（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海洋平台结构中k型管节点疲劳强度分析.pdf

摘要 管节点是平台结构关键的部位，同时也是最薄弱的环节，海上平台的失事很多都是 由于管节点脆性断裂或疲劳破坏所致，因此，对管节点的进行疲劳研究以探明其应力成 分的形成机理，有效减小其应力集中，从而增加其疲劳寿命就显得特别重要。 本文的主要工作，就是对b i n g 0 9 0 0 0 型半潜式平台的k 型管节点进行了疲劳强度 分析，为今后对海洋平台管节点疲劳强度的进一步研究打下基础。 首先，建立了b i n g 0 9 0 0 0 半潜式平台的整体模型并对其进行了整体强度分析，然 后根据d n v 规范的要求对其进行了强度校核。这是进行其上局部k 型管节点疲劳强度 分析的前提。 然后，在建立的平台整体三维有限元模型基础上，结合北海波浪长期分布资料，计 算了7 2 种波浪载荷工况下的整体结构应力，为管节点结构局部应力分析提供边界条件。 然后对管节点进行了疲劳强度分析。在计算管节点结构应力范围时，应用了广泛使用的 热点应力法，并根据d n v 规范提供的s n 曲线，以及m i n e r 线性疲劳累积损伤准则计 算出管节点结构的疲劳寿命。 最后，得出了平台遭受横浪时，k 节点的疲劳损伤度要比遭受其它浪向时大得多以 及构件弯曲是引起应力集中的主要因素等具有实际工程意义的结论。 关键词：半潜式钻井平台；管节点；疲劳强度；热点应力；有限元 a b s t r a c t t h et u b u l a rj o i n t sa r et h em o s ti m p o r t a n tb u tt h ew e a k e s tm e m b e r so f o c e a n p l a t f o r m i t h a sb e e nf o u n dt h a tt u b u l a rj o i n t sf a t i g u ec r a c k sa r ead o m i n a t i n gt y p eo fd a m a g ei no c e a n p l a t f o i t s a n dt h ee c o n o m i c a l l o s s e sa r ea l s oc o n s i d e r a b l e s oi ti se v i d e n t t h a tt h e r ei sag r e a t n e e df o rb e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft u b u l a r o i n t sf a t i g u eb e h a v i o r sa n dm e c h a n i s m s ，t h u st h e f a t i g u el i f e t i m e so f t u b u l a rj o i n t sc a n b ec o r r e c t l yp r e d i c t e da n dt h ee f f e c t i v ew a y st oi m p r o v e f a t i g u el i f e t i m e sc a nb ef o u n do u t t h em a i nw o r ko f t h i st h e s i si st op r e d i c tt h ef a t i g u el i f 6 t i m eo f ak i o i n ti nb i n g 0 9 0 0 0 o c e a nr i g ，a n dd os o m eb a s i cw o r kf o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft u b u l a ri o i n t sf a t i g u el i f e t i m e p r e d i c t i o ni nf u t u r e f i r s t l y , b a s e do n t h ed n v r u l e s ，a3 df i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h er i gw a sd e v e l o p e df o r s l l e s sc a l c u l a t i o na n dt h es t r e n g t ho fs t r u c t u r ew a sc h e c k e d t oo b t a i nt h el o c a ls t r e s s d i s t r i b u t i o no f t h ek t u b u l a ri o i n t ，s u b m o d e lw a sb u i l ta n dc a l c u l a t e d t h e n a c c o r d i n gt ow a v cl o n g - t e r md i s t r i b u t i o no fn o r t hs e a , s t r e s s e so ft h ew h o l e s t r u c t u r es u b j e c t e dt o7 2w a v el o a d sc a s e sa r ec a l c u l a t e d ，w h i c hs u p p l i e sb o u n d a r yc o n d i t i o n s o fl o c a lt u b u l a ri o i n tm o d e l si nl o c a ls t r e s sa n a l y s i s t h e n ，。t h ef a t i g u es t r e n g t ha n a l y s i so f k - j o i n ti sc a r r i e do u t h o ts p o ts t r e s sm e t h o di su s e di nt h ec a l c u l a t i o no fs t r e s sr a n g e w i t h s - nc u r v es e l e c t e df r o md n vr u l e so ff a t i g u es t r e n g t ha n a l y s i sf o rm o b i l eo 氆 h o r eu n i t e s 1 1 1 cm i n e rl i n e a rf a t i g u ed a m a g ea c c u m u l a t i o nr u l ei su s e dt oc a l c u l a t ef a t i g u el i f eo ft h e t u b u l a r j o i n t s f i n a l l y , s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w n ，w h i c hw i l lg i v ev a l u a b l et e c h n i c a l s u p p o r tf o rf u t u r ed e s i g na n db u i l d i n go f t h es e m i s u b m e r s i b l er i gi nc h i n a k e yw o r d s ：s e m i s u b m e r s i b l er i g ；t u b u l a rj o i n t ；f a t i g u es t r e n g t h ；h o ts p o ts t r e s s ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d i l 海洋平台结构中k 型管节点疲劳强度分析 前言 海洋平台是为开发与利用海洋资源，提供海上作业与生活的场所。随着海洋开发事 业的迅速发展，海洋平台的需求量越来越大。圆柱壳体具有优良的水动力性能、较高的 强度重量比以及优良的各方向等屈曲强度性能，所以，离岸结构物，诸如导管架和半 潜式平台等，主要是由钢管焊接构成。在这些钢管的连接部位，即管节点处，结构形状 复杂、相贯部位变化不连续。另外，大部分海洋平台管节点都为焊接结构，由于焊接工 艺的特点，焊缝的材质是不均匀的，通常由焊肉、熔合线和热影响区所组成，各个区域 材质不同，性能不一样，因此抗破坏的能力有差异，而且焊缝本身不可避免地存在各种 宏观缺陷。由于结构形式和焊接的影响，在管节点的相贯线附近，很容易产生极大的应 力集中。在工作状态中，这些钢管在海洋环境中要承受海浪力、潮流、冰雪、海水腐蚀、 地震、微生物、工作时变动力等产生的交变载荷，因此，在上述应力集中区极有可能出 现疲劳破坏。因为疲劳破坏常带有突然性，所以往往导致灾难性设备事故和人身事故。 自海洋平台设计制造和投产营运至今已有近五十年的历史，平台倒塌事故屡见不鲜，仅 墨西哥湾就倒塌了十二座以上，损失巨大。究其原因，主要是管节点疲劳破坏所致【1 1 。 因此，为了安全可靠，对平台的设计和验收应满足疲劳强度的要求。而对管节点进行疲 劳强度分析，以获得其欲估疲劳寿命，为平台的顺利建造和安全生产提供技术依据就成 了一件必不可少的工作。 在过去的三十多年中，由于管节点疲劳设计的迫切需要，人们对管节点的疲劳性能 进行了大量的试验研究和数值模拟计算，并取得了相当大的成果。其中各船级社如 d n v e 2 1 、l r 和b v 等都通过系列试验，以各自形式给出了各种类型管节点的痤力集中 系数( s c f ) 计算公式，建立了各自的疲劳强度校核方法和准则。s m c h e n g 【3 】通过对t 型管节点的疲劳试验，建立了疲劳裂纹的扩展公式。我国也早在八十年代就开始了管节 点疲劳的研究【4 j ，其后建立了基于国产z 向钢的基础s - n 曲线和t 型管节点的热点应力 公式【5 】。另外，姚木林、石理国【6 l 等还对内环加强的管节点疲劳性能进行了试验研究， 并给出了取得较优加强效果的内环参数。 但是，由于管节点的试验费用昂贵，随着计算机技术的发展，很多人开展了管节点 的疲劳性能数值计算。英国人m r m o r g a n 和m m k l e e 7 l o 】应用薄壳单元对2 5 4 个不 同参数的k 型管节点进行了有限元分析和计算( 典型的k 型管节点见图3 2 ) ，分别给 出了k 型管节点在分别受轴向平衡载荷、面内弯矩和面外弯矩时弦( 主) 管与支管相贯 n 一一n 线上各关键点的s c f 参数方程。这些关键点是：冠趾( 妒2 u ) 、冠跟( 节。1 8 u ) 、鞍 点( 妒2 9 0 。) 以及处于冠点和鞍点之问的中问点( 妒= 4 5 。和妒= 1 3 5 。) 。对于后两种受 弯矩载荷的情况，他们还根据各关键点的值通过三次曲线拟合得到了沿整个相贯线的 s c f 参数方程。差不多在同一时期，e c h a n g 和w d d o v e r h - 1 3 j 也用薄壳单元分别对t 、 y 、x 和d t 型管节点各3 3 0 个不同参数的模型进行了有限元分析和计算，并给出了基 于管节点参数的沿相贯线的s c f 计算公式。值得指出的是，m r m o r g a n 等的沿相贯线 的s c f 计算公式需要已知各关键点的s c f 值，而e ，c h a n g 等的参数公式中只需要初始 的管节点参数，这对于初始设计时使用非常方便。在以上文献中，热点应力都是采用沿 相贯线管壁外表面上节点的最大主应力，但是，通过对大量的疲劳试验数据分析发现， 焊接管节点具有相同的热点应力但有不同的几何形式或载荷形式时；其寿命有明显差 别。迸一步的研究表明，这种差别主要是由于裂纹的生长速率的改变引起的，而生长速 率又依赖于沿管壁厚的应力分布情况。为了能更准确地预报疲劳寿命，就要对壳单元中 膜应力和弯曲应力成分有一个清楚的了解。e c h a n g 1 4 1 曾进行过这方面的研究工作，他 通过对x 和d t 型管节点的分析，给出了这两种管节点弦管各关键点的弯曲应力计算公 式。为了考察k 型管节点的柔度，s p y r o sa k a r a m a n o s ! b j 应用壳单元对典型k 型管节 点进行了有限元分析计算，给出了考虑管节点柔度的热点应力计算公式。 采用壳单元虽然能大大简化管节点的有限元模型建立，但是由于它的厚度只是作为 单元的一个参数，丽没有体现在单元的形状中，故丽它只能模拟管节点的中西，两无法 模拟焊缝以及其它的一些三维特征。这就导致由壳单元得到的局部( 特别是支管) 热点 应力偏离实际情况而须修正。为了更好地模拟实际结构以得到相贯线附近更加真实准确 的应力，就有必要采用三维块单元来模拟实际管节点。s p y r o s a k a r a m a n o s 0 6 1 等应用2 0 节点三维块元对k 型管节点在不同受载情况下进行了有限元分析计算。给出了支管受平 衡轴向载荷、面内弯曲、面外弯曲以及弦管受载时各关键点( 弦管的冠点和鞍点与支管 的冠点和鞍点) 的s c f 计算图表和公式。而s r c h i e w t 7 - i s 等则应用2 0 节点三维块元 对x x 型管节点在各种不同载荷情况下的s c f 进行了分析计算，给出了各关键点在三种 支管载荷作用下的s c f 计算公式。 此外，d r a d a j “圳等尝试用切口应变的方法来评估焊接管节点的疲劳强度，但他发 现预估的寿命与试验数据有很大的出入，离散性很大。经过分析，他认为这种出入主要 是由予局部参数( 特别是焊脚跗近) 的不确定性导致的。由于焊脚形状的离散性，使褥， 裂纹的起始点无法准确确定，因而只好假设成最坏的情况，而这样可能与实际差别很大。 另外，人们在试验中发现，沿相贯线扩展的裂纹并不是垂直于弦管管壁扩展的，而是不 断地改变方向而使断裂面成为一个空间曲面。d b o w n e s $ 和m m k l e e 2 0 1 用最大主应 力准则对这种现象进行解释并进行了模拟计算，给出了预报裂纹扩展方向的方法。而上 海交大的钱仍绩口l j 等则用应变能密度因子理论对此进行了分析，得出了类似的扩展规 律。 在管节点中，不但有圆支管与圆弦管连接的情况，还有方支管与方弦管连接的情况 以及圆支管和方弦管连接的情况，对于最后一种管节点，b yp - g a n d h i 和s t i gb e r g 2 2 1 通 2 过对7 个试样进行试验分析得出，其s c f 之值介予圆( 支管) 圆( 弦管) 相接与方( 支 管) 方( 弦管) 相接之间，用圆圆相接的参数公式总是偏于保守。 材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的， 特别是在焊缝的区域内。疲劳作为一种破坏模式，它实际上是这些微裂纹的扩展和汇合， 从而形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。疲劳破坏过程一般来说可 分为三个阶段；裂纹的起始，裂纹的稳定扩展以及最后断裂。引起疲劳破坏的原因也与 总强度或局部强度破坏的原因不同，前者是由于交变应力，特别是交变的应力幅值范围 引起的，而且其破损是一个逐渐累积的过程：而后者是由极值应力幅值引起的，它是一 种突然破坏。 在微观层次上，疲劳破坏是一个极其复杂的过程，很难用严格的理论方法进行描述 或模拟。因此，目前的疲劳分析方法都是建立在宏观的层次上，在工程中应用的疲劳分 析方法可以分为三大类：s - n 曲线法、断裂力学方法以及可靠性方法。 经典的疲劳分析方法基于s - n 曲线和p a l m g r e n - m i n e r 线性累积损伤准则，用循环 应力范围或塑性应变范围或总应变范围来描述导致疲劳破坏的总寿命。与s - n 曲线法不 同，疲劳设计的断裂力学方法以“损伤容限”原理作为设计基础。这里的基本前提是认 为损伤为一切工程构件所固有。原有损伤的尺寸通常用无损探伤技术来确定。疲劳寿命 则定义为主裂纹从这一原始尺寸扩展到某一临界尺寸所需的疲劳循环数或时间。采用损 伤容限法预测裂纹扩展寿命时需要应用断裂力学的裂纹扩展经验规律。根据线弹性断裂 力学的要求，只有在满足小范围屈服条件下，也就是远离任何应力集中的塑性应变场， 而且与带裂纹构件的特征尺寸( 包括裂纹尺寸) 相比，裂纹顶端塑性区较小，弹性加载 条件占主导地位的情况下，才可以应用断裂力学方法i ”j 。 这两种方法各有优缺点。s - n 曲线法利用了抽象的“破坏”模型，从而可以避免裂 纹尖端复杂应力场的分析，而且在有的情况下，微裂纹的形成和汇合，即通常所指的裂 纹起始阶段寿命可以占总寿命中的很大部分。断裂力学则可以更好地反映尺度效应以 及可以对一个已有裂纹的结构提供一个更精确的剩余寿命估算方法口“。 目前，s - n 曲线法和断裂力学方法在工程中得到了广泛的应用。成为了两种相互补 充的基本方法。但是，这两种方法以往都是在确定意义上使用的，也就是说，在分析过 程中，有关的参量都认为是有确定数值。而实际上，工程中涉及到疲劳的有关因素都是 随机的。例如载荷随机性，材料的随机性等等。这些随机性决定了用确定性的方法不可 能对上述各种不确定因素的影响作出客观的反映。为此，人们开始采用疲劳可靠性的方 法来进行疲劳寿命评估。在这个理论中，影响结构疲劳寿命的不确定因素都用随机变量 或随机过程来描述；在充分考虑这些不确定因素的基础上，一个结构的疲劳寿命合格与 否，用该结构在服役期内不发生疲劳破坏的概率来衡量。这一概率称为结构疲劳可靠度。 艰显然，对于受到大量不确定因素影响的工程结构的疲劳问题，用结构疲劳可靠性理论 来加以研究是非常适当的。在船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析中，其研究内容大致 2 誊暨鐾罂篁邕誊鎏鲨_ _ 啊一可由五部分组成：建立疲劳载荷的概率模型、建立疲劳强度的概率模型、疲劳寿命的可 靠性预测、结构系统的疲劳可靠性预测和结构的模糊疲劳可靠性预测i 上”。 近年来，人们发现，不确定因素按其性质可以分成两大类，除了随机的不确定因素 外，还有一些不确定因素具有模糊性质。在疲劳可靠性分析中，计及模糊不确定因素的 影响称为一个新的研究课题1 2 6 “j 。 按可靠性理论，结构在随机载荷作用下的疲劳寿命是个随机变量。作为随机变量的 疲劳寿命服从何种概率分布，目前主要有两种假设：( 1 ) p a u lh w i r s e h i n g 等提出的对 数正态分布格式；( 2 ) w - h m u n s e 等提出的w e i b u l l 分布格式睇。 ： 虽然疲劳可靠性方法从理论上是最完善的，可以更合理的描述实际中结构的各种不 确定因素，更加符合客观事实。但是在工程实际中，由于缺乏充分的统计数据资料，使得 疲劳可靠性分析中最关键的概率模型的建立也存在很大的分散性，这成为阻碍疲劳可靠 性分析在工程实际中推广的重要原因。 因而目前常用的海洋工程疲劳强度分析还主要是采用操作起来简单的s - n 曲线法。 而s - n 曲线法又可根据其采用的应力或应变的特点而进步细分为名义应力法、热点应 力法、切口应力法和切口应变法f 3 0 】。在海洋平台管节点疲劳中，人们广泛采用热点应力 法。 在常规的疲劳试验中，循环应力的应力幅在整个试验过程中保持不变。但是，大多 数的海洋工程结构构件在工作中所承受的工作载荷是交变载荷，在工程设计中人们建立 了各种方法来考虑这种不同幅值的交变载荷影响。这些的方法普遍建立在“损伤”这个 概念上。当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，这 种损伤能累积的。当损伤累积到临界值时，结构就发生破坏。基于这一思想，出现了多 。，种疲劳累积损伤理论。如线性疲劳累积损伤理论、双线性疲劳累积损伤理论和非线性疲，一 劳累积损伤理论。但是工程中最常用的还是p a l m g r e n - m i n e r t ”】线性疲劳累积损伤假设。 虽然p a l m g r e n - m i n e 法则有很多局限性，如同一载荷块内，应力须是对称循环变应 力，或等效成对称循环变应力，无法考虑载荷历程和加载顺序的影响等，但由于 p a l m g r e n m i n e 法则应用比较简单，且疲劳分析中还有其它多方面的不确定因素，故而 p a l m g r e n - m i n e t 3 4 - 3 6 1 法则在工程中仍然被广泛使用。 本文将以国家高科技产业化示范工程项目“b i n g 0 9 0 0 0 型半潜式钻井平台主体结 构优化设计”为依托，将热点应力方法与m i n e r 疲劳累积损伤方法应用到实际的工程中， 对b i n g 0 9 0 0 0 型半潜式钻井平台的砭型管节点进行疲劳累积损伤计算。首先，应用 a n s y s 程序建立了该平台的空间板梁组合结构有限元模型，根据采用三维格林函数法 对该平台在各工况下所受的波浪载荷计算结果，对平台结构进行了整体应力分析和强度 校核。然后结合北海波浪长期分布资料，计算了7 2 种波浪载荷工况下的整体结构应力， 为管节点结构局部应力分析提供边界条件。其次，建立了管节点结构局部有限元模型进 行疲劳强度分析。在计算管节点结构应力范围时，应用热点应力法，并根据d n v 规范 4 一。一一。篓詈鎏鎏蟹譬篁篁鎏盥一 提供的s - n 曲线，以及m i n e r 线性疲劳累积损伤准则计算出管节点结构的疲劳寿命。本 文最后给出的一些有意义的结论，为国内今后该类半潜式钻井平台的设计和建造提供了 宝贵的技术依据。 _ l ， 2 3 4 参考文献 李华明，窦润福海洋平台管节点研究动态 j ，舰船性能研究1 9 9 5 ，v 0 1 3 ：7 3 8 2 d n v ( 1 9 8 4 ) f a t i g u es t r e n g t ha n a l y s i sf o r m o b i l eo f f s h o r eu n i t s c l a s s i h c a t i o nn o t e s n o t en o 3 0 2 s m c h e n g a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no f t u b u l a rt - j o i n t su n d e rc y c l i cl o a d s j j o u r n a lo f o f f s h o r e m e c h a n i c sa n da r c t i ce n g i n e e r i n g 1 9 9 9 ，v 0 1 1 2 1 ：1 3 7 1 4 3 国家科技攻关项目：海洋石油平台t 型管节点疲劳强度研究总技术报告 p ( 技术文件o t r 0 l 一0 1 ) 1 9 8 6 1 1 s ，汪广海，陈伯真国产z 向钢制造的海洋平台管节点的疲劳性能i - j 海洋工程，m a y1 9 9 2 ，v 0 1 1 0 ( 2 ) ：1 - 7 6 姚木林，石理国，内环加强管节点疲劳性能研究 j 1 舰船性能研究1 9 9 4 ，v 0 1 3 ：8 3 9 2 7 m r m o r g a n n e wp a r a m e t r i ce q u a t i o n sf o rs t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r si nt u b u l a rk - j o i n t su n d e r b a l a n c e da x i a ll o a d i n gi s i n t e r jo f f a t i g u e ，1 9 9 7 ；v 0 1 1 9 ( 4 ) ：3 0 9 3 1 7 8 m 。r m o r g a n p r e d i c t i o no f s t r e s sc o n c e n t r a t i o n sa n dd e g r e e so fb e n d i n gi na x i a l l yl o a d e dt u b u l a r k - j o i n t s j j o f c o n s t r u c t i o n a ls t e e lr e s e a r c h j a n 1 9 9 8 ；v 0 1 4 5 ( 1 ) ：6 7 9 7 9 m r m o r g a n s t r e s s c o n c e n t r a t i o nf a c t o r si nt u b u l a rk - j o i n t su n d e ri n p l a n em o m e n tl o a d i n g i j 1 j o u r n a lo f s t r u c t u r a le n g i n e e r i n g a p r i l1 9 9 8 ；v 0 1 1 2 4 ( 4 ) ：3 8 2 - 3 9 0 1 0 m r m o r g a n p a r a m e t r i ce q u a t i o n sf o rd i s t r i b u t i o n so f s t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r si nt u b u l a rk - j o i n t s u n d e r o u t - o f - p l a n el o a d i n gi - j i n t e jo f f a t i g u e 1 9 9 8 ；v 0 1 2 0 ( 6 ) ：4 4 9 - 4 6 1 姐e c h a n g ，w d d o v e r s t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r sp a r a m e t r i ce q u a t i o n sf o rt u b u l a rx a n dd t j o i n t s j j i n t e r n a t i o n a l j o u m a lo f f a t i g u e a u g 1 9 9 6 ；v o l l 8 ( 6 ) ：3 6 3 - 3 8 7 1 2 e c h a n g w d d o v e r p a r a m e t r i ce q u a t i o n st op r e d i c ts t r e s sd i s t r i b u t i o n sa l o n gt h ei n t e r s e c t i o no f t u b u l a rxa n d d t j o i n t sf j i n t e r n a t i o n a l j o u r n a lo f f a t i g u e 1 9 9 9 ；v 0 1 2 1 ( 6 ) ：6 1 9 - 6 3 5 1 3 e c h a n g w d d o v e r p r e d i c t i o n o f s t r e s sd i s t r i b u t i o n sa l o n gt h ei n t e r s e c t i o no f t u b u l a rya n dt - j o i n t s i s i n t e r n a t i o n a l j o u r n a lo f f a t i g u e 1 9 9 9 ；v 0 1 2 1 ( 4 ) ：3 6 1 - 3 8 1 ， m e c h a n g ，w dd o v e r p r e d i c t i o no f d e g r e eo f b e n d i n g i nt u b u l a rxa n d d t j o i n t s j i n t e m a t i o n a l j o u r n a lo f f a t i g u e 1 9 9 9 ；v 0 1 2 1 ( 2 ) ：1 4 7 1 6 1 1 5 s p y r o sa o n t h ef a t i g u ed e s i g no f k - j o i n tt u b u l a rg i r d e r sl j j i n t e r n a t i o n a lj o u m a lo f o f f s h o r ea n d 5 。一。一。耋鉴彗塑譬鉴鎏譬鏊筮二- 一 p o l a re n g i n e e r i n g m a r c h 2 0 0 0 ；v 0 1 1 0 ( 1 ) ：5 0 - 5 6 1 6 s p y r o sa k a r a m a n o s ，a r i er o m e i j n ，j a n pw a r d e n i e r s t r e s sc o n c e n t r a t i o n si nt u b u l a rg a p k - j o i n t s ： m e c h a n i c sa n df a t i g u ed e s i g n j e n g i n e e r i n go f s t r u c t u r e s 2 0 0 0 ；v 0 1 2 2 ：4 _ 1 4 - 1 7 s p c h i e w , c k s o h ，n w w u g e n e r a ls c fd e s i g ne q u a t i o n s f o rs t e e lm u l t i p l a n a rt u b u l a rx x _ j o i n t s j i n t e r n a t i o n a l j o u r n a lo f f a t i g u e2 0 0 0 ；v 0 1 2 2 ：2 8 3 2 9 3 18 sp c h i e w , c k s o h ，t c f a n g ，a k s o h n u m e r i c a ls t u d yo fm u l t i p l a n a r t u b u l a rd x - j o i n t s s u b j e c t t oa x i a ll o a d s j 3 c o m p u t e r sa n ds t r u c t u r e s 1 9 9 9 ；v 0 1 7 2 ：7 4 9 7 6 1 1 9 d r a d a j p r e d i c t i o no f s e r v i c ef a t i g u es t r e n g t ho f aw e l d e dt u b u l a r j o i n to nt h eb a s i so f t h en o t c h s t r a i na p p r o a c hc j 3 i n t e jo f f a t i g u e 1 9 9 8 ；v 0 1 2 0 ( 6 ) ：4 7 1 4 8 0 2 0db o w n e s s mm k l e e f a t i g u ec r a c kc u r v a t u r eu n d e rt h ew e l dt o ei na l lo f f s h o r et u b u l a rj o i n t i j i n t e r n a t i o n a l j o u r n a lo f f a t i g u e1 9 9 8 ；v 0 1 2 0 ( 6 ) ：4 8 1 - 4 9 0 2 1 钱仍绩管节点与船舶甲板结构中疲劳裂纹扩展方向的研究海洋工程f e b 1 9 9 6 ；v 0 1 1 4 ( 1 ) ：8 1 8 7 2 2 b yp _ g a n d h i ，s l i g b e r g f a t i g u e b e h a v i o r o f t - j o i n t s ：s q o a r e c h o r d s a n dc i r c u l a r h r a c e s j j o u r n a l o f s t r u c t u r a le n g i n e e r i n g a p r i l1 9 9 8 ；v 0 1 1 2 4 ( 4 ) ：3 9 9 - 4 0 4 2 3 ，s u r c h s 材料的疲劳( 第二版) m 国防工业出版社北京，1 9 9 9 ：8 - 9 2 4 c u iw e i c h e n g ap r e l i m i n a r yr e v i e wo fr e c e n td e v e l o p m e n t si nl i f ep r e d i c t i o nm e t h o d so fm a r i n e s t r u c t u r e s j j o u r n a lo fs h i pm e c h a n i c s d e c 1 9 9 9 ；v 0 1 3 ( 6 ) ：5 5 - 7 9 2 5 胡毓仁，陈伯真船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析 m 】人民交通出版社1 9 9 7 2 6 方华灿海洋钢结构的模糊概率断裂力学第六讲海洋钢结构的疲劳与断裂模糊可靠性【j 】 中国海洋平台，n o v 1 9 9 8 ，v o l ( 5 、6 ) ：5 4 5 8 2 7 方华灿模糊概率断裂力学概说一海洋石油机械工程用【j 】石轴矿场机械，1 9 9 9v 0 1 ( 2 7 ) ：1 8 2 2 2 8 方华灿海洋石油钢结构的疲劳寿命：模糊概率断裂与损伤力学的应用i m 】石油大学出版社，1 9 9 0 2 9 王东海等船舶结构疲劳寿命两种分布格式的比较【j 】船舶工程，1 9 9 8 ( 3 ) ：1 2 - 1 4 3 0c u iw e i c h e n g ap r e l i m i n a r yr e v i e wo fr e c e n td e v e l o p m e n t si nl i f ep r e d i c t i o nm e t h o d so fm a r i n e s t r u c t u r e j 1 船舶力学，1 9 9 9 ( 1 2 ) ：5 5 7 9 3 l 崔维成等船舶结构疲劳强度校核研究现状及我国的进展 j 船舶力学a u g 1 9 9 8 ； v 0 1 2 ( 4 ) ：6 3 8 1 3 2 徐灏疲劳强度高等教育出版社【m 】北京，1 9 8 8 3 3a f a t e m i l y a n g c u m u l a t i v ef a t i g u ed a m a g ea n dl i f ep r e d i c t i o nt h e o r i e s ：as u r v e yo f t h es t a t eo f t h ea r tf o r h o m o g e n e o u sm a t e r i a l s j i n t e r j o f f a t i g u e 1 9 9 8 ；v 0 1 2 0 ( 1 ) ：9 - 3 4 3 4 王东海等船体结构在非线性波浪载荷作用下疲劳累积损伤计算 j 中国造船f e b 1 9 9 9 ； 、，o i 1 4 4 ( 1 1 ：5 9 - 6 7 3 5 程育仁，缪龙秀，侯炳麟疲劳强度【m 】，中国铁道出版社北京，1 9 9 0 3 _ 6 aa l m a r - n 斑s f m i g u eh a n d b o o k ( o f f s h o r es t e e ls t r u c t u r e ) 【m 】t a p i r 1 9 8 5 6 。一。彗鍪警篁鐾篮罂耋耋耋垫。1 i 。i 。 曩量蕾量量目皇| 薯曹鼍薯蕾篁曩皇量曼墨墨 第一章半潜式平台结构特点； 海洋平台是为开发与利用海洋资源，提供海上作业与生活的场所。随着海洋 开发事业的迅速发展，海洋平台得到广泛的应用，就深海石油开发而言，深海半 潜式钻井平台不仅是个主导品种，而且其技术水准和建造的工艺技术水平可称之 为高技术的代表。大连新船重工承建的b i n g 0 9 0 0 0 型半潜式平台是1 9 9 8 年由挪 威d r i l l t e c ha s a 设计的当代世界上海洋工程最新的第五代产品，属海洋工程最 具代表性的高技术产品。本章简要介绍几种常见的半潜式海洋平台，并结合 b i n g 0 9 0 0 0 型半潜式平台，讨论了半潜式平台的结构特点，并简单介绍了对平 台疲劳强度起主要作用的一些因素。最后，给出了海洋工程中由于疲劳破坏而造 成几个灾难性的教训，以说明疲劳强度问题在海洋平台中的重要性。 1 1 项目简介 随着海上油田的开发，特别是深海油田的发现，有远见的石油投资商根据石油供需 关系的分析，预计到了海上原油开采的重要性。石油、工业界对开发海洋石油生产处理 装置的兴趣亦日趋增长，由此形成了所谓“海洋工程”课题，并不断开发出一些适用于 海洋开发的石油生产处理装置。 在海洋工程产品中，钻井平台是其中的主导品种。髓着海上石油的开发由浅海逐渐 向深水海域的发展，石油( 天然气) 钻井平台的作业水深也“由浅入深”。就深海石油 开发而言，深海半潜式钻井平台不仅是个主导品种，而且其技术水准和建造的工艺技术 水平可称之为高技术的代表。 我国对海洋工程的研制开发起步晚、基础薄弱。对于深海用半潜式平台国内尚属空 白，虽然大连新船重工承接了挪威业主的b i n g 0 9 0 0 0 型半潜式钻井平台，但是许多关 键技术不掌握，设计建造该型产品有相当大的难度，必须下力气研究开发，才能使实船 工程建造成功。为此，大连新船重工委托大连理工大学进行b i n g 0 9 0 0 0 半潜式钻井平 台主体结构优化设计的分项研究。通过实际工程的产业化开发，将使我们掌握此类产品 的设计建造技术，提高开发能力与水平，进一步增强市场竞争力。 在这个分项中，包括三个子项目，即“主体结构有限元分柝”、“主体结构特殊区域 k 型节点及支撑结构的设计”和“立柱结构设计”。本论文就是在完成前两个子项目的 基础上完成的。 。一。一。翟耋望：譬誊窭黧鍪翟| _ 。，。，。 1 2 半潜式平台的结构特点 1 ，2 。1 半潜式平台的产生 随着海洋石油开发事业的发展，各类海洋平台应运而生。海洋平台的种类大体上可 按如下划分： 海洋平台 移动式平台 坐底式平台 自升式平台 钻进船 半潜式平台 f 钢制导管架平台 固定式平台 囊雾老霎辜喜平台 i 牵索塔式平台 移动式平台是一种装备有钻井设备，并能从一个井位移到另一个井位的平台，它可 用于海上石油的钻探和生产。其中的坐底式平台适用于河流和海湾等3 0 m 以下的浅水域。 它有两个船体，上船体又叫工作甲扳，安置生活舱室和设备，通过尾部开口借助悬臂结 构钻井；下部是沉垫，其主要功能是压载以及海底支撑作用，用作钻井的基础。两个船 体问由支撑结构相连。这种钻井装置在到达作业地点后往沉垫内注水，使其着底。因此 从温性和结构方面看，作业水深不但有限，而且也受海底基础( 平坦及坚实程度) 的制 约。所以这种平台发展缓慢。， 自升式平台又称为甲板升降式或桩腿式平台。这种石油钻井装置主要由平台主体和 桩腿组成。钻井时桩腿触底，平台则沿着桩腿升离海平面一定高度；移位时平台降至水 面，桩腿升起，平台就像驳船，可由拖轮把它拖移到新的井位。自升式平台的优点主要 是所需钢材少，造价低，在各种海况下都能平稳地进行钻井作业；缺点是桩腿的长度有 艰，使它的工作水深受到限制，最大的工作水深约在1 2 0 m 左右。超过此水深，桩腿的 重量增加很快，同时拖航时桩腿升得很高，对平台的稳性和桩腿的强度都不利。 钻井船是浮船式钻井平台，它通常是在机动船或者驳船上布置钻井设备。平台是靠 锚泊或动力定位系统定位。浮船式钻井装置船身浮于海面，易受波浪的影响。因此应用 受到很大的局限，但是它可以用现有的船只进行改装，因而能以最快的速度投入使用。 为了克服上述平台存在的缺点，便之既能在深水钻井又有较高的作业效率，在1 9 6 2 年出现了第一艘半潜式钻井平台。这种平台的基本结构形式和坐底式相似，是由坐底式 演变而来的。 半潜式和坐底式钻井装胃统称为支柱稳定式钻井装置。坐沉在海底的称为坐底式 海洋平台结构中k 型管节点霰秀强度分析 _ ii p p li_ 自_ ( 或可沉式) ，浮在水中的称为半潜式。随着海洋石油开发的发展，作业海域已延伸到 更深的海域，在深海中使用受水深限制的自升式和坐底式平台，难以完成钻井作业，而 钻井船由于在更开阔的海域摇摆大，故作业率很低，所以摇摆性能好，在相当深的海域 能进行钻井作业的半潜式平台就应运而生。这种石油钻井装置用若干根立柱或沉箱将下 部结构的浮体和上部结构的甲板联结起来，甲板上则装备与其他形式平台一样的各种机 器、器材及居住设备。图1 1 为几种常见的海洋平台结构形式示意图。 d i ” a ) 半潜式平台：b 自升式平台；c 钢质导管架平台；d ) 混凝土重力式平台； e ) 牵索塔平台；f ) 张力腿平台 图1 1 几种常见