基于SACS的在役平臺(tái)譜疲勞分析

付殿福，侯金林，李俊男，張 暉，劉 明，張 超

(1.中海油研究總院，北京100027;2.中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

導(dǎo)管架平臺(tái)作為近海油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施具有較好的使用性及經(jīng)濟(jì)性，但由于所處海洋環(huán)境復(fù)雜惡劣，在較長的服役期內(nèi)長期承受波浪力的作用，在這種交變載荷作用下，平臺(tái)的疲勞壽命顯得異常重要［1］。

近年來國內(nèi)海域建造于20 世紀(jì)90 年代海上平臺(tái)經(jīng)歷了20 多年的服役期，陸續(xù)達(dá)到設(shè)計(jì)年限;但由于部分老油田仍具開采價(jià)值，以及周邊新區(qū)塊開發(fā)項(xiàng)目的接入，要求這些即將達(dá)到設(shè)計(jì)年限的平臺(tái)繼續(xù)服役，因此需對服役期滿的平臺(tái)進(jìn)行延壽評估。本文目標(biāo)平臺(tái)的延壽評估工作是源于南?；葜?西江區(qū)塊的新發(fā)現(xiàn)油田，經(jīng)經(jīng)濟(jì)專業(yè)核算該油田規(guī)模不具備獨(dú)立開發(fā)的條件，宜通過依托附近油田進(jìn)行高效高速開發(fā)，因此需依托本文目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。

本文以南海西江某平臺(tái)的延壽評估為基礎(chǔ)，簡要介紹基于譜分析理論使用SACS 程序進(jìn)行海洋平臺(tái)疲勞分析的方法，重點(diǎn)闡述在役平臺(tái)延壽評估過程中值得注意的問題，并提出一些對服役期滿平臺(tái)進(jìn)行壽命挖潛的常用實(shí)踐方法。

1 波浪譜疲勞分析基本原理

通常針對某一具體工程，可能有多種有效的疲勞計(jì)算方法，但當(dāng)波高和波浪產(chǎn)生的荷載間存在一定線性關(guān)系并且結(jié)構(gòu)響應(yīng)與外部荷載存在線性關(guān)系時(shí)，譜疲勞分析則為最恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ?］。

1.1 波浪力計(jì)算

對導(dǎo)管架平臺(tái)而言，波浪載荷主要作用的結(jié)構(gòu)主要是“小尺度構(gòu)件”，這些構(gòu)件的D/L ≤0.2 (D為構(gòu)件直徑，L 為波長)。對于這類“小尺度結(jié)構(gòu)”，波浪的拖曳力和慣性力是主要分量。作用在平臺(tái)樁腿構(gòu)件上的波浪載荷可按Morison 公式計(jì)算［3］:

式中:F 為單位長度桿件所受波浪力;ρ 為海水密度;D 為柱體直徑;U 為水質(zhì)點(diǎn)速度;為水質(zhì)點(diǎn)加速度;CD為阻尼系數(shù);CM為慣性系數(shù)。

1.2 傳遞函數(shù)

由于海洋波浪是導(dǎo)致疲勞的主要因素，因此譜疲勞分析的首要任務(wù)是確定應(yīng)力范圍的傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)是表征結(jié)構(gòu)某處在某一波浪頻率ω 和方向角θ 時(shí)，單位波高產(chǎn)生的應(yīng)力范圍σ。在特定疲勞情況(波浪方向)下，各種不同波高但波陡相同的波作用在結(jié)構(gòu)上，由此生成傳遞函數(shù)。使用分析程序計(jì)算不同波位置下的應(yīng)力，并獲得最大和最小應(yīng)力之差即應(yīng)力幅值，進(jìn)而得到所有波的單位振幅的應(yīng)力范圍與相應(yīng)頻率的關(guān)系即傳遞函數(shù)，如圖1 所示。

圖1 傳遞函數(shù)Fig.1 Transfer function

1.3 海浪譜

到目前為止，在船舶及海洋工程中常用的波浪譜有Pierson-Moskovitz 譜(P -M 譜)和北海波浪聯(lián)合研究計(jì)劃譜(JONSWAP 譜)［4］。P -M 譜是根據(jù)北大西洋上1955 -1960 年的觀測資料于1964 年首先提出的，經(jīng)過后人的應(yīng)用和修改，目前常用的雙參數(shù)P-M 譜表達(dá)式為

式中:ωp為譜峰圓頻率;ωp= 2π/TP;TZ為平均跨零周期。

雙參數(shù)的P-M 譜不僅適用于充分發(fā)展的海浪而且也適用于成長中的海浪或由涌浪組成的海浪。

1.4 Miner 線性累積損傷法則

Miner 線性累積損傷法則是目前工程設(shè)計(jì)中廣泛使用的疲勞損傷法則。該法則認(rèn)為:一個(gè)給定的應(yīng)力水平所消耗的疲勞壽命是該應(yīng)力水平作用的循環(huán)次數(shù)與該應(yīng)力水平作用到破壞所允許的次數(shù)比，并把該比值稱為“損傷比”［1］。構(gòu)件在應(yīng)力水平Si(N)下經(jīng)受ni次循環(huán)的損傷為Di= ni/Ni，若在m 個(gè)應(yīng)力水平Si下，經(jīng)受ni次循環(huán)，則可定義其總損傷為:

式中:D 為累積疲勞損傷;n(Si)為應(yīng)力水平(Si)下的實(shí)際循環(huán)次數(shù);N(Si)為應(yīng)力水平(Si)下的疲勞破壞循環(huán)次數(shù);k 為安全系數(shù)。

2 實(shí)例分析流程

2.1 建立分析模型

使用SACS 程序建立導(dǎo)管架平臺(tái)的三維模型。甲板上如果有鉆機(jī)、生活樓等結(jié)構(gòu)應(yīng)對其進(jìn)行足夠詳細(xì)的模擬，以其捕捉動(dòng)力效應(yīng)。

因在役平臺(tái)在服役期內(nèi)幾乎每年都會(huì)有一定的改造，評估中所使用的結(jié)構(gòu)模型中應(yīng)包含目標(biāo)平臺(tái)歷次改造信息及最新檢測信息。實(shí)例平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 疲勞分析模型Fig.2 Fatigue model

2.2 疲勞分析參數(shù)

本算例中所使用的疲勞分析輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 疲勞分析基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of fatigue analysis

2.3 疲勞分析流程

使用SACS 程序?qū)δ繕?biāo)平臺(tái)進(jìn)行疲勞分析的具體流程如圖3 所示。

圖3 SACS 程序疲勞分析流程Fig.3 Fatigue analysis flowchart based on SACS

“疲勞損傷中心”是指波浪在哪個(gè)波高和周期左右鄰近的范圍內(nèi)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了最大的疲勞損傷(占的比例最大)。大部分的疲勞損傷由中低海況引起，因此損傷中心應(yīng)該是波浪散布數(shù)據(jù)中概率較高的中低海況波浪。本文使用SACS 程序計(jì)算得到中心損傷波參數(shù)，波高:H = 5.50 m，周期:T = 6.04 s。

獲得中心損傷波參數(shù)后，使用該波浪參數(shù)生成4個(gè)方向的波浪激力，如表2 所示。為精確獲得導(dǎo)管架平臺(tái)固有頻率，應(yīng)使用SACS 程序進(jìn)行樁-土耦合分析，不建議采用6 倍樁徑處固定來模擬［5］。通過樁基礎(chǔ)線性化進(jìn)而獲得樁基礎(chǔ)的剛度矩陣。

表2 樁基線性化的激勵(lì)工況Tab.2 Pile linearization excitation conditions

在工程中，具有實(shí)際意義的只有幾個(gè)低階固有頻率及相應(yīng)的振型［6］。通過特征值分析計(jì)算了導(dǎo)管架30 階模態(tài)，計(jì)算得到平臺(tái)結(jié)構(gòu)前3 階固有頻率分別為2.68 s，2.66 s，1.87 s。

利用SACS 程序的WAVE RESPONSE 模塊生成所選16 浪向的傳遞函數(shù)，為節(jié)省計(jì)算耗時(shí)，本例中選取對應(yīng)16 個(gè)傳遞函數(shù)的33 個(gè)不同周期的波浪來模擬傳遞函數(shù)，用以進(jìn)行疲勞分析。

疲勞壽命計(jì)算中考慮到平臺(tái)的延長服役期限20年，固將設(shè)計(jì)壽命定為40 年。該平臺(tái)設(shè)計(jì)建造于20 世紀(jì)90 年代，因此先選用API - X Prime Curve With Thickness Correction (AXP)曲線來校核疲勞壽命，對于具有較短壽命的節(jié)點(diǎn)，結(jié)合該平臺(tái)建造實(shí)際情況選用有焊接外形控制的API - X Curve With Thickness Correction (AXX)曲線重新校核疲勞壽命。

2.4 疲勞分析結(jié)果

表3 列出了該平臺(tái)疲勞分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)均滿足延長服役期的壽命(40 年×2 倍安全系數(shù))要求。

表3 疲勞分析結(jié)果匯總Tab.3 Fatigue analysis result

3 結(jié) 語

1)使用SACS 程序可較為快捷的對在役平臺(tái)進(jìn)行譜疲勞壽命分析，本導(dǎo)管架平臺(tái)的評估結(jié)果表明其疲勞壽命滿足本項(xiàng)目依托要求，目標(biāo)平臺(tái)可作為項(xiàng)目依托平臺(tái)。

2)通過分析發(fā)現(xiàn)該平臺(tái)疲勞壽命較短的節(jié)點(diǎn)均位于導(dǎo)管架處于泥面處的最底層水平層。通過其他項(xiàng)目的疲勞分析發(fā)現(xiàn)一般導(dǎo)管架平臺(tái)重要的疲勞節(jié)點(diǎn)大都位于最底層水平層處，日常生產(chǎn)維護(hù)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此部分節(jié)點(diǎn)。

3)評估實(shí)踐中的在役平臺(tái)挖掘疲勞壽命潛力常用方法

①對在役平臺(tái)進(jìn)行疲勞評估時(shí)，使用新版規(guī)范通常難以通過評估。一般建議使用原設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，相對容易通過評估。使用規(guī)范時(shí)應(yīng)注意所用規(guī)范應(yīng)系統(tǒng)的封閉。

②部分在役平臺(tái)服役期內(nèi)通常進(jìn)行一定的改造，同時(shí)平臺(tái)上部組塊質(zhì)量對平臺(tái)固有頻率有較大影響，進(jìn)而對平臺(tái)疲勞壽命有較大影響。直接使用最終改造狀態(tài)的荷載對平臺(tái)進(jìn)行的疲勞分析常難以獲得較好的疲勞壽命。又因現(xiàn)行疲勞分析中的疲勞損傷是基于線性疊加理論，固可考慮分不同改造階段進(jìn)行疲勞損傷的分階段計(jì)算，再將各階段損傷結(jié)果進(jìn)行線性疊加，計(jì)算出累積損傷進(jìn)而求得最終的疲勞壽命。這種方法對于發(fā)掘平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命潛能有較大幫助。

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