半潛式海洋生活平臺導纜器基座結構疲勞分析

覃廖開1， 魏 軍， 袁宇波， 董 煒， 張圓緣

(1.江蘇龍源振華海洋工程有限公司 海上風電工程技術研究院， 江蘇 南通 226014；2.南通中遠海運船務工程有限公司， 江蘇 南通 226006)

0 引 言

半潛式海洋生活平臺可供數百名船員生活娛樂和居住。平臺配備先進的可伸縮式棧橋，實現生活平臺與生產平臺的橫向接載，便于人員快速往返；當生產平臺發生危險或海上風浪過大時，生活平臺可自動斷開與生產平臺的連接，能最大程度地保護平臺上工作人員的生命安全，兼具應急避難所功能。

系泊系統是海洋生活平臺的重要組成部分。平臺在定位期間，導纜器、掣鏈器和絞車等裝置承受著錨鏈/纜索的交變載荷，而作為重要受力構件的導纜器支承結構——基座，其與平臺主體結構連接處容易產生高應力，該區域的疲勞壽命關系到平臺的安全定位，且直接決定整個系泊系統的使用年限。另外，對于入級DNV GL船級社的移動式海洋平臺而言，其系泊系統若要獲得POSMOOR-V-ATAR船級符號，則需提供導纜器基座和絞車基座結構疲勞強度的證明文件。

本文以某半潛式海洋生活平臺導纜器基座為研究對象，利用組合的低頻與波頻譜的標準差計算總疲勞損傷，根據DNV GL規范對該導纜器基座結構疲勞強度進行分析校核。

1 理論背景

1.1 組合疲勞損傷分析方法

根據API規范[1]，因低頻張力與波頻張力產生的組合疲勞損傷可通過以下4種方法進行分析：

(1) 簡單求和法。在這種方法中，分別計算低頻疲勞損傷和波頻疲勞損傷，總疲勞損傷為這兩者之和。

(2) 組合譜法。在這種方法中，首先計算組合的低頻與波頻譜，然后利用組合譜的標準差計算總疲勞損傷。

(3) 組合譜+雙重窄帶修正系數法。這種方法即在組合譜法計算結果中考慮修正系數。

(4) 時域循環計數法。在這種方法中，運用循環計數法計算疲勞損傷，例如：雨流法是從一個張力時間歷程中估算張力循環次數和張力范圍的期望值；張力時間歷程可通過時域系泊分析直接確定，或通過組合低頻與波頻張力譜產生。

根據DNV GL-RP-C203規范[2]，對于由兩個動態過程引起的疲勞損傷的組合，若將兩種過程造成的疲勞損傷直接簡單相加(方法1)，得到的結果是不保守的。API規范[1]認為，時域循環計數法(方法4)通常被認為是計算疲勞損傷最精確的方法，但計算分析相對費時。根據DNV GL-OS-E301規范[3]，如果在張力過程中有顯著的波頻和低頻分量，那么窄帶過程的表達式將不再適用。相當普遍的共識是，雨流計數技術提供了對張力范圍概率密度最為精確的估算，但這需要相對耗時的分析。因此，推薦選用組合譜方法或雙重窄帶方法。

圖1 高低頻響應和組合響應示例

組合疲勞損傷分析通常使用的方法是組合譜法，這種方法既方便使用又能得到保守的結果。

1.2 單斜率S-N曲線組合疲勞損傷

對于單斜率S-N曲線，如圖1所示，響應的組合疲勞損傷可通過式(1)[2]獲得

(1)

式中：D1為高頻響應計算的疲勞損傷；D2為低頻響應計算的疲勞損傷；ν1為高頻響應平均上過零頻率；ν2為低頻響應平均上過零頻率；m為S-N曲線的逆斜率，m=3.0。

1.3 雙斜率S-N曲線疲勞損傷

1.3.1 威布爾分布應力范圍和雙線性S-N曲線

當使用雙線性或雙斜率S-N曲線時，疲勞損傷表達式[2]為

(2)

1.3.2 短期Rayleigh分布和線性S-N曲線

對于不同的載荷條件，當應力范圍的長期分布是通過每一個短期內的Rayleigh分布來定義，使用單斜率S-N曲線時，疲勞破壞準則可表示為

(3)

1.3.3 短期Rayleigh分布和雙線性S-N曲線

當應用雙線性或雙斜率S-N曲線時，疲勞損傷表達式[2]為

(4)

1.4 累積疲勞損傷

組合譜方法提供了一種簡單、保守的方法用于計算典型的損傷，對于某一海況的疲勞損傷可由dCSi[3]表示為

(5)

在使用期內某一海況條件下，組合譜中循環(周期)次數為

ni=νyiTi=νyi·Pi·TD

(6)

式中：Pi為環境狀態i發生的概率；TD為系泊纜索設計壽命。

構件抗張力疲勞能力可用以下方程式[3]表示：

nC(S)=aDS-m

(7)

通過取對數線性化得到：

lg(nC(S))=lg(aD)-m·lg(S)

(8)

式(7)和式(8)中：nC(S)為應力范圍次數(循環次數)；S為應力范圍(2倍應力幅值)，MPa；m為S-N曲線逆斜率。

基于線性累積損傷假設(Palmgren-Miner準則)，疲勞壽命可根據S-N曲線疲勞方法進行計算[2]。在系泊組件特征疲勞損傷的計算中，系泊系統所遭受的長期海況可被離散成一組短期海況，對各短期海況出現的疲勞損傷進行累加，從而得到總疲勞損傷：

(9)

式中：di為結構在第i個工況產生的疲勞損傷；n為疲勞損傷計算的工況數。

2 工程實例計算

以基于GustoMSC-OCEAN500船型的半潛式海洋生活平臺為例，該平臺配備DP 3動態定位和錨泊定位雙定位系統，10點的系泊系統可連接到預先敷設的離岸系泊系統。平臺配備的導纜器數量為12套(每個立柱3套)，實際安裝的導纜器數量為10套(艉部立柱各3套，艏部立柱各2套)。系泊系統布置如圖2所示，圖示箭頭方向為船首方向。

圖2 系泊系統布置圖

2.1 載荷條件

以100 m水深為例，錨泊定位的最大可作業環境條件如表1所示。

表1 作業環境條件

表2 低頻和波頻載荷結果

圖3 有限元模型

2.2 有限元模型

以艉部/左舷立柱導纜器基座為例，應用SESAM/GeniE軟件建立該導纜器基座及其所在立柱結構的有限元模型，如圖3所示。所關注的疲勞校核區域細化網格尺寸為t×t(t為該區域板厚)，邊界條件施加于立柱上下端結構自由邊緣。

根據導纜器基座強度計算結果，針對高應力區域以及最可能發生疲勞破壞的結構幾何突變處，確定7個典型位置進行疲勞分析，如圖4所示，其中，A、D和E為“十”字交叉處外板焊縫，B和F為水平對接焊縫，C和G為水平肘板趾端。

圖4 疲勞分析典型位置

2.3 疲勞損傷分析

根據DNV GL-RP-C203規范[2]，在進行疲勞評估時，不同區域(空氣中或有腐蝕保護的海水中)以及不同的結構型式要選取對應的S-N曲線進行疲勞校核。針對具體的結構型式：C曲線可用于母材自由邊緣的疲勞評估(下標“c”表示結構處于有陰極保護的海水中)，D曲線用于對接焊縫的疲勞評估，E曲線用于肘板趾端及“十”字交叉處外板焊縫焊趾的疲勞評估。S-N曲線及相關參數如表3所示。

表3 S-N曲線相關參數

根據設計規格書，平臺設計使用年限為20 a，設計疲勞因子為1.0，根據規范查表得到疲勞損傷許用利用率η=1.0。

根據DNV GL-RP-C203[2]，熱點應力計算可采用方法A和方法B進行推導。對于使用板殼單元建模且不包含焊縫的模型：方法A從距離交線(焊趾)0.5t和1.5t(t為板厚)處讀取應力，通過線性插值得到交線處的熱點應力；方法B從距離交線0.5t處讀取應力，再乘以1.12倍的比例因數得到有效熱點應力。在實際計算時選用方法B，所讀取的名義應力已考慮1.12倍的比例因數。

根據DNV GL-RP-C203規范[2]，對于板厚大于參考板厚(25 mm)的情況，108循環次數(20 a使用壽命)的許用最大應力范圍為

(10)

式中：tref為參考厚度；t為裂紋最可能擴展穿透的板厚；k為厚度指數，可通過規范查表得到。

考慮板厚效應，基于有限元分析結果，根據前文所述的基本理論及相關公式編制計算表格，對A～G位置進行累積疲勞損傷分析(假定所考慮的36個浪向是等概率出現的)。其中，位置A疲勞損傷結果如表4所示，所有位置疲勞分析結果統計如表5所示。

表4 A位置累積疲勞損傷

表5 各典型位置疲勞損傷匯總

根據計算結果，位置A和位置G的累積疲勞損傷均大于許用值1.0。根據DNV GL-RP-C203規范[2]，通過對局部焊縫趾端進行打磨，最多可提高2倍的疲勞壽命，即經過焊縫打磨后A位置焊縫和G位置焊縫的疲勞損傷最低可分別降至0.839和0.652，疲勞評估結果滿足規范要求。

3 結 論

針對半潛式海洋生活平臺導纜器基座結構疲勞問題，利用組合譜方法，考慮由低頻響應和波頻響應引起的疲勞損傷的組合，對海洋生活平臺導纜器基座結構進行疲勞分析，得出以下結論：

(1) 如果在張力過程中有顯著的波頻和低頻分量，并且低頻部分不可忽略，運用組合譜方法既可方便地對結構進行疲勞評估，又能得到較為保守的計算結果。

(2) 在系泊定位時，低頻和波頻載荷會使平臺產生疲勞損傷。通過設計合理的系泊布置方案，改善平臺在波浪中的運動性能，降低波浪載荷對結構疲勞的影響，從而提高結構疲勞壽命。

(3) 結構開孔處和角隅處等結構幾何突變的部位易產生應力集中，也是疲勞敏感區域，在設計時應注意該區域結構圓滑過渡，該位置的疲勞問題應予以特別關注。