渤海簡易獨腿導管架節點全周期疲勞分析

楊 俊， 張延輝， 何 力， 王逢軍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

海洋平臺在海上運行期間會受到風、浪、流和冰等多種環境荷載的作用。由于風和流的作用頻率與海洋平臺的自振頻率差異較大，對導管架節點的整體疲勞影響很小，目前國內外相關規范對海洋平臺進行的疲勞分析主要集中在波浪疲勞方面。由于不同海域的冰參數差異明顯，各規范在海洋平臺的冰力計算和冰條件取值方面尚未形成統一的方法。

針對冰激振動和疲勞研究：季順迎等和蘭志剛等基于遼東灣定點多年的冰情觀測資料研究了冰激振動監測和海冰參數；岳前進等研究了柔性結構物在不同冰速下的破壞情況和荷載模式，提出了準靜態振動、穩態振動和隨機振動，同時對穩態振動情況下出現的頻率鎖定情況進行了觀測和分析；張大勇等分析了冰與直立腿抗冰結構相互作用的過程，提出了冰激直立腿平臺的疲勞壽命分析流程。上述研究很少對獨腿簡易平臺在不同冰激模式下的振動疲勞進行研究；同時，對平臺在服役全周期內受到的冰激振動與波浪疲勞的累加損傷影響開展的研究也較少。

考慮到獨腿平臺具有對稱分布的結構特點，采用SACS軟件對其進行簡易疲勞分析，篩選出重點關注的節點和影響最大的荷載的方向。在此基礎上，針對平臺在不同冰速下受到的穩態振動和隨機振動影響，分別采用ANSYS軟件的瞬態分析和譜分析方法得出關注節點的冰激振動疲勞損傷；針對非冰期的情況，采用SACS軟件進行詳細的波浪譜疲勞分析，得出關注節點的波浪疲勞損傷，并采用Palmgern-Miner線性累積損傷理論對冰激振動疲勞和波浪疲勞進行疊加處理，完成全周期的疲勞分析。

1 計算方法

1.1 Palmgern-Miner線性累積損傷理論

Palmgern-Miner線性累積損傷理論假定：在給定的應力水平下，累積損傷的速度與之前的載荷歷程無關，且加載順序不影響疲勞壽命的計算值。一定時間內多個工況的累積損傷

D

的表達式為

(1)

式(1)中:

S

為疲勞強度安全系數，

S

>1；

n

為第

i

種工況的應力循環次數；

N

為第

i

種工況的應力范圍對應的許可應力循環次數，由S-N曲線確定。S-N曲線一般采用文獻[1]中的WJT曲線。在WJT曲線計算無法滿足疲勞壽命要求的情況下，需根據WJ1曲線的應用條件對節點焊趾進行打磨處理，經過處理的節點的疲勞壽命能比處理前增加1倍。

1.2 波浪簡化疲勞

簡化疲勞評估方法是一種間接的疲勞評估方法，又稱許用應力范圍法，通過對作用的應力范圍

S

與許用值

S

進行比較確定疲勞強度。

U

=

S

/S

(2)

式(2)中：

U

為應力范圍與許用值的比值，

U

<1表示疲勞滿足要求。

通過簡化疲勞分析，可篩選出導管架結構上疲勞影響較大的節點和對應的荷載方向。

1.3 波浪譜疲勞

波浪譜分析理論在國內外相關規范和相關研究中均有詳細的描述，可采用SACS軟件完成相關分析，流程見圖1。

圖1 基于SACS軟件的波浪譜疲勞計算流程

1.4 冰激振動疲勞

根據岳前進等基于現場測量進行的觀測和理論研究，根據冰速的不同，冰對結構物的振動激勵主要分成3種：當

v

<2 cm/s時，冰激振動為穩態振動；當

v

=2～4 cm/s時，冰激振動為穩態振動；當

v

>4 cm/s時，冰激振動為隨機振動。在進行疲勞計算時，需考慮穩態振動和隨機振動的影響。

1.4.1 穩態振動冰荷載

結構物在穩態振動模式下的冰荷載時程曲線見圖2，其中：

T

為結構物一階固有頻率

f

對應的周期;

F

為結構冰荷載的最大值，近似取靜冰荷載計算。

F

=

mIf

σ

Dh

(3)

圖2 結構物在穩態振動模式下的冰荷載時程曲線

式(3)中：

m

為形狀系數，對圓形截面取0.9；

I

和

f

分別為嵌入系數和接觸系數，當

D

≥2.5 m時，

If

=0.4；

σ

為冰無側限壓縮強度，渤海區域一般取

σ

=2.0 MPa；

D

為冰擠壓結構的寬度，m；

h

為冰厚，m。Δ

F

=

qF

(4)

式(4)中：Δ

F

為最大冰荷載與最小冰荷載之差，kN；

q

為系數,與冰速相關，本文取

q

=0.5。根據不同冰況下的冰荷載時程曲線，通過ANSYS的時域分析可得到關注節點處的應力幅值，各應力幅值的循環次數

n

的表達式為

n

=

P

×

d

×24×3 600×

f

(5)

式(5)中：

d

為冰期，渤海區域按45 d考慮；

P

為

j

工況出現的概率，可通過冰厚概率密度函數

f

(

h

)和冰速概率密度函數

f

(

v

)擬合;

f

為結構的自振頻率。

(6)

(7)

式(6)和式(7)中：

σ

為冰厚概率均值；

μ

為概率方差;

σ

為冰速概率均值。1

.

4

.

2 隨機振動冰荷載

(8)

(9)

通過ANSYS對上述各工況下的冰載荷譜進行分析，可得出節點處的應力方差。若假設節點處的應力峰值符合瑞利分布，則結構物的應力峰值概率密度函數

p

(

σ

)的表達式為

(10)

式(10)中：

σ

為結構應力峰值，MPa；

σ

為應力標準差，MPa。每種冰況在1 a內的循環次數

n

可根據式(5)統計，同時對應力分布進行積分，可得到

j

工況下第

i

個變幅應力Δ

σ

的循環次數

n

的表達式為

n

=

n

×

P

(Δ

σ

)

(11)

式(11)中：

P

(Δ

σ

)為第

i

個變幅應力出現的概率。

2 模型及主要尺寸參數

本文以渤海遼東灣北部某簡易不加抗冰錐獨腿三樁導管架平臺(以下簡稱C平臺)為研究對象，其設計使用壽命為17 a。C平臺上部主甲板的尺寸為14 m×14 m，操作質量為620 t，標高為EL.(+)14.3 m；下部為間距為20 m的3個樁，樁徑為1.1 m，下部結構總質量為450 t，水深為16.6 m；主腿尺寸在有斜撐處為?4 000 mm×65 mm，在其余部位為?4 000 mm×38 mm。

C平臺的SACS和ANSYS計算模型見圖3，其中：SACS計算模型用于進行波浪簡化疲勞和波浪譜疲勞計算，模型中標注了各類型節點的區域；ANSYS計算模型采用板殼單元和質量點單元建模，用于進行冰激振動的時域和譜分析，ANSYS網格劃分中在關注節點位置進行了加密;A、B、C、D和E為節點位置區域。為簡化計算，邊界為考慮5倍樁徑處固定約束。波浪荷和冰載數作用位置標高為EL.(+)3.2 m。

a) SACS計算模型

b) ANSYS計算模型圖3 C平臺的SACS和ANSYS計算模型

3 計算結果及分析

3.1 波浪簡化疲勞計算

通過簡化疲勞分析，得到SACS計算模型主要節點的簡化疲勞

U

值見表1。

表1 SACS計算模型主要節點的簡化疲勞UC值

通過計算發現，B區域LG03節點的疲勞受波浪的影響最大，進一步分析該節點在0°～120°波浪角度下的疲勞

U

值，結果見圖4。

圖4 LG03節點疲勞UC值隨波浪角度的變化情況

由圖4可知，由于C平臺的結構具有對稱性，波浪入射角對節點疲勞的影響較小。本文主要對LG03節點在波浪角度為60°時的波浪譜疲勞和冰激振動疲勞進行分析。

3.2 波浪譜疲勞分析

通過SACS計算C平臺的固有頻率，結果見表2，波浪角度為60°時的基底彎矩傳遞函數見圖5。

表2 通過SACS計算得到的C平臺固有頻率

圖5 波浪角度為60°時C平臺的基底彎矩傳遞函數

根據API-WJT疲勞曲線，在不考慮安全系數的情況下，LG03節點的最短使用壽命為152.7 a，按平均有效冰期為45 d考慮，折算波浪荷載下LG03節點每年的疲勞損傷

D

為

(12)

3.3 冰激振動疲勞計算

根據式(6)和式(7)，采用文獻[11]中的冰參數取值方式，將冰厚分為0～<9 cm、9～<18 cm、18～<27 cm和27～36 cm等4個區間；考慮到穩態振動與隨機振動的區別，將冰速分為2～<4 cm/s、4～<20 cm/s、20～<40 cm/s、40～<60 cm/s和60～80 cm/s等5個區間。各種狀況下冰厚與冰速的聯合分布概率見表3。采用ANSYS計算模型的一階模態周期為1.25 s。

表3 各種冰況下冰厚與冰速的聯合分布概率

1) 針對冰速為2～<4 cm/s的穩態冰振，每年各冰厚區間內的最大冰荷載

F

、平均應力幅范圍和各工況下的疲勞損傷等見表4，典型冰荷載加載曲線和節點應力情況見圖6～圖8。

表4 穩態冰振情況下疲勞情況

圖6 冰荷載施加曲線

圖7 節點處應力變化情況

圖8 節點應力分布情況

結合式(5)計算穩態冰振各冰厚區間下LG03節點每年的疲勞損傷

D

為

D

=∑

D

2·0

.

004 6

(13)

2) 針對冰速大于4 cm/s的隨機振動，結合式(8)～式(11)，采用ANSYS進行應力譜分析，得到隨機冰振情況下節點應力標準差見表5，節點疲勞損傷見表6。

表5 隨機冰振情況下節點應力標準差

表6 隨機冰振情況下節點疲勞損傷

結合式(5)計算各隨機冰振工況下LG03節點每年的疲勞損傷

D

為

D

=∑

D

3·0

.

011 1

(14)

3.4 管節點疲勞損傷和疲勞壽命計算

僅考慮波浪的影響，C平臺在WJT疲勞曲線下的疲勞壽命為175.4 a，滿足設計年限的5倍安全系數下的85 a的要求。

在綜合考慮波浪和冰激振動的影響的情況下，結合線性損傷原理對各工況下的疲勞損傷

D

進行疊加，節點疲勞損傷

D

=0.021 4 a，表明C平臺在WJT疲勞曲線下的疲勞壽命為46.7 a，小于85 a，需按WJ1疲勞曲線使用要求對焊趾進行打磨處理，處理之后的疲勞壽命預計為93.4 a，滿足疲勞壽命設計要求。

4 結 語

基于線性損傷理論，分別對各工況下的疲勞損傷進行分析和累加，可實現冰區導管架節點的冰激與波浪聯合全周期疲勞分析。對于C平臺，在綜合考慮波浪和冰激振動的情況下，需按WJ1疲勞曲線使用條件對關注節點焊趾進行打磨處理，以滿足疲勞壽命設計要求。

對比波浪與冰激振動疲勞的影響，有效冰期占全年的12.3%，疲勞影響達到73.4%。穩態冰激振動可激起管節點產生較大的疲勞應力幅值，雖然作用時間只占平臺全周期的0.33%，但疲勞影響達到21.5%；雖然隨機冰激振動激起的節點疲勞應力幅值小于穩態冰激振動，但其出現頻率遠大于穩態冰激振動，疲勞影響達到51.9%。在設計和使用冰區的簡易平臺過程中，需對冰激振動予以重視。同時，注意到目前國內外規范在冰荷載參數取值上差異較大，特別是對冰速、冰厚等參數的概率密度分布的研究較少，還需針對具體的使用海域進一步對冰況進行監測和試驗研究。