深水半潜式钻井平台结构简化疲劳分析

深水半潜式钻井平台结构简化疲劳分析

设计深水半潜平台结构疲劳分析是一个非常复杂的结构问题。目前，简化疲劳分析和谱疲劳分析可用于评估结构的疲劳寿命。简化疲劳分析方法也叫许用应力疲劳评估方法,其首先假定疲劳应力的长期分布服从Weibull分布,形状参数按近似公式、谱分析结果或规范推荐得到,结构热点应力采用有限元分析技术得到,根据热点应力和Weibull分布形状参数即可简单的评估结构疲劳寿命。谱分析方法是建立在真实的海况、真实的装载基础上的直接计算方法,精度相应较高,涉及水动力和有限元分析,而且考虑不同的装载、波频和浪向组合后的工况往往有数百种,计算量巨大。相对于谱疲劳分析方法,简化疲劳评估方法能反映结构的细节,计算工作量又小得多,是一种工程上非常实用的疲劳评估方法,但由于缺乏海洋深水浮式平台结构在不同作业海域条件下结构应力的长期分布Weibull参数资料,及深水浮式平台结构复杂,结构寿命期一遇最大热点应力范围计算困难,导致简化疲劳分析方法在浮式平台结构设计计算中应用较少。依据简化疲劳分析方法的基本理论,以中海油在建的第六代深水半潜式钻井平台HYSY981为研究目标,发展了一套可应用于深水半潜式钻井平台结构疲劳分析的简化疲劳分析方法,得到了南海环境条件下平台结构应力范围长期Weibull分布参数,解决了结构寿命期一遇最大热点应力范围计算问题,并成功应用于平台结构疲劳寿命分析。1简化疲劳分析1.1结构参数和应力谱分析方法一般认为海洋工程结构应力范围长期分布服从Weibull分布,表达式如下:Fs(s)=Ρ(S≤s)=1-exp[-(sδ)γ]s＞0(1)Fs(s)=P(S≤s)=1−exp[−(sδ)γ]s＞0(1)式中:γ和δ分别为Weibull形状参数和尺度参数。形状参数可由应力谱分析,经验数据确定。为了结构设计和安全校核目的,尺度参数一般采用以下方法表达:δ=SR(lnΝR)1/r(2)式中:NR为结构疲劳应力循环次数,一般取结构设计寿命内应力循环次数;SR为结构疲劳应力范围S平均每循环NR次,超过其一次的应力范围。1.2疲劳寿命sS为应力范围随机变量,考虑应力范围S在应力范围si水平的小增量Δs。由结构设计寿命NR可确定在si水平处结构应力循环次数:ni=ΝR[fS(si)Δs](3)根据Miner准则和S-N曲线可得参考寿命结构疲劳累积损伤。DR=ΝR∞∫0[fS(s)Δs]/Ν(s)(4)式中:N(s)为s应力范围水平下结构的疲劳寿命。对于双线性S-N曲线,其疲劳损伤可以表达为如下形式:DR=ΝΤδmAΓ(mγ+1‚z)+ΝΤδrCΓ0(rγ+1‚z)(5)式中:NT为设计寿命,Γ(z‚a)=∞∫zta-1e-tdt‚Γ0(z‚a)=z∫0ta-1e-tdt,a=m/γ+1,b=r/γ+1‚z=(se/δ)γ。1.3设计寿命期nr内最大许用应力可以用参考寿命期一遇结构应力范围SR来对结构进行疲劳校核,当SR小于S′R时结构强度满足使用要求,S′R为设计寿命期NR内结构最大许用应力范围。考虑双线性S-N曲线和疲劳分析安全因子可得S′R表达式如下:S´R=[lnΝRm/γfFDFΝΤ[Γ(mγ+1‚z)/A+δr-mΓ0(rγ+1‚z))/C]1/m(6)式中:fFDF为疲劳校核安全因子,NT为设计寿命,一般假定NT和NR相等。2平台结构应力分析由于缺乏中国南海海洋环境条件下,双下浮体、四立柱深水半潜式钻井平台结构应力长期分布资料,为了应用简化疲劳分析方法对HYSY981平台结构的疲劳性能进行比较可靠的分析,必须开展平台在南海环境条件下结构应力长期分布研究,从而得到结构应力范围长期分布Weibull形状参数。首先,基于DNV-SESAM软件包WADAM模块,基于辐射/绕射理论计算HYSY981平台结构遭受的不同浪向/频率条件下的波浪载荷;而后,使用SESTRA模块计算平台整体结构在不同波浪载荷条件下的应力分布;接着使用STOFAT模块根据不同浪向进行频率组合得到结构各区域不同浪向下的结构应力响应传递函数;最后,基于中国南海波浪散布图,使用STOFAT模块计算得到平台整体结构各区域的结构应力长期分布。由于平台结构的对称性,选取位于平台上甲板、立柱、撑杆共计20个区域研究平台结构的应力长期分布,可以反映平台整体结构应力长期分布情况,并最终得到结构简化疲劳分析所需的Weibull分布形状参数。图1为研究平台结构应力范围长期分布所选区域。表1为平台结构各区域应力范围长期分布Weibull形状参数值。由平台结构应力长期分布研究结果表明,立柱、浮箱和上甲板结构各个区域在中国南海环境条件下结构应力长期分布Weibull形状参数位于0.9~1.0之间,撑杆结构各区域结构应力长期分布Weibull形状参数位于0.84~0.88之间。为结构设计安全,进行结构简化疲劳分析时立柱、浮箱和上甲板结构各个区域结构应力长期分布Weibull形状参数取1.0;撑杆结构各区域结构应力长期分布Weibull形状参数取0.88。3平台疲劳寿命分析方法为了获取深水半潜式钻井平台主要结构设计寿命期一遇最大应力范围,首先要根据平台的最危险水动力载荷工况和作业区域海洋环境条件对波浪载荷进行长期预报,以得到平台设计寿命期一遇最大波浪载荷;然后根据平台结构部位的不同,选取危险水动力载荷工况下的设计寿命期一遇最大载荷,进行结构寿命期一遇最大应力范围计算,从而可以应用以上简化疲劳分析方法较准确的分析平台结构的疲劳寿命。以南海波浪散布图为基础环境数据,使用WADAM计算得到的平台危险工况水动力载荷传递函数对HYSY981平台遭受的最大横向力、最大横向扭矩、最大纵向剪力、最大垂向弯矩、最大纵向加速度、最大横向加速度六种危险水动力载荷参数进行长期预报计算,并据此确定疲劳分析设计波。图2、图3为最大横向扭矩、最大纵向剪力长期预报曲线。中国南海季风条件下30年一遇六种危险水动力载荷及疲劳分析设计波要素见表2。4疲劳校核与分析以HYSY981深水半潜式钻井平台为实例,选取平台浮箱上甲板强框架与纵骨连接区域、平台撑杆扶强材肘板支撑位置作为疲劳校核典型区域,利用简化疲劳分析方法进行疲劳校核,并将其结果与谱疲劳分析结果对比。4.1平台浮箱上甲板的强结构与纵骨节点的劳劳寿命分析4.1.1疲劳特性校核在平台总强度分析中发现平台遭受波浪最大纵向剪切力时,靠近立柱与下浮体连接处浮箱甲板应力范围较高,需要校核该高应力范围区域强框架与纵骨处连接节点的疲劳寿命,确保平台结构安全。图4为该区域位置示意图,其位于平台右舷浮箱甲板内侧靠近立柱与浮箱连接处。对于该处结构,需要校核强框架和扶强材连接节点处结构的疲劳强度,根据单位波幅应力范围大小,在该区域选取单位波幅应力范围较高的18个连接节点进行疲劳校核,节点位置见图5;节点形式见图6;疲劳裂纹起始位置如图6所示。4.1.2疲劳热点地确定考虑平台30年一遇水动力载荷,通过平台结构总体有限元分析得到连接节点处名义应力范围,名义应力乘以应力集中系数即可得到疲劳热点处的30年一遇热点应力范围。疲劳校核位置处于舱室内部,使用ABS规范空气中结构疲劳校核S-N曲线ABS-E(A),结构应力长期Weibull分布形状参数取1,使用简化疲劳方法计算校核点疲劳寿命,计算结果见表3。由简化疲劳分析发现这些疲劳校核节点均能满足结构30年疲劳寿命的要求,疲劳校核位置13处的节点疲劳寿命最低,为49.7a。4.2平台支持杆强臂板的疲劳寿命分析4.2.1局部结构位置在平台总强度分析中发现平台遭受波浪最大横向扭矩时,平台撑杆靠近立柱处结构应力范围较高,需要校核该高应力范围区域撑杆强框架与扶强材连接节点的疲劳寿命,确保平台结构安全。图7为该局部结构位置示意图,其位于平台艏部最前端。对于该处结构,从右舷到左舷选取7个截面,截面位置如图8所示。每个截面有4个肘板连接节点,肘板连接节点位置和截面几何形状如图9所示。肘板连接具体形式及疲劳校核点如图10所示,共计选取了28个节点进行简化疲劳研究。4.2.2疲劳热点计算与4.1.2节相同,考虑平台30年一遇水动力载荷,通过平台结构总体有限元分析得到连接节点处名义应力范围,名义应力乘以应力集中系数即可得到疲劳热点处的30年一遇热点应力范围。疲劳校核位置处于撑杆内部,并且在计算疲劳校核点热点应力时未考虑肘板的影响,因此依据规范选用ABS规范空气中结构疲劳校核S-N曲线ABS-F2(A),结构应力长期Weibull分布形状参数取0.88,使用简化疲劳方法计算校核点的疲劳寿命,计算结果见表4。由简化疲劳分析发现这些疲劳校核节点均能满足结构30年疲劳寿命的要求,截面4校核点1处的节点疲劳寿命最低,为71.9a。4.3简化疲劳分析建立图5中校核点13处强框架和扶强材连接处连接节点模型(如图11所示),模型使用板单元建立,将球扁钢等效为角钢。对其进行谱疲劳分析得到疲劳校核热点处疲劳寿命为127.8a,该处结构有限元细网格分析得到应力长期分布Weibull形状参数为0.88。在采用简化疲劳方法分析该处结构疲劳寿命时,结构应力长期分布Weibull形状参数按平台结构整体应力长期分析得到的结构简化疲劳分析推荐值取1.0,结构疲劳寿命为49.7a。简化疲劳分析中,如采用有限元细网格分析得到Weibull形状参数为0.88,该处结构疲劳寿命为107.5a,结果接近谱疲劳分析结果。建立图8、9所示截面4校核点1处的节点模型,如图12所示。对其进行谱疲劳分析得到疲劳校核点处疲劳寿命为117.6a,该处结构有限元细网格分析得到应力长期分布Weibull形状参数为0.84。在采用简化疲劳方法分析该处结构疲劳寿命时,结构应力长期分布Weibull形状参数按平台结构整体应力长期分析得到的结构简化疲劳分析推荐值取0.88,结构疲劳寿命为71.9a。简化疲劳分析中,若采用有限元细网格分析得到Weibull形状参数0.84,该处结构疲劳寿命为95.9a,结果接近谱疲劳分析结果。为简化计算和结构设计安全,在平台简化疲劳计算时,根据平台整体结构应力长期分布Weibull形状参数计算结果及不同结构区域,选取较大Weibull形状参数值进行结构简化疲劳分析计算,这造成了简化疲劳分析结果较谱疲劳分析结果偏保守。并且,简化疲劳分析中计算疲劳热点应力的应力集中系数取值一般偏保守,计算得到的疲劳热点应力较有限元细网格结果偏大,同样造成简化疲劳寿命分析结果偏保守。以上计算结果展示,简化疲劳分析中热点应力长期分布Weibull形状参数取值较谱疲劳分析中热点应力长期分布Weibull形状参数偏大是造成简化疲劳分析结果保守的主要原因。由此,可得出该种半潜平台结构简化疲劳分析方法偏保守的结论。5平台结构简化疲劳分析提出了深水半潜式钻井平台结构简化疲劳分析方法,并用该方法研究了平台结构连接节点的疲劳寿命,得到如下结论:1)根据中国南海环境条件,采用谱分析方法分析了HYSY981平台结构各个部位应力响应长期分布Weibull形状参数,进行结构简化疲劳分析时立柱、浮箱和上甲板结构各个区域结构应力长期分布Weibull形状参数取1.0,撑杆结构各区域结构应力长期分布Weibull形状参数取0.88;2)该平台结构应力长期分布Weibull形状参数取值可用于南海环境条件下同类平台结构简化疲劳分析;3)根据中国南海环境条件,对HYSY981平台危险波浪载荷进行长期预报,得到平台30年一遇波浪载荷及相应波浪的波幅、周期和相位,用于平台结构的简化疲劳分析;4)采用简化疲劳分析方法分析了HYSY98