新型干树半潜平台疲劳性能分析

李 辉， 齐晓亮， 王铭飞， 吕国森， 申 辉

(北京高泰深海技术有限公司， 北京100011)

新型干树半潜平台疲劳性能分析

李 辉， 齐晓亮， 王铭飞， 吕国森， 申 辉

(北京高泰深海技术有限公司， 北京100011)

干树采油平台具有修井方便、操作成本低、易于维修建造等优势，目前仅成功用于TLP和Spar平台，相比于这两种平台，半潜式平台不受水深限制，易于建造、安装，但运动幅度较大。该文提出一种运动性能较好的新型干树半潜平台，采用谱分析方法对其进行疲劳分析。首先介绍了目前海洋工程领域比较常用的谱分析方法及其流程，然后对在位工况下新型干树半潜平台进行了总体强度分析和总体疲劳估算，确定了疲劳关键部位，最后利用谱分析法对这些关键部位进行疲劳分析，得到了各热点的疲劳寿命。计算结果表明，各关键部位的疲劳寿命基本满足要求，但是比较接近设计寿命，因此在后续的设计中疲劳问题仍需要重点关注。

新型干树半潜；谱分析；热点；疲劳寿命

0 引言

全球海洋油气勘探和开发逐步向深海发展，深水浮式平台设计技术显得越来越重要。半潜式平台作为一种典型的深水浮式平台，具有运动性能好、建造简易、便于安装的特点[1,2]，但多用于湿树采油。该文介绍了一种新型干树半潜式平台，采用平台立柱和甲板分离设计，上部组块通过导管架支撑，平台立柱只提供稳性和浮力，通过改变立柱水线面积调节平台垂荡运动周期，增大立柱间距以改善平台稳性。平台中部的导管架一方面为甲板提供支撑，另一方面为立管提供保护，图1给出了该平台的总体效果图。

图1 新型干树半潜平台效果图

深水浮式平台造价昂贵，结构复杂，承受载荷多样，因此平台的前期设计尤为重要，尤其是疲劳设计，因为工程中很多的破坏事故都是由于疲劳破坏引起的。如1980年“Alexander L.Kielland”号半潜平台由于一根撑杆发生疲劳破坏而在北海沉没，造成了123人死亡，因此开展深水浮式平台的疲劳分析具有重要意义[3]。目前用于疲劳分析的方法有两种：一种是基于S-N曲线的疲劳累积损伤理论；一种是基于断裂力学的疲劳裂纹扩展理论[4]。马网扣等基于谱分析法完成了传统半潜式平台疲劳分析，给出了选取疲劳关键部位的建议和提高疲劳强度的方法[5]。葛菲等对船体结构疲劳强度进行了详细研究，认为船体疲劳强度分析应该考虑非线性载荷和多种应力成分的影响，并提出了一种等效规则波方法[6,7]。

该文在参考ABS和DNV船级社规范的前提下，利用谱分析方法对该新型干树半潜平台进行疲劳分析，确定了平台疲劳分析关键部位，得到了关键节点的热点应力和疲劳寿命，确保平台疲劳设计满足要求。

1 新型干树半潜平台疲劳谱分析方法和流程

目前船舶与海洋工程领域结构疲劳分析方法主要是基于S-N曲线的疲劳累积损伤方法，它又可以分为简化方法和谱分析方法[8]。谱分析方法是建立在真实的海况和装载工况下的直接计算方法，可以同时考虑不同装载、波频和浪向组合，计算精度较高，但是工作量巨大，周期较长，因此一般通过专业的软件包来进行计算和分析。该新型干树半潜式平台同时承受风、浪、流环境载荷，其中波浪载荷是引起结构疲劳的主要因素，因此该文主要考虑波浪引起的疲劳。现给出新型干树半潜平台谱疲劳分析方法如下：

(1) 计算应力传递函数Hσ(ω,θ)。直接计算节点在各个频率ω、浪向θ下的热点应力，对于管型节点和非管型节点，热点应力的计算方法稍有不同，计算方法在后面给出。

(2) 计算应力能量谱Sσ(ω,Hs,Tz,θ)。通过热点应力传递函数和波浪散布图中每一个短期海况的波浪谱密度函数，通过下式得到应力能量谱。

Sσ(ω,Hs,Tz,θ)=|Hσ(ω,θ)|2·Sη(ω,Hs,

式中：Sη(ω,Hs,Tz)表示波浪谱密度函数；Hs表示有义波高；Tz表示跨零周期。

(3) 计算应力能量谱的谱矩。第n阶谱矩mn的计算如下：

ωn·Sσ(ω,Hs,Tz,θ)dω

(4) 应用计算的应力能量谱谱矩，对于服从瑞丽分布的各个短期海况应力范围，其概率密度分布函数为：

≤S<+∞

平均跨零周期为

谱宽参数为

ε

(5) 疲劳累积损伤计算。根据Miner准则计算累积疲劳损伤，当短期海况的应力范围分布服从瑞利分布时，结合S-N曲线NSm=K，则第i个海况造成的累积疲劳损伤Di为：

对波浪散布图中的多个海况(假设共有K个)造成的损伤进行累加，得到总的疲劳损伤D：

式中：T为设计寿命(秒)；f0i为第i个短期海况应力范围的跨零率；pi为有义波高和跨零周期的联合概率；Si为第i个短期海况应力范围；gi(Si)为第i个短期海况产生的应力范围Si的概率密度函数。

(6) 疲劳损伤计算的解析表达式

1) 对于单斜率的S-N曲线，(8)式的表达式可以转化为：

λ(m,εi)表示威尔逊雨流修正因子，计算如下：

λ(m,

式中：a(m)=0.926-0.033m；b(m)=1.587m-2.323；εi为响应谱带宽。

2) 对于双直线的S-N曲线，在拐点(NQ，SQ)处，该S-N双直线段的m变为r=m+Δm(Δm>0)，并且常数由K1变为K2。这时疲劳损伤的表达式变为：

式中：μi为持续参数，介于0到1之间，用于计算落在S-N曲线根底一段内的应力循环对疲劳损伤的贡献，μi计算如下：

2 新型干树半潜式平台疲劳强度分析

2.1 新型干树半潜式平台总体有限元模型

新型干树半潜式平台模型一共分为三部分，即下浮体、下部导管架和上部组块，其主要尺寸和重量参数见表1。选用ANSYS和SACS软件共同完成建模和分析，平台总体有限元模型分别如图2、图3所示。

表1 新型干树半潜平台主要参数

图2 新型干树半潜总体有限元模型 图3 下部导管架模型

2.2 环境参数

疲劳分析采用的环境参数是以南海某海域为基础，相应的环境参数见表2。对于南海海域，波浪谱应该选用JONSWAP[10]。为了获取各热点的应力传递函数，一共定义了八个波浪方向，波浪方向示意图如图4所示。

表2 疲劳分析环境参数

图4 波浪方向示意图

2.3 疲劳关键位置的确定

2.3.1 新型干树半潜式平台总体强度分析

在进行平台疲劳强度分析之前，需要先完成平台总体强度分析。该文利用ANSYS，WAMIT和SACS软件完成了不同工况下的波浪载荷计算，得到了操作工况下的平台强度分析结果，典型应力云图如图5所示。根据计算结果可以看出，应力较大的部位出现在立柱和浮箱连接部位、导管架和船体连接部位以及立柱内部舱壁处。

图5 新型干树半潜等效应力云图

2.3.2 新型干树半潜式平台整体疲劳分析

强度分析结果表明，不同工况下波浪载荷对平台作用力有很大差异，因此需要计算不同周期和浪向的平台应力响应，选取各主要连接部位，应力较大区域和工程经验推荐的容易发生疲劳的区域进行整体疲劳分析[11,12]。该文进行整体疲劳分析选取的S-N曲线为ABS-D曲线，通过整体疲劳分析，选定了如图6所示关键节点进行热点分析，这些节点主要位于立柱内部角隅处，导管架和船体连接处，立柱和浮箱连接处。

图6 疲劳关键位置

2.4 关键节点的疲劳分析

2.4.1 热点模型细化

整体疲劳分析模型网格划分较粗，没有考虑局部细节构造，因此在进行热点应力分析时需要进行模型细化，细化后的有限元模型如图7、图8所示。

图7 疲劳细化有限元模型1

图8 疲劳细化有限模型2

2.4.2 热点应力幅值计算

热点应力是结构中最大的结构主应力或者危险截面上的结构应力，它依赖于结构的几何形状、尺寸以及载荷形式。在不考虑焊缝和裂纹等因素的前提下，按照规范[13-15]，对于非管节点热点应力的计算应采用外插法，如图9所示；对于未采用板壳模拟的管型节点，按照规范其热点应力应按照式13计算，如图10所示。

图9 热点应力外插法计算示意图 图10 管型节点应力计算位置和应力叠加示意图

式中：σx为轴向载荷产生的最大名义应力；σmy为面内弯矩产生的最大名义应力；σmz为面外弯矩产生的最大名义应力；SCFAS为轴向载荷在鞍点对应的应力集中系数；SCFAC为轴向载荷在冠点对应的应力集中系数；SCFMIP为面内弯矩对应的应力集中系数；SCFMOP为面外弯矩对应的应力集中系数。

2.4.3 各热点疲劳强度分析

该文对选定各热点进行了疲劳分析，得到了各热点的疲劳损伤和寿命，结果见表3、表4。计算结果表明，在目标平台30年设计寿命期内，选定的危险部位疲劳强度满足要求，其中导管架和船体连接位置疲劳寿命最低，因此在后续设计中要重点关注此处，尽量降低这些位置应力集中，施工时对这些区域要进行打磨和有效的防腐处理。

表3 船体关键节点疲劳分析结果

表4 导管架关键节点疲劳分析结果

3 结论

新型干树半潜式平台谱疲劳分析涉及到总体强度分析，疲劳载荷的计算，各工况下热点应力传递函数的计算，疲劳损伤的累积以及相关参数的选取，因此分析过程复杂，计算量大。该文对新型干树半潜式平台进行了谱疲劳分析，得到了以下结论：

(1) 谱疲劳分析方法作为深水浮式平台疲劳分析常用方法具有一定的准确性，但是工作量较大，在平台概念设计阶段应根据项目进度进行合理的安排和使用。另外谱疲劳分析方法不考虑焊接初始缺陷、残余应力和裂纹扩展的影响，计算出来的结果具有一定的离散型，虽然被业界采用较多，但是计算的精度还有待提高。

(2) 新型干树半潜式平台在立柱和浮箱连接部位，船体和导管架链接位置以及几个复杂管型节点相交处的应力较高，疲劳损伤也较大，虽然基本满足疲劳强度要求，但是在后续的设计中需要重点关注。

(3) 热点应力传递函数的计算是谱疲劳分析的关键环节，它的精度对计算结果有直接的影响。该文结合传统的半潜式平台与导管架平台谱疲劳分析方法，对船体结构和导管架结构关键节点采用了不同的热点应力计算方法，它的正确性与可行性还需进一步的验证。

(4) 疲劳载荷的计算是疲劳分析一个重要的环节，对结果有着决定性的影响。该文只考虑了线性波浪载荷，如何考虑波浪载荷的非线性成分，以及风、流和平台作业时的动态载荷影响，建立适用深水浮式平台在复杂环境条件下疲劳分析方法值得研究。

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Fatigue Performance Analysis of New Dry Tree Semi-Submersible Platform

(COTEC Offshore Engineering Solutions，Beijing 100011， China)

Dry tree production platform has the advantages of convenient workover, low cost, easy to repair and construction, but only successfully used in TLP and Spar platform. Compared to the two platforms, semi-submersible platform is not limited by the water depth, and easy to construction, install, but has larger motion. This paper presents a new dry tree semi-submersible which has well motion performance, then carry on fatigue analysis through spectrum analysis method. Introduce the commonly used method of spectral analysis and process in ocean engineering field, then finish global strength analysis of dry tree semi-submersible platform and Screening fatigue analysis, determine the fatigue key parts. Finally, carry on fatigue analysis for these key parts using spectral analysis method, obtain the fatigue life of the hot spot. The calculation results show that the fatigue life of the key parts meet requirements, but close to the design life, so fatigue problem needs to focus on in following design.

new style dry tree semi； spectrum analysis； hot spot； fatigue life

2014-07-01

李 辉(1985-)，男，工程师。

1001-4500(2015)02-0077-08

P751

A