多種極限狀態。即使對于同一種極限狀態，其失效模式也不盡相同。通常情況下可分為三種極限狀態：最終極限狀態、可服務性極限狀態和條件性極限狀態。

本文基于逐步破壞法原理，采用非線性有限元計算方法求解結構的極限強度，采用弧長法[5]求解過程中，考慮幾何和材料非線性的影響，通過改變單元大小、載荷步長、邊界條件等影響結果精度的因素，獲得平臺在考慮腐蝕損傷下典型構件和節點的極限承載力。

3 腐蝕預報模型

海洋平臺結構的腐蝕機理極為復雜，很難用理論化的數學模型進行詳盡描述。目前，在船舶與海洋結構物的腐蝕缺陷分析中，通常以結構物在修復期內的任意一個時刻，板厚以某種形式的減少來表示腐蝕的影響。各國學者根據結構類型的環境、材料特性等提出各類的腐蝕數學模型。Southwell等人[5]提出了一個線性和雙線性的模型。Melchers[6]在統計分析后將該模型參數表示成統計意義上的關系，從而將這兩個模型發展成“拓展的Southwell模型”，并進一步提出了指數模型。這些模型可簡要地歸納如下：

拓展的Southwell線性模型：

Melchers-Southwell指數模型

Melchers還提出了三線性和另一種指數模型

Melchers三線性模型

Melchers指數模型

其中,d（t）是將t時刻腐蝕了的板厚作為確定的量時的值；u（t）和σ（t）是t時刻腐蝕了的板厚作為不確定的均值和標準方差。Duedes和Paik模型中考慮了腐蝕保護系統 （Corrosion Protection System,CPS）對板厚變化的影響，然而，這個模型中認為腐蝕過程在CPS完全失效時才開始，并沒有考慮腐蝕保護系統和環境的相互作用。事實上，腐蝕保護系統比如防腐涂層是一個漸進失效的過程，在其完全失效之前腐蝕就已經開始了。考慮到腐蝕保護效能的逐漸衰減及附著微生物等條件的影響，秦圣平提出用 Weibull方程來描述腐蝕速率[7]：

式中：d∞，β，η，Tst四個待定系數可以根據 Paik[8]等人提供的腐蝕數據分布規律確定，如（8）式，腐蝕速率和腐蝕厚度與時間的關系如圖1和圖2所示。

圖1 腐蝕速率曲線Fig.1 Corrosion rate curve

圖2 腐蝕厚度曲線Fig.2 Corrosion thickness curve

（8）式所示模型是根據Paik所提供的散貨船縱向構件所擬合出的腐蝕曲線，他考慮了CPS的逐漸失效過程，存在腐蝕加速、減速階段，避免了腐蝕速率的躍變過程，具有較好的擬合性。由于本文研究目標為平臺結構的極限強度，需要預報出該結構在最惡劣條件下的最大承載能力，不同海域海水鹽度、溫度和生物附著情況不同，海水對結構的侵蝕能力不同，導致平臺腐蝕保護有效度和腐蝕速率也會有所不同。因此，腐蝕模型需要包括各種最惡劣腐蝕情況，為了揭示腐蝕對平臺結構極限強度的影響，本文算例采用沒有任何腐蝕保護的腐蝕模型，如下式所示[9]。

式中：r（t）為t時間內材料厚度的損失(mm)；ri為平均年腐蝕率(mm/年)；t0為防腐材料的保護時間。 假設在同一區域內，構件年腐蝕率相同。計及海水對水下構件及水上構件腐蝕速率的影響，本文根據各種腐蝕模型的年平均腐蝕量，確定腐蝕速率如表1所示。

表1 腐蝕速率的統計特性Tab.1 Probabilistic characteristics of corrosion rate

4 腐蝕損傷下典型構件和節點極限承載力數值仿真

4.1 典型構件和節點的選取

在進行海洋平臺極限承載力計算之前，首先需要對各種海況條件下海洋平臺的整體受力模式及結構響應進行分析，從而確定在常規海況下海洋平臺的結構受力特點和構件失效模式，以便進一步確定選取何種受力狀態下的何種構件和節點進行極限強度分析。本文依據我國最新的3000米深水半潛平臺圖紙，建立包括平臺主體、立柱、下浮體、橫撐等主要部分的半潛式平臺整體結構的有限元模型，并對其在各種海況下的應力分布狀況進行計算分析，計算結果如圖3所示。在進行極限強度分析時，應選取應力最大部位作為極限強度研究對象。就構件而言，在下浮體與下浮體、立柱與立柱、立柱與平臺之間設置的撐桿一方面加強了平臺的強度，同時由于其受力狀態復雜，撐桿是平臺中較易發生破壞的構件，屬平臺結構中的薄弱環節；就節點而言，橫撐與立柱交界處節點應力集中較為嚴重，在各類節點中屬于易首先發生失效的部位，因此，最終確定橫撐作為典型構件、橫撐與立柱交界處節點作為典型節點進行極限強度分析。

圖3 整體半潛式平臺應力分布Fig.3 Stress distribution of the semi-submersible platform

4.2 有限元模型概述

該平臺材料為EQ36鋼材，屈服強度為355MPa，密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.32，彈性模量為206GPa。

建立典型構件（橫撐）有限元模型時，由于橫撐跨度較大，且為左右對稱結構，為減小計算量，典型構件取其長度一半進行參數化建模，中部端面采用對稱約束，為更加準確模擬立柱對橫撐的約束，在橫撐與立柱相交一端建立立柱板，并將約束施加于立柱板四周的剛性周界上，有限元模型如圖4所示。為消除邊界條件的影響，建立典型節點有限元模型時，將立柱上端取橫撐往上1m，下端與浮體甲板相交，橫撐向立柱外測延長2個肋位距離，內側延長1個肋位距離，立柱上下端采用剛性約束。由于載荷施加處結構由殼單元和梁單元兩種類型的單元構成，為解決不同類型的單元之間的載荷傳遞，端部采用MPC進行邊界處理。典型節點有限元模型如圖5所示。

圖4 典型構件（橫撐）有限元模型Fig.4 Finite Element Model of the typical component

圖5 典型節點有限元模型Fig.5 Finite Element Model of the typical node

首先對結構進行一階模態屈曲分析，得到結構的理論屈曲強度（分叉點），將理論屈曲值的2-2.5倍作為載荷施加于結構上，進行典型構件和節點極限承載力計算。

4.3 典型構件和節點失效模式

經過對半潛平臺進行整體應力分析，結果表明，橫撐和節點的受力方式主要有軸向受壓、受彎以及受剪，在多數情況下構件和節點屬于多種受力狀態聯合作用，而且在平臺受到不同海況作用下，橫撐和節點的主受力方式不同。計算結果表明，橫撐的主受力方式為彎曲，典型節點的主受力方式為剪切。

本文在極限承載力計算過程中，首先分別計算了橫撐和節點在服役0年（無損狀態）軸向受壓、純剪切狀態和彎曲狀態下的極限承載力。同時，為了進一步研究不同服役年限下結構腐蝕對橫撐極限承載力的影響，分別計算橫撐在服役10年、20年、30年、40年和50年時彎曲狀態下的極限承載力；分別計算節點在服役10年、20年、30年、40年和50年時剪切狀態下的極限承載力。

4.4 無損狀態下橫撐和節點極限承載力計算結果

無損平臺極限強度評估是剩余極限強度評估的基礎，采用弧長法分別計算橫撐和節點在服役0年（無損狀態）平臺受彎、受剪和受壓3種失效模式下的極限承載力，計算結果如圖6-11所示，結果匯總表見表2。

圖6 橫撐無損受壓荷載曲線Fig.6 Curve of typical component without defects under the compression action

圖7 典型節點無損受壓荷載曲線Fig.7 Curve of typical node without defects under the compression action

圖8 橫撐無損受剪荷載曲線Fig.8 Load curve of typical component without defects under the shear action

圖9 典型節點無損受剪荷載曲線Fig.9 Load curve of typical node without defects under the shear action

圖10 橫撐無損受彎限荷載曲線Fig.10 Load curve of typical component withoutdefects under the bending action

圖11 典型節點無損受彎荷載曲線Fig.11 Load curve of typical node without defects under the bending action

表2 橫撐和節點無損時在壓縮、剪切和彎曲作用下的極限載荷Tab.2 The limit load of typical component and node without defects under the action of compression,shear and bending

研究各種受力模式下橫撐和節點的極限荷載曲線可知，各條曲線有一個共同特點，即在外載荷不斷增加的同時，結構變形也逐步增加，當外載荷達到某一峰值后荷載隨即開始下降，而結構變形將無限制地增長，此時結構逐漸喪失承載能力，該荷載峰值對應狀態即為結構極限強度狀態。對不同受力模式下的曲線形狀比較可以看出，相比而言，橫撐及節點在受壓和受彎模式下的荷載曲線在達到峰值后下降曲率較大，承載力下降迅速，而受剪模式曲線下降曲率較小，卸載速度較為緩慢，這說明無論橫撐還是節點，剪切破壞模式對結構的極限強度的影響較為穩定，而在壓縮和彎曲受力模式下，結構一旦達到極限強度其承受風浪流等外載荷的能力將迅速下降。將典型構件橫撐和典型節點的極限載荷圖進行比較可以發現，三種受力模式下橫撐的極限荷載曲線在峰值位置處均有一個明顯凸起，說明橫撐在達到極限荷載后先是有一個明顯卸載然后再趨于平緩，這與橫撐相對節點而言結構較弱有關，同時與橫撐和節點的約束條件不同有關。

考察橫撐及典型節點到達極限強度狀態時的應力分布，可以發現，無論是受剪、受壓還是受彎模式，節點達到極限狀態時最大應力發生在橫撐與立柱連接的端部，橫撐達到極限狀態時的最大應力同樣發生在靠近橫撐端部的部位，橫撐中部區域應力相對較小，如圖12和圖13所示，因此，在平臺設計及建造時應注意對該區域的結構加強，在平臺使用過程中也應特別注意對該部位的定期檢查和維護。

圖12 典型節點達到極限狀態時應力分布Fig.12 Stress distribution of typical node

圖13 典型構件達到極限狀態的應力分布Fig.13 Stress distribution of typical component

4.5 不同服役期年限下典型構件和節點極限承載力計算結果

海洋平臺除了外部暴露在海洋環境中會發生材料腐蝕外，部分內部結構尤其是液艙結構也會發生不同程度的腐蝕，在進行強度計算時應予考慮，鑒于本文所分析的是典型構件和節點的具體位置，故不考慮結構內部腐蝕影響。本文采用前文所述腐蝕模型，以結構構件厚度的非線性衰減來表示腐蝕的影響，采用弧長控制法計算橫撐和節點受腐蝕損傷影響。由于平臺在斜浪及迎浪狀態時時常處于波峰位于浮體中部或波谷位于浮體中部的情況，從而使平臺處于中拱或中垂狀態，加之橫撐屬于細長型構件，較之于其他受力模式，彎曲是橫撐的主受力狀態，故需考察橫撐在不同服役年下的受彎的極限荷載。典型節點屬于橫撐端部與立柱連接的局部結構，結構較強且長度較小，就壓縮、剪切和彎曲三種受力模式相對而言，剪切為其主受力狀態，故考察節點在不同服役年下受剪切的極限荷載。計算結果見表 3、表 4及圖 14、圖 15。

表3 不同服役年時橫撐腐蝕損傷下的極限強度Tab.3 Ultimate strength of typical component with corrosion damage in different years

表4 不同服役年時典型節點腐蝕損傷下的極限強度Tab.4 Ultimate strength of typical node with corrosion damage in different years

圖14 橫撐在不同服役年限下的極限強度Fig.14 Ultimate strength of typical component in different years

圖15 典型節點在不同服役年限下的極限載荷Fig.15 Ultimate strength of typical node in different years

對計算結果進行分析可以看出，腐蝕損傷對深海半潛式平臺的極限承載力具有重要影響，典型構件及典型節點的極限承載力隨著服役年限增加而近似呈線性降低，且前30年極限承載力下降較快，30年后下降速率相對平緩。對橫撐而言，前30年中每10年的極限承載力損失約為服役0年時極限承載力的7%左右，30年以后每10年的極限承載力損失約為服役初期極限承載力的4%左右，且有愈加平緩的趨勢。典型節點也具有相同的規律，前30年每10年其極限承載力損失8.5%，30年后每10年損失約5.1%。分析產生這一現象的原因，是因為平臺結構外表面暴露于海洋環境中腐蝕嚴重，內部結構不直接與海洋環境接觸，可以忽略其腐蝕損傷。因此，前30年外板對整個結構的極限承載力貢獻較大，外板厚度的損失對整個結構極限強度的比重較大，而隨著時間的推移，外板逐漸變薄，結構的內部構件對極限承載力的貢獻逐漸加大，外板厚度的損失對極限承載力的影響所占比重逐漸減小，故而出現30年后極限承載力曲線漸趨變緩的現象。

在不考慮腐蝕保護的前提下，在平臺服役50年后，平臺關鍵構件及典型節點的極限承載力與服役0年相比下降約30%左右。可見腐蝕損傷對平臺的關鍵構件和節點的極限承載力有著重要影響，這種損傷缺陷可在一定程度上減小構件和節點的強度或者放大荷載的作用，從而最終影響結構的安全性，因此在深海半潛式平臺全壽命周期內，平臺的定期維修和腐蝕保護應予以特別關注。

5 結 語

通過對深海半潛式平臺典型構件和節點在腐蝕損傷下極限強度的研究分析，總結出腐蝕損傷對平臺極限承載力的影響及隨時間的演變規律，可以得出如下結論：

（1）海洋平臺整體強度分析表明，深海半潛式海洋平臺的橫撐及橫撐與立柱相交的交貫線區域是平臺的薄弱部位及應力集中區域，易首先達到極限載荷，橫撐的主受力模式為彎曲，典型節點的主受力模式為剪切，在設計中應對此類區域采取相應的結構設計。

（2）腐蝕損傷對平臺的典型構件和節點的極限承載力有重要影響，單純考慮腐蝕損傷的影響，極限承載力隨著服役年限的增加而近似呈線性降低，服役期內的前30年下降尤其迅速，這種損傷與疲勞等多種載荷聯合作用會降低構件和節點的強度而放大荷載的作用，從而最終影響結構的安全性，因此平臺全壽命期內，對海洋平臺結構進行長效防腐、進行定期防腐維護對于提高海洋平臺的極限強度至關重要。

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Influence research of ultimate strength to deepwater semi-submersible platforms structure under corrosion damage

ZHANG Jian1,2，SHEN Zhong-xiang1，WANG Zi-li1，JI Chun-yan1

(1.School of Navy architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China;2.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Ultimate strength is an important indicator of the adaptability to changing environment of semi-submersible platforms.As corrosion damage has significant effects on the ultimate strength,the corrosion damage factor should be taken into account in the platforms structural safety evaluation process.Taking 3000m deep sea semi-submersible platforms as research objects,the parameterized model of typical component and node is established taking corrosion thickness as variable used the finite element software.Based on the gradually damage calculation method and finite element analysis method,the load is increased progressively according to proportion increment theory.The ultimate bearing capacity of typical component and node is calculated under the corrosion damage.The ultimate bearing capacity evolution law of typical component and node under various failure modes and various service years is summarized.

semi-submersible platform；corrosion；component； node；ultimate strength

U661.43

A

1007-7294（2012）11-1283-08

2012-06-09

國家自然科學基金資助項目（50609009）；江蘇省船舶先進設計制造技術重點實驗室開放研究基金資助課題（CJ0806）。

張 健（1977-），男，江蘇科技大學船舶與海洋工程學院副教授,博士研究生;

沈中祥（1985-），男，碩士生。