海洋鉆井平臺抗冰結構的疲勞分析

劉力吉（渤海裝備遼河重工，遼寧　盤錦　124010）

海洋鉆井平臺抗冰結構的疲勞分析

劉力吉（渤海裝備遼河重工，遼寧盤錦124010）

由于陸地油氣資源的日趨緊張，海洋蘊含著豐富油氣資源，海冰作用對結構的損傷是很嚴重的，所以對海洋鉆井平臺抗冰結構的疲勞壽命分析顯得十分重要。希望通過本文，對海洋鉆井平臺冰激疲勞分析方面的研究提供一些可借鑒之處，對抗冰結構的設計和安全評估方面的實際應用提供參考。

疲勞分析；壽命分析

1　模型介紹

由于海洋平臺結構比較復雜，附屬設施比較多，在建立結構有限元模型過程中一般都要對真實的結構進行一些必要的簡化，但是結構的簡化必須保證結構和結構動力特性的真實性，即在結構上要保證主體結構幾何形狀的真實性，在結構動力特性上要保證結構的振動頻率和振型的真實性。海洋平臺結構的簡化主要集中上部質量和樁基的處理上。如果平臺上部設備的放置位置和重量已知，可以按照重量的實際分布處理，但在一般情況下，也可以假定平臺上部質量均勻分布在整個甲板面積上。對于樁-土相互作用，可以按照有關規范按照等效樁來考慮，等效樁長度取6倍樁徑。

冰荷載的大小會直接影響疲勞壽命分析的結果，冰疲勞環境的建立，冰疲勞環境就是冰疲勞環境參數長期的概率分布，因為影響冰情的因素眾多，復雜多變，目前難以像波浪環境一樣利用短期的觀測就可以推斷出長期冰參數的概率分布，同時海洋平臺的結構也十分復雜，快速準確的計算出冰荷載作用下的熱點應力也是十分重要的。

利用ANSYS軟件建立其有限元模型，上部用mass21模擬；導管架用實際尺寸由管單元pipe模擬；工字梁用梁單元beam189模擬；入土的部分樁用梁單元pipe16模擬，導管架內的樁用增加導管架厚度近似，樁-土的相互作用由等效樁模擬，阻尼比為0.025，平臺實測基頻為1.4（圖1）。

圖1　有限元模型　

對于抗冰平臺的冰激振動，振動的能量大部分集中在結構的基頻上，在高頻上能量分布較少，同時復雜結構高頻計算結果精度較差，因此一般在動力響應分析中，只取前幾階

頻率就可以保證足夠的精度，這里計算取前10階振型。結構的阻尼比取實測值0.025。

將直立結構穩態振動的冰力函數和隨機振動的冰力譜，通過ANSYS疲勞分析軟件的瞬態分析和譜分析，作用在節點‘792’，‘796’兩個節點，求出結構熱點的應力幅值。列舉幾組，通過軟件分析得到應力變化的圖譜，通過分析該結構的熱點單元為‘809’，節點為‘97’（圖2）。

圖2　管節點熱點位置

2　冰荷載作用在直立結構上的破壞形式

疲勞冰荷載指的是對海洋鉆井平臺進行疲勞分析時的動冰荷載，對于不同的結構，冰荷載形成的機理和形式是不同的。冰荷載作用在直立結構時，發生擠壓破壞；作用在錐體結構時，發生彎曲破壞。

疲勞冰荷載指的是對海洋鉆井平臺進行疲勞分析時的動冰荷載，對于不同的結構

冰荷載形成的機理和形式是不同的，出現最多的是擠壓破壞。擠壓破壞可以分為三種，分別為：準靜態破壞，自激振動，隨機強迫振動。

（1）準靜態破壞

低冰速時為準靜態破壞，冰速（V＜2cm/s時），在疲勞分析時不考慮。

（2）自激振動

中冰速時為自激振動，冰速（2cm/s＜V≤4cm/s）會發生穩態振動的現象，此時時冰力破碎的頻率、相位與結構振動的頻率、相位一致，出現頻率鎖定現象，這樣會發生共振現象。有時冰激穩態振動能持續較長的時間，在結構疲勞分析中考慮冰激穩態振動。

（3）隨機強迫振動

快冰速時為隨機強迫振動，冰速（V≥5cm/s）冰速進一步加快時，結構由穩態振動轉變為隨機振動。因為直立結構在快速冰力的擠壓破壞產生的強迫隨機振動，占絕大數工況，所以應在疲勞分析中考慮。

（4）冰厚小于10cm時的平整冰，冰速較慢的冰荷載作用在直立結構上，此時發生彎曲破壞。當冰層較薄，冰的結構不均勻時，冰荷載作用在直立結構上時還會出現屈曲破壞。彎曲破壞和屈曲破壞很相近，發生這兩種疲勞破壞時，作用在結構上的冰力周期長，幅值大，冰層較薄，冰的破碎長度也較長，兩種破壞形式都有局部擠壓破碎過程。

3　結語

冰激振動對海洋平臺的壽命影響很大，不可輕視。同時發現，冰激穩態振動是直立結構上發生的最嚴重的振動情況，對結構的影響最大。由于前人在對冰荷載作用直立結構時的疲勞壽命估計時，忽略了穩態振動的情況，但因時間的關系，本文未考慮錐體結構的疲勞壽命估計，希望本文對以后在海冰情況下，抗冰結構疲勞壽命的估計有所幫助。

海洋開發的潛力巨大，大量的礦藏、油氣的開采都離不開海洋平臺的運用。我國更是海洋大國，只有我們掌握頂尖的海洋開發技術，我們的資源才會得到合理的開采，因此進一步加強開展海洋平臺的相關技術研究是十分必要的。

劉力吉（1989-），男遼寧盤錦人助理工程師本科主要從事海洋鉆井平臺設計工作。