3 000 m深水鉆井船月池角隅疲勞強度研究

王 醍 王 璞 林 瞳 錢笠君

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

隨著海上油氣事業的蓬勃發展，鉆井船及相關鉆井設備的研究也更深入，并向深遠海發展，特別是南海海域的海洋勘探及開采事業更需要深水鉆井船的加入。目前，世界上有能力獨立自主設計鉆井船的公司不超過10家，且主要集中于歐美國家［1］。我國對深水鉆井船的設計研究還處于起步階段，如何能快速突破技術壁壘，到達世界先進設計水平，成為我國船舶設計者的努力方向，同時，深水鉆井船的研發受到國家科學基金項目的深度支持。

深水鉆井船以其運動性能好、用途廣泛、靈活方便等優點成為深海油氣資源開發的主力裝備。［1］深水鉆井船最大的特點是船體中部有規模較大的月池開口，約占全船總長度的1/4～1/5，這使得船中承受總縱彎曲的主要構件大大減少，對船體結構強度極為不利，尤其是月池角隅處，其處于結構發生突變處，應力水平較高，容易產生應力集中。此處也是疲勞研究的熱點之一。

疲勞破壞是船舶與海洋工程結構物的主要破壞形式之一。船舶與海洋結構物在使用過程中，會持續不斷地受到波浪力及運動產生的慣性力作用。波浪力和慣性力為不斷變化的動態載荷，他們在結構物內部引起交變應力，造成結構的疲勞損傷。［2］

疲勞強度方面的研究相對比較深入，可以參考的研究成果也相對較多。賴明雁［3］采用譜分析疲勞評估方法對深水鉆井船橫剖面多處疲勞熱點進行評估，得到熱點處的疲勞損傷度及疲勞壽命。劉相春等人［4］從疲勞載荷特點和結構形式兩方面討論適用于月池結構的疲勞強度評估方法，并探討了用有限元對局部結構不同處理方法對結果的影響。余小川等人［5］基于設計波法對一艘8 530標準箱大型集裝箱船船中貨艙區艙口角隅的疲勞強度進行校核，計算了三種典型波浪載荷工況下的角隅熱點應力，并確定最大應力范圍及位置。

相比于以往疲勞計算中的簡化方法，全概率疲勞分析方法考慮的角度較全面，可以較準確地了解疲勞熱點的疲勞損傷情況。本文采用全概率疲勞分析方法，通過質量分布對波浪載荷敏感性的研究確定和簡化最后的計算工況，對算例船——一艘3 000 m深水鉆井船的甲板處和船底板處的月池角隅進行疲勞強度校核，選取適合的S-N曲線，借助DNV船級社的SESAM軟件，對月池角隅處疲勞熱點的損傷情況及疲勞壽命進行評估。

1 全概率疲勞分析方法

全概率方法又稱譜分析方法，它采用更為真實、準確的波浪散布圖來描述長期海況，波浪散布圖中的各個短期海況（Hs，Tz）采用海浪譜來表達。采用波浪載荷直接預報和結構直接分析方法，可獲得結構熱點應力的傳遞函數，并結合海浪譜得到熱點應力的響應譜。［6］全概率方法的優點在于理論體系相對完善，計算得到的疲勞壽命更接近實際情況。全概率分析法的基本流程見圖1。

圖1 全概率分析法的基本流程

全概率疲勞分析方法的基本原理為：

按式（2）計算第n階譜矩mn：

假定各個短期海況符合Rayleigh分布，則疲勞應力范圍的概率密度函數分布形式如式（3）所示：

考慮到實際的應力響應可能是寬帶的（Rayleigh分布是窄帶的），因此需要進行修正。為此，需要計算應力響應的跨零頻率f和帶寬參數ε：

根據Miner法則，疲勞累積損傷可由各短期海況的疲勞損傷線性疊加而得，即：

式中：di為各短期海況的應力損傷；J為各短期海況的總數。

假定S-N曲線的形式為N=AS-m，則di可用式（5）表示：

式中：m、A為S-N曲線的參數；T為設計壽命，s；f0i為 應力響應的跨零頻率；pi為各個Hs和Tz組合出現的概率；其余意義同上。

疊加波浪散布圖中所有的短期海況，可得結構的總體疲勞損傷：

式中：f0為生命期T中的“平均”頻率；M則為波浪散布圖中所有的短期海況之和。

設NT表示設計壽命內的應力循環次數：

這樣，D便可簡化表示為：

NT對應最小設計壽命25年的應力循環次數，計算得到的疲勞壽命等于25/D。

2 質量分布對載荷以及疲勞分析的影響

鉆井船屬于作業型船舶，不屬于裝載型船舶，各工況間吃水相差不大，大型作業設備的布置及堆放對船舶質量分布的影響較其他類型船舶更大。考慮到不同作業要求的限制，工況設置時一般會對相近排水量條件下配載出許多作業工況，以滿足工程實際的要求。因此，有必要探討質量分布對波浪載荷的敏感性問題，這對此類船舶后續計算工況的篩選很有意義。此外，疲勞計算工作量相對較大，一般不會計算所有工況。如何合理選取計算工況，就成為是否合理評估熱點處疲勞強度的關鍵。

國內外對于波浪載荷的研究較為完善。例如對于LNG船和三體船，其波浪載荷影響因素主要有液艙晃蕩和質量分布等，液艙晃蕩因素對于波浪載荷的影響可以參見文獻［8］，三體船質量分布對波浪載荷的影響參見文獻［9］。不過，針對質量分布，不同船型的差異則較大，所以不同船型的可參考性較小。對于本文涉及到的深水鉆井船，為更全面地了解該船型波浪載荷的影響因素，繼而更加合理地評估熱點處的疲勞強度，針對質量分布對波浪載荷的影響也進行了研究。

為研究質量分布對載荷的影響，針對兩種典型的質量分布（裝載工況）進行載荷對比，這兩種質量分布分別為：

（1）工況A。可變載荷相對集中于月池區域（可假定為甲板面隔水管和鉆桿基本沒有）；

（2）工況B。可變載荷相對均勻的分布于鉆井船甲板面上（假定隔水管和鉆桿都還堆放在儲存區）。

工況A和工況B的基本參數詳見表1，兩種工況下的全船質量分布曲線見下頁圖2。

表1 裝載工況(鉆井 / 作業)

圖2 全船質量分布曲線

從表1和圖2可以看出，兩種工況下的船體排水量和初穩心高完全相同。工況A的設備質量主要集中在月池鉆臺區域，工況B的設備質量則相對比較分散。分別對兩種工況進行波浪載荷短期和長期預報，短期預報海況采用作業海域十年一遇海況。短期預報得到兩種工況下，垂向彎矩和垂向剪力的波浪載荷直接預報值，詳見圖3和圖4。

圖3 垂向彎矩沿船長分布曲線（短期預報）

圖4 垂向剪力沿船長分布曲線（短期預報）

長期預報得到兩種工況下垂向彎矩、垂向剪力的波浪載荷直接預報值，詳見圖5和圖6。

圖5 垂向彎矩沿船長分布曲線（長期預報）

圖6 垂向剪力沿船長分布曲線（長期預報）

從上圖中可以看出，在排水量相同的情況下，設備質量分布情況對波浪載荷敏感度影響很小，曲線基本處于重合的狀態。因此在設置質量分布時，只需考慮可變載荷最局部強度的影響，對波浪載荷預報結果的影響可以忽略。疲勞計算時，選取吃水差異大的滿載和壓載工況計算即可，不需逐一計算吃水相近裝載不同的載況，以避免增加不必要的計算量。

3 3 000 m深水鉆井船全概率疲勞分析

3.1 全船模型建立

譜疲勞計算需要的模型有4個，分別為全船結構模型、全船水動力模型、質量模型和局部精細網格模型。其中全船結構模型（參見下而圖7）和質量模型的單元模擬，以及網格尺度、單元屬性和腐蝕余量等均參照總強度分析的要求進行；水動力模型即為考慮月池的濕表面模型（參見圖8）；局部精細網格模型截取所研究的月池角隅區域，細化節點區域網格尺寸為txt，并滿足相關節點細化規范要求，模型垂向范圍為主甲板到船底。圖9所示為結構計算子模型。

圖7 整船結構有限元模型

圖8 濕表面模型

圖9 結構計算子模型

3.2 校核節點位置

由于主甲板和外底板月池角隅處是由于承受船體梁載荷而導致應力集中的部位，其名義應力幅值最大，因此，一般選取主甲板及外底板處月池角隅的疲勞節點。本文計算最終選擇兩處節點，即主甲板月池前端角隅靠左舷的節點和外底板月池前端角隅靠左舷的節點，具體熱點及編號見圖10和圖11。

圖10 主甲板月池前端角隅處選取熱點位置的示意圖

圖11 外底板月池前端角隅處選取熱點位置的示意圖

圖中A、B、C分別代表主甲板月池前端角隅縱艙壁區域的趾端、圓弧中點以及橫艙壁區域的趾端，D、E、F分別代表外底板月池前端角隅縱艙壁區域的趾端、圓弧中點以及橫艙壁區域的趾端。

3.3 計算載荷

計算載荷主要包括船舶自身質量載荷、貨物質量載荷及靜水壓力共同作用引起的船體梁靜水載荷，船體梁波浪附加載荷，以及船舶運動導致的內部慣性載荷和脈動載荷。

3.4 工況選取

一般情況下，疲勞計算工況選取時，需同時考慮航行工況和作業工況，并根據兩種工況實際存在的百分比對結果進行綜合評估。其中，作業工況還需考慮對應不同可變載荷的最大吃水工況、中間吃水工況和最小吃水工況，根據其實際存在的百分比綜合考慮作業工況的疲勞計算結果。

本文僅對方法性內容進行研究，出于對計算效率的考慮，僅以LC1代表作業工況，LC2作為航行工況進行疲勞強度的評估。并且根據課題要求，兩種工況存在的可能性均為50%。各工況具體參數參見表2。

表2 計算工況參數

3.5 環境載荷確定

本算例中，目標船作業工況下的海況條件相對良好，該海域的波浪譜見表3。而對于航行工況，則選取選北大西洋波浪散布圖進行計算。兩種工況都選取Jowswep譜進行計算。

表3 作業海域波浪譜

通過分析以上數據，可基本確定目標3 000 m深水鉆井船需計算的規則波傳遞函數。

周期的選擇：T= 3～25 s，間隔1 s，共選取23個周期。為了觀察不同浪向角波浪對船體運動的誘導荷載的影響規律，以浪向角θ= 0° ～ 360°，間隔30°，共選取13個浪向角。浪向角的方向定義為：

沿船長方向指向船首為0°，指向船尾為180°，指向左舷為90°。

3.6 S-N曲線選取

根據 ABS 規范海工規范［7］，選取S-N曲線的ABS-E-CP曲線計算疲勞損傷。由于主甲板處月池角隅暴露在空氣環境中，但出于保守考慮，仍采用 ABS-E-CP曲線進行校核，見下頁圖12。

3.7 疲勞節點損傷評估

按照目標3 000 m深水鉆井船的設計壽命為25年，則甲板角隅處疲勞熱點和外底板處疲勞熱點的疲勞損傷值和疲勞壽命（年）見下頁表4。

圖12 ABS-（CP） S-N 曲線

表4 甲板角隅在南海南部海域的疲勞損傷

從計算結果可以看出，主甲板和外底板兩處月池角隅的6個疲勞熱點均滿足規范要求。滿載工況計算得到的疲勞壽命普遍比壓載工況計算值低。其中滿載工況下外底板月池角隅中間處疲勞熱點損傷情況最為嚴重，達到0.996，其他處月池角隅疲勞熱點疲勞損傷程度相對較低，這與月池角隅中間處疲勞節點選取較為保守的S-N曲線有關。由于主甲板月池角隅處板厚明顯高于外底板處月池角隅處板厚，主甲板處月池角隅疲勞損傷情況普遍低于外底板處疲勞損傷情況。建議本算例船對外底板處月池角隅處肘板作適當增厚處理，以延長該處的疲勞壽命。

4 結 論

本文基于全概率疲勞分析方法對3 000 m深水鉆井船月池角隅疲勞強度進行研究，旨在探究大尺度月池角隅結構的疲勞損傷情況，最終得到以下主要結論：

（1）全概率疲勞強度分析方法計算得到的疲勞壽命更接近實際情況，有較強的工程實用性；

（2）雖然吃水相近的工況下全船質量分布有些許差異，但不會影響到波浪載荷計算值。因此，選取疲勞強度計算工況時，只需關注各工況吃水的差異，不用考慮局部裝載對計算結果的影響。

（3）應根據名義應力值大小及交變應力變化值選取需計算的疲勞熱點位置，針對結構具體位置、所處環境條件根據規范要求選取適當的S-N曲線進行校核。校核結果需考慮各工況情況，對計算的疲勞壽命進行平均。

（4）本船外底板處疲勞損傷情況明顯比主甲板處疲勞損傷情況嚴重，這與本船甲板處月池角隅結構設計明顯強于外底板處月池角隅結構有關。建議相關船型對外底板處月池角隅適當增加關注。