基于损伤累积效应的半潜式平台结构疲劳分析方法

陶 雷　王润思　杨 勇　强永华

(1. 西南石油大学石油与天然气工程学院， 成都 610500；2. 西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室， 成都 610500;3. 中海石油深海开发有限公司深圳分公司， 广东 珠海 519000；4. 中海油田服务股份有限公司钻井事业部， 广东 深圳 518067)



基于损伤累积效应的半潜式平台结构疲劳分析方法

陶 雷1,2王润思1,2杨 勇3强永华4

(1. 西南石油大学石油与天然气工程学院， 成都 610500；2. 西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室， 成都 610500;3. 中海石油深海开发有限公司深圳分公司， 广东 珠海 519000；4. 中海油田服务股份有限公司钻井事业部， 广东 深圳 518067)

采用简化法对半潜式钻井平台的疲劳损伤和应力范围进行分析，并通过平台结构疲劳谱闭合分析得到波浪谱的短期分布密度函数，根据Miner线性累积疲劳损伤准则求解平台整体疲劳损伤。研究半潜式钻井平台在极端海况下的疲劳损伤对其疲劳寿命的影响，以及历史疲劳损伤对在用半潜式钻井平台的剩余寿命产生的影响，并提出基于历史损伤累积效应和极端海洋环境载荷作用的半潜式钻井平台剩余寿命分析方法。

半潜式平台； 历史损伤； 疲劳寿命； 可靠性； 累积效应

随着全球经济对能源需求与日俱增，海洋石油开采的重点方向已从浅海开采逐渐转向深水或超深水海域开采[1]。作为海洋石油勘探开发基础和依托的钻井平台，经历了从浅海固定导管架平台到深水半潜式平台的跨越式发展。半潜式钻井平台已成为深水钻井平台发展的重要发展方向[2]。目前，第6代半潜式钻井平台已能适应水深2 550 ～ 3 600m的极恶劣海洋环境，可通过动力定位装置来抵抗作业过程中来自海洋环境中风、浪、流的反复加载和冲击作用。因此，深水钻井平台面临的最大挑战是如何在恶劣海况环境下保证平台正常作业的安全性和可靠性。

半潜式钻井平台安全评估有基于强度破坏和基于疲劳破坏2种方式，其中疲劳破坏是指由于疲劳损伤经过长期累积引起的结构失效。无论导致平台疲劳损伤的交变载荷是来源于海洋环境的连续作用，还是来源于平台设备的间歇冲击作用，其损伤程度都取决于交变载荷总的循环次数，而不取决于某一次作用下的连续循环次数。因此，分析半潜式钻井平台的疲劳寿命时，需要考虑已服役年限内的结构所产生的疲劳损伤，累积并计入到平台总的疲劳损伤分析中，以此来提高结构剩余寿命的计算预测精度。

1　钻井平台疲劳寿命分析研究现状

目前，海洋工程界学者主要应用S-N曲线法、断裂力学法和疲劳可靠性分析法来进行海洋平台结构的疲劳分析和设计。

国外相关研究中，Marshall和Bea最先将结构可靠性理论在海洋平台结构的风险分析中进行运用[3-4]。Ang等人基于可靠性理论对浮式结构的疲劳设计和疲劳寿命可靠性进行研究，用概率理论对疲劳失效中疲劳寿命计算模型关键参数的不确定性进行系统评估[5]。Pillai发现了海洋平台结构疲劳可靠性推导过程中的“第一次越界问题”，提出利用反映服役期间平台安全性的疲劳可靠性累积曲线和有限参数来解决[6]。Moan等人基于断裂力学和损伤理论制定了考虑检测和修理影响条件下的海洋平台结构疲劳可靠性设计标准[7]。Ramsarnooj等人提出一种基于线弹性断裂力学的疲劳设计新方法，对等幅值循环载荷作用下的裂纹扩展规律进行了研究[8]。

在国内相关研究中，胡毓仁等人提出了海洋平台结构系统疲劳可靠性分析的一阶二次矩方法，并对疲劳载荷和疲劳强度的概率模型，疲劳寿命的可靠性预测，结构系统疲劳和模糊疲劳的可靠性分析等进行研究[9-10]。方华灿等人建立了新的模糊疲劳可靠性分析模型，提出了平台服役期间构件动态模糊疲劳可靠度的计算方法[11-12]。余建星等人根据Miner线性累积损伤原理，运用概率统计学理论、结构的疲劳损伤机理和失效树理论，提出了海洋平台结构系统疲劳可靠性评价的误差截断分析法及设计寿命期间的疲劳可靠性分析方法[13-15]。谢昕等人基于蒙特卡洛法对半潜式平台极限强度进行评估，加进了极限强度等不确定性的考虑因素，认为变量的不确定性对半潜式平台极限强度影响较大[16]。

2　半潜式钻井平台历史损伤累积分析

极端海洋环境载荷是指发生概率较小且持续时间较短、强度极大的环境载荷，一般用于海洋波浪散布图中。半潜式钻井平台设计的使用寿命一般为20a左右，因此平台在服役期内遇到此类极端海洋载荷的概率很小；即使遇到也只会持续较短时间，其所引起的疲劳损伤对平台结构的疲劳损伤累积贡献较小，一般可以忽略。现有半潜式钻井平台的疲劳寿命一般不考虑这类“偶发”性载荷所引发的疲劳损伤对平台结构疲劳寿命的影响。

近些年，由于全球气候变化频繁，世界各大海域极端海况出现的概率逐年增加。我国国家海洋局年度海洋灾害公报公布的数据显示：我国东海和南海海域每年都有台风发生，南海发生4m以上波高海浪的时间达169d以上，发生概率约为46.3%；2004年至2008年间南海连续5年有波高10m以上的海浪出现，最大波高一度高达14m[17]。上述数据表明，极端海洋工况已经不再是多年一遇的偶发现象，现在几乎成为一年一遇的频发环境工况。此种条件下的极端海况已经成为钻井平台在服役期间所面临的一种极端海洋环境载荷。

在对半潜式钻井平台结构的疲劳寿命进行分析时，可采用简化疲劳评定方法对半潜式钻井平台的结构疲劳进行筛选[18]。由于该方法对结构安全性的判断偏保守，所以可有效确定平台的结构敏感位置，也能较好地完成钻井平台的疲劳结构检测和安全性评价。采用简化法对半潜式钻井平台的结构疲劳进行评定时，疲劳应力范围的累积分布函数一般用两段式的weibull分布函数表示：

(1)

式中：S —— 应力随机变化范围；

δ ——weibull尺度参数；

γ ——weibull形状参数，γ可从半潜式钻井平台重要节点位置的应力谱分析中得到。

weibull尺度参数δ的分布函数为：

(2)

式中：NR—— 参考时间段的应力循环次数；

SR—— 疲劳应力范围超出平均循环次数NR的值。

采用双段式S-N曲线表示半潜式钻井平台的疲劳累积损伤D为：

(3)

式中：NT—— 设计寿命的循环次数；

δ —— 尺度参数；

C、 A —— 由疲劳试验确定的疲劳强度系数；

m、 r —— 疲劳强度指数。

(4)

(5)

(6)

式中：SQ——S-N曲线产生变化时对应的应力范围；

e、 t —— 积分变换的中间变量。

(7)

(8)

对于半潜式钻井平台结构的疲劳谱闭合分析中，应力范围可以通过基于谱分析的瑞利分布得到的波浪谱短期分布函数表示。同时在短期分布函数计算结构的疲劳损失过程中，需要用Wirsching模型进行雨流修正，再使用Miner线性累积疲劳损伤准则对平台整体疲劳损伤D进行计算。对于波浪谱的短期应力分布使用中低等海况下的n阶谱矩mn和瑞利分布密度函数g(S)来表示，Wirsching模型的雨流修正需要通过带宽系数ε和零上切频率函数f进行计算 ：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：θ —— 波浪入射角；

ε —— 带宽系数；

f —— 零上切频率函数；

ω —— 波浪频率；

HS—— 波高；

TZ—— 周期；

S —— 变化范围；

m0、m2、m4—— 谱矩；

J —— 不同应力幅值下的载荷数目；

ni—— 某一幅值条件下的应力循环次数；

Ni—— 等幅值条件载荷作用下结构失效的循环次数。

第i种海况条件下的S-N曲线所对应的平台结构短期损伤为：

(14)

将各海况条件下的平台结构短期疲劳损伤求和，可以得到半潜式钻井平台总的累积疲劳损伤D：

(15)

式中：T —— 钻井平台设计寿命；

NT—— 钻井平台设计使用寿命内的载荷循环总次数；

f0i—— 应力响应的零上切频率；

gi—— 第i种海况下的概率密度分布函数；

pi—— 联合概率；

S —— 应力变化范围的确定数值。

对于半潜式钻井平台受极端海洋环境载荷所引起的疲劳损伤，考虑半潜式钻井平台在上述极端海况载荷作用下的疲劳寿命分析，提出一种计算此类平台疲劳寿命的计算方法 ：

(16)

式中：Nf—— 半潜式钻井平台疲劳寿命；

D1—— 依据平台海域波浪散布图计算的半潜式钻井平台疲劳损伤；

D2—— 平台海域波浪散布图以外每年极端海况下计算的疲劳损伤；

D3—— 平台在非极端海况下的疲劳损伤；

f1—— 与D1相互对应的疲劳安全系数；

f2—— 与D2相互对应的疲劳安全系数；

f3—— 与D3相互对应的疲劳安全系数；

n3—— 与D3相互对应的相关海域海况累积发生的时间。

3　损伤累积效应的疲劳寿命影响分析

结构疲劳可分为裂纹萌生与裂纹扩展2种表现形式。一般裂纹萌生为结构疲劳的主要表现，如果结构局部部位已出现裂纹的萌生现象，其发生扩展到导致该局部部位所在的构件发生断裂的时间则很短。特别是对于半潜式钻井平台这类具有焊接点部分的薄壁构件，其从裂纹产生到导致部件形成穿透性裂纹的时间与整体钻井平台的疲劳寿命时间相比较是可以忽略不计的；因此，Miner线性累积疲劳损伤准则可视为裂纹萌生的过程。依据现有经验和疲劳损伤累积准则，认为材料的疲劳损伤与结构所受到的循环载荷作用的连续性无关。对于幅值和频率相同的循环载荷，无论是间歇式作用还是连续性作用，材料本身达到疲劳破坏的循环次数是相同的，这也是在进行相关疲劳试验过程中可以进行停顿的主要原因。

对处于正常工作状态的半潜式钻井平台，即使在平台的相关结构中尚未发现有裂纹，但是正常服役期间的钻井平台疲劳损伤仍然存在。在对该类钻井平台的疲劳寿命分析过程中，需要考虑服役期间已经形成的疲劳损伤效应，需将这部分“历史疲劳损伤”累积到总的钻井平台疲劳损伤中进行分析计算。如果仅仅考虑当前结构状态中由于海洋腐蚀和机械性损伤造成的疲劳来进行钻井平台整体疲劳寿命分析是不合理的，而简单扣除总体疲劳寿命中已服役年限的处理方法也是不合理的。其原因在于，历史疲劳损伤可依据海洋环境条件的相关历史记录进行“确定性”分析，其中也包括由于极端海况条件而引起的疲劳损伤。

基于上述分析，结合由于海洋极端载荷引起的疲劳损伤效应及考虑历史疲劳损伤的累积效应，得到半潜式钻井平台剩余寿命的预测公式 ：

(17)

式中：Nr—— 半潜式钻井平台剩余寿命；

D4—— 依据平台海域波浪散布图和每年极端海况条件计算的半潜式钻井平台疲劳损伤；D5—— 平台在非极端海况下计算的疲劳损伤；

f4—— 与D4相互对应的疲劳安全系数；

f5—— 与D5相互对应的疲劳安全系数；

n4—— 半潜式钻井平台已服役年限；

n5—— 与D5相互对应的相关海域海况发生时间。

4　结　语

在国家海洋局发布的相关年度海洋灾害公报的基础上，分析了近年频发的“极端海况”引起的疲劳损伤对半潜式钻井平台疲劳寿命的影响。

采用简化法对半潜式钻井平台的疲劳损伤和应力范围进行了分析，并在平台结构的疲劳谱闭合分析中得到波浪谱的短期分布密度函数，采用Miner线性累积疲劳损伤准则求解平台整体疲劳损伤。

研究了平台服役期间的疲劳损伤历史对半潜式钻井平台疲劳寿命预测的影响，提出了考虑极端海洋环境载荷和历史疲劳损伤的平台结构疲劳寿命预测方法。

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TheStructureFatigueAnalysisofSemi-SubmersiblePlatformBasedonDamageAccumulationEffect

TAO Lei1,2WANG Runsi1,2YANG Yong3JIANG Yonghua4

(1. School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China; 3.ShenzhenBranchCorporation,ChinaNationalOffshoreOilCorporation,ZhuhaiGuangdong519000,China; 4.DrillingDivision,ChinaOilfieldServicesLimited,ShenzhenGuangdong518067,China)

Inthispaperweusethesimplifiedmethodtoanalyzethefatiguedamageandstressrangeofsemi-submersibledrillingplatform,andgettheshortwavespectrumdensityfunctioninthefatiguespectrumclosedanalysisofplatformstructure;awholetotalfatiguedamageontheplatformisobtainedbyusingMinerlinearcumulativefatiguedamagecriteria.Basedonthestudyonthefatiguedamageeffectofsemi-submersibledrillingplatformtoitsfatiguelifeinextremeseaconditions,andanalysisoftheeffectsofthehistoricalfatiguedamageproducedtotheremaininglifeofthesemi-submersibledrillingplatforminuse,weproposedaresearchmethodtocalculatetheresiduallifeofsemi-submersibledrillingplatformbasedonhistoricaldamagecumulativeeffectandextremeoceanenvironmentload.

semi-submersibleplatform;historyofinjury;fatiguelife;reliability;cumulativeeffect

2015-12-07

国家自然科学基金项目“基于钻井系统动力学的深海钻井升沉补偿装置机理研究” (51274171)

陶雷(1991 — )，男，重庆开县人，西南石油大学在读博士研究生，研究方向为海洋深水工程与安全、非常规油气藏开发。

TE951

A

1673-1980(2016)04-0089-04