半潛式平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)選取及疲勞壽命計算

劉明琛, 竇培林, 劉夢鴿, 趙佳怡, 張 文

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

近年來，海洋油氣資源開采逐漸由近海走向深遠海。半潛式平臺在海洋工程中的應(yīng)用逐漸走向深水區(qū)域，該類平臺移動性和穩(wěn)定性良好，且上部甲板空間大，在深水作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

半潛式平臺在深水區(qū)油氣資源開采方面擁有優(yōu)勢，但平臺長期在海上作業(yè)，遭受風(fēng)浪流等各種載荷作用，會遇到一些極端天氣的影響，這對半潛式平臺的結(jié)構(gòu)強度和安全性要求較高。由于半潛式平臺長期在深水區(qū)服役，距離岸邊遠、來回運輸慢、設(shè)備拆裝麻煩等缺點導(dǎo)致平臺檢修困難，因此在半潛式平臺設(shè)計之初需要注重對關(guān)鍵連接處及典型節(jié)點處的計算和標注，便于后期檢修。半潛式在服役期間，難免會出現(xiàn)檢修不及時或受損處難以發(fā)現(xiàn)等情況，易造成安全事故。

半潛式平臺在服役期間遭受各種外部載荷及平臺自身載荷，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞或疲勞損傷等問題，需要對其進行整體結(jié)構(gòu)強度分析和關(guān)鍵處的疲勞壽命計算，為平臺安全提供保障。王金峰等[2]通過SESAM軟件研究某第七代半潛式平臺關(guān)鍵節(jié)點和關(guān)鍵連接處的疲勞壽命，并提出優(yōu)化方案。GHOLIZAD等[3]基于有限元分析理論完成某海域自升式平臺疲勞分析，并提出一種基于極端工況的疲勞計算方法。謝文會等[4-5]根據(jù)斷裂力學(xué)和譜疲勞分析等理論方法對南海某半潛式平臺進行疲勞計算，驗證斷裂力學(xué)在半潛式平臺裂紋擴展的適用階段，為半潛式平臺的疲勞強度分析提供理論參考。此外，將南海和墨西哥灣等兩種海況進行對比，研究平臺的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況。趙仕倫等[6]參照船級社規(guī)范，通過波浪散布圖和傳遞函數(shù)計算得到隨機疲勞載荷結(jié)果，對平臺立柱與橫撐連接處的裂紋擴展進行研究，計算該處疲勞壽命。

基于南海作業(yè)工況，利用SESAM軟件對南海某半潛式平臺進行簡化分析，計算該平臺的結(jié)構(gòu)強度，并對關(guān)鍵節(jié)點處進行疲勞壽命計算。

1 半潛式平臺結(jié)構(gòu)強度計算

1.1 結(jié)構(gòu)模型建立

該平臺主要由下部浮體、立柱和上部模塊組成，通過SESAM軟件中的GeniE模塊建立模型，賦予相關(guān)設(shè)計參數(shù)，有限元模型如圖1所示，平臺主尺度如表1所示。GeniE中的有限元模型最后劃分網(wǎng)格尺寸為0.8 m，包括板單元、梁單元和上部平臺質(zhì)量塊等，網(wǎng)格劃分結(jié)果為49 416個單元、45 514個節(jié)點。

圖1 有限元模型示例

表1 平臺主尺度

1.2 邊界條件設(shè)置

半潛式平臺在SESAM/GeniE中建立有限元模型，以平臺上層甲板中心(月池正中心)向下33.5 m處為坐標原點，平臺垂直方向為坐標系z軸方向，水平方向分別為x軸、y軸方向。為了降低或消除在計算過程中出現(xiàn)六自由度的剛性位移對平臺模型的影響，需要選取節(jié)點進行約束。模型設(shè)置的約束點在下部浮體底部，進行z向的約束，如圖2所示。

圖2 邊界條件約束

1.3 結(jié)構(gòu)強度計算及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)選取

半潛式平臺發(fā)生的疲勞損傷一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)連接處或焊接節(jié)點等部位，因此對平臺進行疲勞分析工作量太大，需要對平臺進行整體強度計算，篩選應(yīng)力集中區(qū)域，關(guān)注關(guān)鍵結(jié)構(gòu)連接處和焊接節(jié)點處的應(yīng)力分布。

在GeniE中將平臺導(dǎo)出為T文件，在HydroD中的Wadam模塊[7]進行水動力分析，設(shè)置波浪載荷為0°～90°浪向、步長為15°，波浪周期為3～25 s、步長為2 s。根據(jù)Wadam計算導(dǎo)出的G文件得到平臺的一階波浪力、附加質(zhì)量和附加阻尼等計算結(jié)果[8]。利用Sestra模塊[9]對平臺進行結(jié)構(gòu)強度計算，計算結(jié)果如圖3所示。圖4為圖3(a)中兩處關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域的局部放大圖。

圖3 結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果

圖4 局部放大圖

《海上移動平臺入級規(guī)范(2020)》[10]要求：在結(jié)構(gòu)強度分析過程中，對于平臺可能產(chǎn)生的疲勞裂紋、出現(xiàn)裂紋擴展的任一部位和出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)均應(yīng)進行疲勞校核，以確保目標平臺滿足設(shè)計使用年限。對于半潛式平臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)選取，應(yīng)包含立柱與甲板連接處、甲板焊縫處、柱體與殼體連接處等。此外，在設(shè)計載荷過程中應(yīng)考慮靜載工況、靜載荷與環(huán)境載荷的組合工況。

由靜水強度計算結(jié)果可得到應(yīng)力集中出現(xiàn)的區(qū)域，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)連接處和焊縫節(jié)點。由波浪載荷作用計算結(jié)果可知：在立柱與下部浮體連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。

目標區(qū)域出現(xiàn)在平臺上部甲板與導(dǎo)管架連接處、立柱與下部浮體連接處、平臺上殼體與立柱連接處。將前兩個連接處選為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域，確定關(guān)鍵節(jié)點坐標，便于進行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域的疲勞分析。后一個連接處出現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力較小，不進行計算。

2 截面載荷預(yù)報

半潛式平臺由于在海上長期服役，持續(xù)受到波浪載荷作用，因此需進行作業(yè)工況下的波浪載荷預(yù)報[11]。選取波浪譜為JONSWAP譜，定義概率水平、浪向分布及發(fā)生概率，設(shè)定有義波高為13.8 m，跨零周期為12 s，浪向為0°～90°，設(shè)置步長為15°，利用SESAM軟件中的Postresp模塊進行波浪載荷的長期預(yù)報。

半潛式平臺立柱和下部浮體連接處受力情況如表2和圖5所示，該處危險截面受力集中，以中橫剖面和中縱剖面為例進行運動響應(yīng)分析和長期載荷預(yù)報。

圖5 截面受力分析

表2 截面受力情況

在Postresp模塊中輸入相關(guān)參數(shù)，對中橫剖面和中縱剖面進行計算。運動響應(yīng)計算結(jié)果如圖6所示。長期預(yù)報計算結(jié)果如圖7所示。

圖6 運動響應(yīng)計算結(jié)果

圖7 長期預(yù)報計算結(jié)果

半潛式平臺為對稱結(jié)構(gòu)，以0°～90°浪向為研究內(nèi)容，剩余浪向以此為參考。由圖6可知：對于中橫剖面和中縱剖面關(guān)鍵處的響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)，在設(shè)定的7個浪向分布中，對RAO結(jié)果影響較大的入射浪向角分別為45°和90°。由圖7可知：在波浪載荷長期預(yù)報幅值中，對中橫剖面和中縱剖面的關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力載荷影響較大的是45°和90°浪向角。設(shè)定每個浪向的發(fā)生概率相同，計算結(jié)果顯示入射浪向角度為45°和90°時對關(guān)鍵處的影響最大，說明這兩處浪向分布下的節(jié)點受力危險，并可能與平臺裝載情況有關(guān)。

3 關(guān)鍵節(jié)點疲勞分析

3.1 疲勞譜分析

疲勞譜分析方法在疲勞分析中具有廣泛應(yīng)用，依據(jù)平臺在海洋中受到的波浪載荷進行計算，得到波浪力作用結(jié)果，并將其施加到結(jié)構(gòu)物上，得到響應(yīng)譜。疲勞分析主要使用SESAM中的Stofat模塊[12]完成相關(guān)計算，利用S-N曲線的Miner累積損傷理論[13]進行求解，對熱點處的疲勞強度進行評估。

根據(jù)《船體結(jié)構(gòu)疲勞強度指南(2021)》[14]，目標平臺在服役期間的設(shè)計壽命應(yīng)滿足：

(1)

式中：D為壽命周期總累積損傷度；TD為設(shè)計壽命，a。

疲勞譜分析通過SESAM軟件求解應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)和應(yīng)力響應(yīng)譜，根據(jù)隨機過程理論[15]可得：

Sσ(ω|HS，TZ，θ)=|H(ω|θ)|2Sη(ω|HS，TZ)

(2)

式中：Sσ(ω|HS，TZ，θ)為應(yīng)力響應(yīng)譜；|H(ω|θ)|為應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)；Sη(ω|HS，TZ)為波浪譜。

應(yīng)力響應(yīng)譜的n階譜矩經(jīng)過計算得

(3)

(4)

(5)

式(3)～式(5)中：mn為響應(yīng)譜n階譜矩；TZ為跨零周期；σ為短期Rayleigh分布均方差。

根據(jù)式(3)～式(5)求解符合瑞利分布的概率密度函數(shù)：

(6)

式中：S為應(yīng)力范圍。

考慮目標結(jié)構(gòu)物遭受隨機載荷作用產(chǎn)生的交變應(yīng)力是隨機的，因此可求解某個海況條件下的累積疲勞損傷度：

(7)

式中：NL為設(shè)計壽命周期的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；A、m分別為S-N曲線相關(guān)參數(shù)。

最后根據(jù)各海況條件下的疲勞累積損傷度進行求和，得到壽命周期總累積損傷度D。

3.2 疲勞關(guān)鍵節(jié)點確定

將圖3中的4處關(guān)鍵區(qū)域選為疲勞計算目標區(qū)域，對其網(wǎng)格細化且網(wǎng)格大小不超過熱點處受力構(gòu)件的板厚。此外，考慮圖3(b)下部浮體和立柱連接處長期位于海水中，易發(fā)生表面侵蝕，因此選取其中一處應(yīng)力較大的連接區(qū)域進行疲勞計算。在GeniE中確定目標處的節(jié)點坐標，共計5處，如表3所示。

表3 疲勞關(guān)鍵節(jié)點坐標

若對整個平臺進行疲勞分析則工作量巨大，且計算結(jié)果不夠精確，因此常采用SESAM軟件中的Submod模塊處理局部模型，實現(xiàn)整體模型載荷傳遞，導(dǎo)入Stofat進行疲勞分析。

在GeniE中建立子模型進行整體載荷傳遞，導(dǎo)出子模型T文件。在Submod模塊中新建Job工作文件，將整體模型強度計算結(jié)果R3文件與子模型進行邊界節(jié)點匹配。若在GeniE中設(shè)置分組Regular Sets則可進行模型拆分，不再進行Submod模塊處理。兩者計算結(jié)果誤差在參考范圍內(nèi)，使用SET分組形式進行局部模型處理。

在模型計算中，根據(jù)目標區(qū)域的熱點坐標使用GeniE將上部平臺設(shè)置分組Regular Sets，以SET組形式導(dǎo)入Stofat模塊進行處理。局部模型如圖8所示。

圖8 局部模型示例

在分組Regular Sets中對目標區(qū)域進行網(wǎng)格細化，疲勞部位的網(wǎng)格大小為t×t[14]，將處理的局部模型進行Wadam二次計算，最后將結(jié)果接口文件R3.SIN導(dǎo)入Stofat模塊進行疲勞分析。

3.3 疲勞壽命計算

在Stofat模塊中計算疲勞時，主要參考文獻[16]分析使用的S-N曲線DNVC-I。

半潛式平臺設(shè)計疲勞壽命為20.0 a，參照文獻[14]第3章第3.5節(jié)，計算節(jié)點在工況中的疲勞累積損傷度為

(8)

式中：ND為20.0 a壽命周期的載荷總循環(huán)次數(shù)，取值0.65×108；NL為載荷譜回復(fù)周期循環(huán)次數(shù)，取值100；αk為載荷工況時間分配因數(shù)；K為S-N曲線參數(shù)；SD，k為工況k的應(yīng)力范圍，N/mm2；ξk為工況k的Weibull參數(shù)，取1。

節(jié)點處的疲勞壽命應(yīng)計算為

(9)

根據(jù)南海海況輸入相關(guān)參數(shù)，對選取的熱點部位進行疲勞壽命計算，計算結(jié)果如表4所示。

表4 關(guān)鍵節(jié)點疲勞壽命計算結(jié)果

4 結(jié) 語

以作業(yè)水深為2 500.0 m的半潛式平臺為例，研究平臺結(jié)構(gòu)強度和節(jié)點處的疲勞壽命，以提高平臺的安全性和穩(wěn)定性，避免或減少經(jīng)濟損失。

基于SESAM軟件對半潛式平臺在南海作業(yè)工況條件下的整體強度進行計算，得到靜水工況條件下的結(jié)構(gòu)強度和浪向角為0°～90°的波浪載荷作用下的整體結(jié)構(gòu)強度，根據(jù)應(yīng)力集中區(qū)域和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)連接處，篩選5處易產(chǎn)生疲勞損傷的關(guān)鍵區(qū)域。

半潛式平臺在服役期間，中橫剖面和中縱剖面界面處遭受載荷集中，屬于危險區(qū)域，選取其截面計算特征載荷SEC1012、SEC1014、SEC2011、SEC2015的RAO運動響應(yīng)和長期載荷預(yù)報幅值，發(fā)現(xiàn)對剖面載荷影響最大的入射浪向角為45°和90°。

對篩選的關(guān)鍵區(qū)域進行疲勞分析，確定熱點坐標，根據(jù)南海作業(yè)工況，參考相關(guān)規(guī)范，確定疲勞分析方法。由Stofat模塊的計算結(jié)果可知：關(guān)鍵區(qū)域HOT1～HOT5的疲勞壽命分別為30.6 a、32.6 a、113.0 a、112.0 a、80.0 a。平臺設(shè)計壽命期限為20.0 a，因此計算得到的疲勞壽命滿足設(shè)計要求。通過對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵區(qū)域HOT1和HOT2的疲勞損傷更大，疲勞壽命相對較短，應(yīng)進行定期檢修和維護，保證使用安全。