圓筒樁腿自升式平臺的疲勞譜分析

劉 靜，傅 強(qiáng)，張國棟，尹秀鳳

（中集海洋工程研究院，山東煙臺 264000）

圓筒樁腿自升式平臺的疲勞譜分析

劉 靜，傅 強(qiáng)，張國棟，尹秀鳳

（中集海洋工程研究院，山東煙臺 264000）

應(yīng)用SACS軟件計算圓筒樁腿自升式平臺對波浪載荷的整體響應(yīng)，并評估出疲勞敏感區(qū)域，再通過Abaqus軟件建立疲勞敏感區(qū)域的有限元子模型，通過多層線性簡化對疲勞載荷進(jìn)行預(yù)處理，將平臺的整體響應(yīng)反映到子模型中，為疲勞譜分析直接搭建起合理的應(yīng)力幅傳遞函數(shù)，而非應(yīng)力傳遞函數(shù)，大幅簡化計算過程，節(jié)省計算時間，并應(yīng)用自編程序完成疲勞敏感區(qū)域的疲勞譜分析后處理，得到疲勞壽命。應(yīng)用該方法完成的煙臺中集來福士海洋工程有限公司的某在建圓筒樁腿自升式生產(chǎn)平臺的疲勞分析報告已通過ABS船級社審核。

自升式平臺；圓筒樁腿；疲勞譜分析；應(yīng)力幅傳遞函數(shù)

0 引言

自升式平臺作為移動式海上平臺，在海洋油氣開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用。對于自升式平臺，疲勞問題主要體現(xiàn)在隨機(jī)波浪載荷作用下產(chǎn)生的隨機(jī)交變應(yīng)力對平臺樁腿造成疲勞損傷[1]。疲勞“譜分析”是一種線性分析方法，應(yīng)力傳遞函數(shù)的建立是疲勞譜分析方法的基礎(chǔ)[1]。對于圓筒形樁腿自升式平臺而言，疲勞敏感區(qū)域的應(yīng)力與平臺整體響應(yīng)之間關(guān)系復(fù)雜，很難通過直接方法得到二者之間的關(guān)系，應(yīng)力傳遞函數(shù)搭建困難，因此非常有必要探索一種

快速搭建應(yīng)力傳遞函數(shù)的方法，以便快速可靠地評估平臺疲勞強(qiáng)度。

本文通過自升式平臺整體分析軟件，計算出平臺對波浪載荷的整體響應(yīng)，并應(yīng)用子模型方法將平臺整體響應(yīng)反映的疲勞敏感區(qū)域，通過多層合理的線性假設(shè)，快速搭建起合理的應(yīng)力幅傳遞函數(shù)，而非應(yīng)力傳遞函數(shù)，簡化計算過程，縮短計算時間，為疲勞譜分析建立基礎(chǔ)。并通過實例驗證了該方法的可行性和正確性，得到ABS船級社的認(rèn)可。

1 圓筒樁腿自升式平臺參數(shù)

中集來福士海洋工程有限公司某在建自升式生產(chǎn)平臺設(shè)計為長方體船型，主船體前后左右對稱，尺寸為75 m×50 m×7 m，四根圓筒形樁腿支撐主船體，每根樁腿長112 m、直徑4.5 m，樁腿前后左右間距為47 m×42 m。平臺主要功能是搭載天然氣壓縮模塊，壓縮油田伴生氣并注回油井，增大油壓，提高產(chǎn)油率，并且節(jié)能降耗、綠色環(huán)保。此圓筒樁腿自升式生產(chǎn)平臺的效果圖如圖1所示。

圖1 圓筒樁腿自升式生產(chǎn)平臺

此平臺為墨西哥灣某油田量身設(shè)計建造，平臺到達(dá)該油田壓樁站位后將連續(xù)工作8年～12年，無需移動或者頻繁升降平臺，平臺主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計疲勞壽命為25年。因此對此平臺的疲勞計算只考慮站位作業(yè)工況，其他拖航、預(yù)壓載、升降等工況操作次數(shù)極少，只做強(qiáng)度計算即可，無需疲勞計算。

2 平臺整體響應(yīng)計算

2.1 平臺整體響應(yīng)模型

對圓筒形樁腿自升式平臺在站位作業(yè)工況下的疲勞計算，首先利用結(jié)構(gòu)分析軟件SACS計算平臺在波浪作用下的整體響應(yīng)。

平臺的SACS模型如圖2所示，主船體和固樁架簡化為箱型梁框架結(jié)構(gòu)[2]，由四根圓筒形樁腿支撐，在樁腿底部模擬海底基礎(chǔ)作用采用彈性支撐，圓筒形樁腿直徑4.5 m，船艏方向為零度方向，逆時針旋轉(zhuǎn)為正向。

圖2 平臺整體模型

整體模型建立過程中要考慮水深、氣隙、入泥深度、樁腿水動力參數(shù)等因素，SACS整體模型計算參數(shù)如表1所示。考慮海生物和雷諾數(shù)影響，計算得每條樁腿的拖拽系數(shù)為 1.11，慣性力系數(shù)為1.47[3]。

表1 SACS整體模型計算參數(shù)

2.2 疲勞載荷定義

疲勞損傷破壞是自升式平臺結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因之一，平臺在作業(yè)海域承受復(fù)雜的環(huán)境載荷，包括風(fēng)、浪、流、冰、地震等多種載荷，但波浪載荷作為一種隨機(jī)交變載荷是引起疲勞主要原因，其他載荷可作為靜態(tài)載荷處理[1,2]，假設(shè)其對疲勞損傷沒有貢獻(xiàn)。

計算平臺整體響應(yīng)，只考慮對疲勞有主要貢獻(xiàn)的重量載荷和波浪載荷。平臺提升重量是12 700 t，四根樁腿重量為4 300 t，樁靴重量為460 t，由于重量載荷引起的一階P-Δ效應(yīng)通過SACS軟件自行計算[4]。對于波浪載荷，在SACS軟件中選用以Stokes五階波理論為基礎(chǔ)，使用莫里森公式計算不同浪向的波浪載荷。

參考國內(nèi)外自升式平臺設(shè)計經(jīng)驗可知，波浪載荷產(chǎn)生的循環(huán)傾覆力矩是導(dǎo)致平臺疲勞敏感區(qū)產(chǎn)生疲勞應(yīng)力的主要原因。在模型中360°方向每隔30°取一浪向，共取12個浪向，按照等頻率間隔原則從1.0 s～33 s中取17個波浪周期，共需計算204個波浪。對每個波浪間隔5°相位對波浪載荷進(jìn)行搜索，搜索出在泥面處產(chǎn)生最大傾覆力矩（Max.OTM）和最小傾覆力矩（Min.OTM）時的兩個相位，定義為一組工況，共定義204組408個工況，每組工況對應(yīng)一個波浪載荷幅值。

2.3 疲勞敏感區(qū)域

對于圓筒形樁腿自升式平臺而言，疲勞敏感區(qū)主要集中在樁腿上部與固樁架相連的區(qū)域、樁腿底部及樁靴區(qū)域。本論文主要通過項目設(shè)計實例詳細(xì)闡述上述疲勞敏感區(qū)域的疲勞譜分析方法。

該項目中兩個疲勞敏感區(qū)域，即樁腿上部與固樁架相連的區(qū)域、樁腿底部及樁靴區(qū)域，其有限元子模型如圖3和圖4所示。

圖3 樁腿上部與固樁架相連的區(qū)域子模型

圖4 樁腿底部及樁靴區(qū)域子模型

3 線性化假設(shè)

結(jié)構(gòu)疲勞損傷程度的大小主要與應(yīng)力變化范圍（即應(yīng)力幅值）和作用次數(shù)有關(guān)[1]。為簡化計算過程，縮短計算時間，在足以保證平臺疲勞計算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列線性化假設(shè)，可直接建立某一特定波浪頻率下從波高到結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值的傳遞函數(shù)，將計算量大大縮減。作用在結(jié)構(gòu)上的波浪載荷幅值與波高存在非線性關(guān)系，但如果以某中等波高為基準(zhǔn)，對波浪載荷幅值與波高關(guān)系進(jìn)行線性逼近，其精確程度足以滿足疲勞校核要求[5,6]，因此在此平臺波浪載荷計算時以某一特定波高為基準(zhǔn)，線性逼近實際的波浪載荷幅值和波高關(guān)系曲線。

結(jié)構(gòu)內(nèi)力與載荷呈線性關(guān)系，波浪載荷的動態(tài)放大也線性反映到結(jié)構(gòu)內(nèi)力上，因此每組波浪工況對應(yīng)一組結(jié)構(gòu)內(nèi)力幅值，此內(nèi)力幅值作為后續(xù)疲勞子模型計算的載荷輸入，即可計算出對應(yīng)每個波浪的結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值。下面以0°浪向某一特定波高和頻率的波浪為例，詳細(xì)說明計算過程。

4 工況計算樣例

在平臺整體SACS中，定義0°方向某一特定波高和頻率的Stokes波，設(shè)置相位計算步長為5°，共計算72個相位，搜索在泥面位置產(chǎn)生最大和最小傾覆力矩的相位，并將輸出最大傾覆力矩和最小傾覆力矩的兩個相位作為兩個工況分別結(jié)算，得到一組平臺整體響應(yīng)。同樣方法，按照12個浪向和17個波浪周期組合，定義408個工況，得到204組平臺整體響應(yīng)，覆蓋平臺所有站位作業(yè)海況[6]。

平臺整體響應(yīng)計算完成后，對疲勞敏感局部區(qū)域建立有限元子模型，并從平臺整體響應(yīng)中提取結(jié)構(gòu)內(nèi)力，經(jīng)自編程序預(yù)處理后作為載荷幅值輸入子模型，計算可得到疲勞應(yīng)力幅值。而不是按照通常的疲勞計算方法，先根據(jù)交變載荷計算出交變應(yīng)力，再根據(jù)交變應(yīng)力計算出應(yīng)力幅值，然后按照S-N曲線評估結(jié)構(gòu)疲勞。在一系列合理的線性化假設(shè)基礎(chǔ)上，通過自編程序?qū)d荷進(jìn)行預(yù)處理，使子模型的計算工況減半，對疲勞計算過程大大簡化，同時也能保證疲勞評估結(jié)果的精確度和可靠度。

從平臺整體響應(yīng)計算結(jié)果中分別提取節(jié)點008M和節(jié)點0072位置的內(nèi)力，經(jīng)自編程序預(yù)處理

后作為疲勞載荷幅值施加到有限元子模型中。從平臺整體SACS模型中提取0°方向某一特定波高和頻率的Stokes波作用下的一組工況計算結(jié)果，節(jié)點0072位置的內(nèi)力和預(yù)處理過程如表2所示，將包含動態(tài)放大影響的內(nèi)力幅值作為載荷施加到樁腿底部及樁靴區(qū)域的有限元子模型中，計算得到該波浪作用下的疲勞應(yīng)力幅值。

表2 節(jié)點0072內(nèi)力及預(yù)處理過程

同理計算樁腿上部與固樁架相連的區(qū)域的疲勞應(yīng)力幅值，把204組平臺整體響應(yīng)用同樣方法都反映到有限元子模型后可得到204個熱點應(yīng)力幅值。由于計算工況較多，建議計算過程中對有限元軟件進(jìn)行簡單開發(fā)，使其自動讀入工況，自動提取每個工況下的熱點應(yīng)力幅值，提高程序化操作，節(jié)省時間。

得到熱點應(yīng)力幅值后，按照ABS的“Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures”規(guī)范中的疲勞譜分析方法（Spectral-based Fatigue Assessment Method）評估平臺的疲勞壽命。ABS的疲勞譜分析方法是一種評估結(jié)構(gòu)疲勞破壞或者疲勞壽命的直接方法，波浪是產(chǎn)生疲勞的主因，其他載荷因素可忽略。這種方法適用于波高—波浪載荷—結(jié)構(gòu)響應(yīng)依次呈線性關(guān)系的情況，對疲勞的評估建立在應(yīng)力傳遞函數(shù)基礎(chǔ)之上，應(yīng)力傳遞函數(shù)表征結(jié)構(gòu)在單位波高波浪作用下某位置的應(yīng)力與波浪頻率和浪向之間的關(guān)系，即上述所做工作。

接下來的譜分析過程中采用PM波浪能量譜，樁腿底部及樁靴子模型的熱點應(yīng)力區(qū)域選用海水以下陰極保護(hù)的E疲勞曲線，樁腿上部與固樁架相連子模型中的熱點應(yīng)力區(qū)域選用空氣中的C疲勞曲線，作業(yè)海域波浪散布如表3所示。

表3 作業(yè)海域波浪散布

計算得樁腿底部及樁靴的最低疲勞壽命為299.7年，樁腿上部與固樁架相連區(qū)域的疲勞壽命為35.8年，詳細(xì)結(jié)果如表4所示。

5 結(jié)論

通過SACS軟件，計算出平臺在204個頻率和浪向組合工況下的整體響應(yīng)，并通過有限元子模型得到疲勞敏感區(qū)域?qū)?yīng)的應(yīng)力幅值，建立起應(yīng)力幅

值與頻率和浪向的關(guān)系，并通過自編后處理程序完成圓筒樁腿自升式平臺的疲勞譜分析。此方法主要有以下優(yōu)點：1）只從平臺整體模型中提取波浪響應(yīng)，對疲勞敏感區(qū)域建立詳細(xì)的有限元子模型進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算，減少對平臺整體模型操作的工作量，并有效保證了疲勞敏感區(qū)域疲勞應(yīng)力的準(zhǔn)確性；2）此方法建立起來的是應(yīng)力幅值傳遞函數(shù)，而非應(yīng)力傳遞函數(shù)，相當(dāng)于提前對疲勞載荷進(jìn)行了預(yù)處理，對疲勞計算結(jié)果無影響，在搭建應(yīng)力幅傳遞函數(shù)過程中，合理進(jìn)行線性化假設(shè)，簡化過程的同時也保證了計算精度，節(jié)省計算時間。應(yīng)用該方法計算的實際項目樁腿疲勞分析報告已通過ABS船級社審核。

表4 疲勞計算結(jié)果

[1]胡毓仁, 陳伯真.船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析[M].上海: 人民交通出版社, 1996.

[2]ABS.ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2012.

[3]The Society of Naval Architects and Marine Engineers.Technical & Research Bulletin 5-5A Guidelines for Sites Specific Analysis of Mobile Jack-up Units[Z].2002.

[4]SACS Manual Version 7.0 Revision 1[Z].2010.

[5]竺艷蓉.海洋工程波浪力學(xué)[M].天津: 天津大學(xué)出版社, 1991.

[6]ABS.ABS Guide for the Fatigue Analysis of Offshore Structures[S].2012.

Spectral-based Fatigue Analysis for Jack-up Platform with Cylindrical Legs

Liu Jing, Fu Qiang, Zhang Guo-dong, Yin Xiu-feng
(Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd., Shandong Yantai 264000, China)

The paper calculates the global response of the jack-up with cylindrical legs on wave loads using SACS software, which evaluates the fatigue sensitive locations.Then the sub-models of fatigue sensitive locations are built by Abaqus software.Through the pre-processing of fatigue load by several liner assumptions, the global response of the jack-up platform is reflected in the sub-models.The reasonable stress range transfer function rather than stress transfer function for the spectral-based fatigue analysis method is directly completed so that the calculation process is greatly simplified and the calculation time is shortened.At last, the post-process of spectral-based fatigue analysis of the fatigue sensitive locations is finished by the self-programmed software.The fatigue life is gained.The fatigue analysis report for a jack-up platform under building in Yantai CIMC Raffles based on the method is finished and got approved by ABS.

jack-up platform; cylindrical leg; spectral-based fatigue analysis; stress range transfer function

674.38

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.013

劉靜（1983—），女，碩士，研究方向：自升式平臺的強(qiáng)度計算。