半潛平臺(tái)立柱與浮筒中部不同形式連接節(jié)點(diǎn)疲勞壽命分析

傅 強(qiáng)，王洪慶，張國棟，孫立強(qiáng)，李德江，李 磊

(煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

半潛平臺(tái)立柱與浮筒中部不同形式連接節(jié)點(diǎn)疲勞壽命分析

傅 強(qiáng)，王洪慶，張國棟，孫立強(qiáng)，李德江，李 磊

(煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

為了研究半潛式平臺(tái)的立柱與浮筒中縱艙壁連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)焊縫開裂這種疲勞失效現(xiàn)象，利用簡(jiǎn)化疲勞方法以及三維細(xì)化有限元模型，對(duì)目前主流平臺(tái)中所采用兩種不同的立柱與浮筒中縱艙壁連接節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行了疲勞壽命評(píng)估與分析。首先從結(jié)構(gòu)剛度分配角度，平均應(yīng)力效應(yīng)角度分析疲勞裂紋產(chǎn)生的原因；然后利用疲勞分析結(jié)果評(píng)估不同連接節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性的影響；最后，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和剛度匹配角度分析兩種節(jié)點(diǎn)形式的優(yōu)劣，確定最優(yōu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。

半潛式平臺(tái)；疲勞壽命；連接節(jié)點(diǎn)；平均應(yīng)力；可靠性

Abstract: To make a comprehensive understanding of fatigue failure phenomenon at the middle connection between column and pontoon in semi-submersible units， a fatigue analysis is carried out of two types of connections between column and pontoon by using a simplified fatigue and fine mesh finite element method. Firstly, the reason of crack is found based on structure stiffness distribution and mean stress influence; then, the whole semi-submersible unit structure reliability influenced by different type of connections is evaluated; and at last, the comparison is made of two connection types based on structure mechanics feature, finding out the optimized connections based on the fatigue life of two types.

Keywords: semi-submersible units; fatigue life; connection; mean stress; reliability

半潛式鉆井平臺(tái)是一種深水油氣開發(fā)設(shè)備，長期在惡劣海況中工作，其結(jié)構(gòu)每時(shí)每刻都承受著波浪等載荷。由于半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，甲板與立柱，立柱與浮筒，立柱與橫撐之間存在多處剛度突變的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致這些連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)主要失效形式為疲勞斷裂。設(shè)計(jì)一種合理的節(jié)點(diǎn)形式，降低這些剛度突變處連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中，使應(yīng)力合理的在結(jié)構(gòu)間傳遞，是提高整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞可靠性的關(guān)鍵；準(zhǔn)確評(píng)估這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞可靠性的重要課題。

目前,國內(nèi)學(xué)者針對(duì)半潛平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)做了大量地研究，張劍波[1]在研究半潛式平臺(tái)的極限強(qiáng)度時(shí)，研究了半潛平臺(tái)中典型管節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度問題。崔磊等[2]利用裂紋擴(kuò)展對(duì)半潛平臺(tái)立柱與橫撐節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了研究，總結(jié)了深水半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展分析的流程。馬網(wǎng)扣等[3]針對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度，利用譜分析方法進(jìn)行研究，還考慮了有效主應(yīng)力方向的選取范圍。劉剛等[4]針對(duì)BINGO9000半潛式鉆井平臺(tái)典型管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞分析，認(rèn)為管件彎曲是引起應(yīng)力集中的主要因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮抗彎剛度的增加。目前，國內(nèi)學(xué)者主要針對(duì)疲勞算法以及平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度分析進(jìn)行研究，少有人針對(duì)浮筒立柱這種大構(gòu)件中部連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)研究。據(jù)了解，在過往的半潛式鉆井平臺(tái)立柱與浮筒中縱艙壁連接處出現(xiàn)過焊接開裂現(xiàn)象。針對(duì)此問題，對(duì)目前主流的兩種立柱與浮筒連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析。由于立柱與浮筒連接的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，能否準(zhǔn)確地模擬節(jié)點(diǎn)位置的剛度，準(zhǔn)確捕捉節(jié)點(diǎn)位置的熱點(diǎn)應(yīng)力，是保證正確評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞壽命的關(guān)鍵因素。利用子模型技術(shù)結(jié)合細(xì)化三維有限元模型準(zhǔn)確模擬節(jié)點(diǎn)位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象；利用簡(jiǎn)化疲勞方法重點(diǎn)分析和比較兩種當(dāng)前主流設(shè)計(jì)中立柱與浮筒中縱艙壁連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式以及疲勞壽命的差異。

1 海洋工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化疲勞評(píng)估方法

海洋工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化疲勞方法是一種基于海洋結(jié)構(gòu)物應(yīng)力長期分布特點(diǎn)推導(dǎo)出的一種快速評(píng)估海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的方法[5-6]。工程經(jīng)驗(yàn)表明，雙參數(shù)Weibull分布能夠很好地模擬波浪的長期分布特點(diǎn)，并且認(rèn)為結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的長期分布也服從雙參數(shù)Weibull分布。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Weibull分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)；通過設(shè)計(jì)年限，參考應(yīng)力回復(fù)周期的概率水平，得到許用應(yīng)力范圍。借助簡(jiǎn)化疲勞結(jié)果，對(duì)各個(gè)方案關(guān)鍵焊縫位置的疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比分析，以此評(píng)價(jià)各方案節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 疲勞許用應(yīng)力-簡(jiǎn)化疲勞方法

該平臺(tái)分析中，波浪長期分布選取Weibull分布，形狀系數(shù)取γ=1.0；設(shè)計(jì)壽命為20 a，即應(yīng)力的概率水平為NR=108；m，r,A,C為S-N曲線參數(shù)；FDF為疲勞設(shè)計(jì)系數(shù)，取FDF=1； 許用應(yīng)力范圍見方程(1)，詳細(xì)過程請(qǐng)參考文獻(xiàn)[6]。

其中，Γ( )為伽瑪函數(shù);m，r，A,C為S-N曲線系數(shù)；FDF為疲勞設(shè)計(jì)系數(shù)；δ為Weibull分布尺度函數(shù)；γ為Weibull分布形狀參數(shù)。

由S-N曲線方程N(yùn)=AΔσ-m可知，疲勞壽命與應(yīng)力幅值之間存在m次方的關(guān)系。根據(jù)簡(jiǎn)化疲勞計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)單的估算疲勞壽命值：

(2)

其中，Lact為結(jié)構(gòu)的實(shí)際疲勞壽命，Ldesign=20a；SFEM模型提取的最大主應(yīng)力值；m為S-N曲線參數(shù)，保守考慮m=3.0。

圖1 疲勞極限曲線Fig. 1 Fatigue limit curve

1.2 模型應(yīng)力的讀取與平均應(yīng)力修正

在海工疲勞規(guī)范中，只針對(duì)非焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)的平均應(yīng)力提出了修正。但是對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在平均應(yīng)力時(shí)，卻沒有明確說明。利用古特曼(GOODMAN)曲線以及Gerber曲線分析對(duì)計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行修正，來說明平均應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)壽命的影響。

古特曼曲線假設(shè)疲勞極限線是經(jīng)過對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力的疲勞極限A點(diǎn)和靜強(qiáng)度極限B的一條直線(如圖1所示)，直線方程如式(3)。Gerber曲線假設(shè)疲勞極限線為疲勞極限A點(diǎn)和靜強(qiáng)度極限B點(diǎn)的拋物線，拋物線方程如式(4)。

其中，σm為平均應(yīng)力；σb為極限強(qiáng)度，一般取屈服強(qiáng)度；σ-1疲勞極限；σa應(yīng)力幅值。

2 立柱與浮筒中部連接節(jié)點(diǎn)形式

選取目前主流設(shè)計(jì)中兩種典型的立柱與浮筒中縱艙壁(立柱與浮筒中部連接節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱連接節(jié)點(diǎn))位置的連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式。節(jié)點(diǎn)位置如圖2所示，節(jié)點(diǎn)詳細(xì)描述如下：

節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式一：見圖3(a)，該設(shè)計(jì)方案在中縱艙壁位置的連接節(jié)點(diǎn)位置沒有布置肘板。認(rèn)為應(yīng)力由立柱中縱艙壁直接傳遞給浮筒中縱艙壁，立柱與浮筒的相對(duì)變形應(yīng)力集中點(diǎn)集中在立柱外板位置，不會(huì)發(fā)生在立柱中縱艙壁位置。同時(shí)，該方案保持立柱外板連續(xù)，浮筒甲板等水平構(gòu)件斷開。

節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式二：見圖3(b)，該設(shè)計(jì)方案認(rèn)為中縱艙壁處在立柱與浮筒發(fā)生相對(duì)變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，故在形式一的基礎(chǔ)之上布置一個(gè)軟趾肘板，目的是保證立柱中縱艙壁與浮筒的中縱艙壁在端部合理過渡，消除連接端部位置的硬點(diǎn)。同時(shí)該方案保持浮筒甲板連續(xù)，立柱外板等豎向構(gòu)件斷開。

圖2 立柱與浮筒典型連接節(jié)點(diǎn)位置Fig. 2 Location of typical connection between column and pontoon

3 疲勞載荷計(jì)算

3.1 總體模型的簡(jiǎn)化疲勞載荷

半潛平臺(tái)在操作工況下，波浪引起動(dòng)載荷是造成半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞失效的主要原因。利用設(shè)計(jì)波法針對(duì)半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)波浪載荷響應(yīng)特點(diǎn)的分析，基于南海波浪的長期分布特點(diǎn)，選取對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利影響的波浪與浪向[7]。利用SESAM程序包中的WADAM模塊搜索該半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞響應(yīng)最嚴(yán)重的設(shè)計(jì)波。利用計(jì)算半潛平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計(jì)波載荷下的響應(yīng)，為節(jié)點(diǎn)局部分析提供邊界載荷。考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只選擇0°到180°內(nèi)的波浪，波浪要素如表1所示。

表1 某半潛平臺(tái)針對(duì)南海海況校核疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)波列表 0°到180°Tab. 1 Design wave list based on South China Sea state of a semi-submersible and headings between 0° to 180°

4 計(jì)算模型與邊界條件

4.1 計(jì)算模型

模型范圍為截取四分之一的立柱與浮筒，節(jié)點(diǎn)位置附近網(wǎng)格大小采用t×t(t為板厚)，最大網(wǎng)格為350 mm×350 mm，如圖4與圖5所示，楊氏模量為2.06 GPa，泊松比0.3，材料為屈服強(qiáng)度355 MPa的高強(qiáng)度鋼。

圖4 連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式一有限元模型網(wǎng)格Fig. 4 Meshes of type 1 connection

圖5 連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式二有限元模型網(wǎng)格Fig. 5 Meshes of type 2 connection

4.2 邊界條件與載荷

邊界條件通過子模型技術(shù)，將平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)的變形或者位移邊界，通過節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)依據(jù)單元自身形狀函數(shù)做為插值函數(shù)，將總體模型變形合理地匹配到局部模型的邊界處。邊界條件通過SESAM軟件的SUBMOD模塊，將總體結(jié)構(gòu)位移結(jié)果轉(zhuǎn)化為局部分析模型的邊界，作為位移載荷。同時(shí)考慮局部海水波浪的動(dòng)壓力與整體模型運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力。

5 結(jié)果與分析

5.1 計(jì)算結(jié)果

從應(yīng)力結(jié)果可以清晰看出(如表2所示)，方案一中立柱中縱艙壁與浮筒中縱艙壁連接位置出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，并且高應(yīng)力區(qū)沿著立柱與浮筒甲板焊縫方向以立柱中縱艙壁為起點(diǎn)向兩側(cè)擴(kuò)散，如圖6所示。方案二高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在肘板的自由邊，且肘板自由邊的應(yīng)力峰值小于方案一中硬點(diǎn)處應(yīng)力峰值。肘板根部沒有出現(xiàn)高應(yīng)力點(diǎn)，如圖7所示。

表2 不同方案主應(yīng)力峰值大小和出現(xiàn)位置Tab. 2 Peak stress location of different connection types

圖6 最大主應(yīng)力分布云圖-方案一(無肘板方案)Fig. 6 Max principal stress plot of connection type 1 (without bracket)

圖7 最大主應(yīng)力分布云圖-方案二(加肘板方案)Fig. 7 Max principal stress plot of connection type 2 (with bracket)

5.2 應(yīng)力結(jié)果分析

方案一產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因：立柱的中縱艙壁的縱向尺度與整個(gè)立柱縱向尺度相同，所以立柱縱向抗彎剛度主要由縱向外板和中縱艙壁組成。在中縱艙壁位置和立柱外板與浮筒連接的節(jié)點(diǎn)位置為剛度突變點(diǎn)，當(dāng)立柱與浮筒發(fā)生相對(duì)變形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，應(yīng)力分布云圖中，在中縱艙壁與浮筒連接節(jié)點(diǎn)位置會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)。針對(duì)結(jié)構(gòu)剛度分布特點(diǎn)，方案二在縱艙壁處設(shè)置肘板，降低該點(diǎn)的應(yīng)力集中程度。從方案二應(yīng)力分布云圖中可以看出，在中縱艙壁處安裝肘板，對(duì)降低該點(diǎn)的應(yīng)力集中程度起到關(guān)鍵作用。

圖8 方案二主應(yīng)力方向分布圖(圖中帶箭頭方向?yàn)橹鲬?yīng)力方向)Fig. 8 Direction plot of max princiapl stress ( principal stress direction along the arrowhead)

6 疲勞壽命分析

兩種方案節(jié)點(diǎn)形式的關(guān)鍵焊縫位置疲勞壽命評(píng)估結(jié)果，如表3和表 4所示。從疲勞計(jì)算結(jié)果可知，方案二節(jié)點(diǎn)位置的疲勞壽命大約為方案一的40倍，方案一節(jié)點(diǎn)位置疲勞壽命小于一年。結(jié)合DNV規(guī)范提供的疲勞失效概率數(shù)據(jù)， 若采用方案一，平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)一年內(nèi)發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的概率高達(dá)60%[8]，見表5。故，立柱與浮筒中縱艙壁連接節(jié)點(diǎn)也應(yīng)作為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，應(yīng)避免節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中，保證節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。

此外，兩種方案中立柱外板和浮筒甲板連續(xù)性的布置不同，如圖9。T型焊接節(jié)點(diǎn)疲勞特性為，連續(xù)構(gòu)件疲勞壽命大約是斷開構(gòu)件的1.5倍。此外，在波浪載荷的作用下，浮筒以立柱為支點(diǎn)，發(fā)生中拱和中垂以及扭轉(zhuǎn)等變形，文中所述節(jié)點(diǎn)位于浮筒梁上表面的支點(diǎn)位置，無論中拱中垂其將在浮筒甲板處產(chǎn)生的拉應(yīng)力；立柱外板主要傳遞平臺(tái)慣性載荷，其主要承受壓應(yīng)力。因此保證浮筒甲板的連續(xù)性，可以有效提高該節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，該區(qū)域應(yīng)力水平很高，板厚設(shè)計(jì)往往相對(duì)較厚，在設(shè)計(jì)時(shí)候應(yīng)該避免板厚方向存在較大拉應(yīng)力，這樣能夠避免沿板厚方向發(fā)生層狀撕裂，也可以避免Z向鋼的用量，所以保持浮筒連續(xù)一般為首選。

圖9 連接點(diǎn)處艙壁連續(xù)性方案示意Fig. 9 Sketch of structure continuous design of bulkhead

方案節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵焊縫SN曲線選取[8]熱點(diǎn)處應(yīng)力幅值/MPa許用應(yīng)力幅值/MPa平均應(yīng)力/MPaGOODMAN應(yīng)力修正/MPaGERBER應(yīng)力修正/MPa預(yù)估疲勞壽命/aGOODMAN修正后壽命/aGERBER修正后壽命/a加肘板節(jié)點(diǎn)方案肘板與立柱外板焊縫肘板與浮筒甲板焊縫肘板自由邊立柱外板與浮筒甲板焊縫D9612111117.25120.8844.9640.27044.80D10212111117.25120.8836.3632.57136.24C15516911163.76168.8327.124.24526.97E2610811104.65107.892921.52616.742911.69F26961193.0295.901934.51732.711928.02無肘板節(jié)點(diǎn)方案立柱外板與浮筒甲板焊縫E12610816103.13107.7811.669.9211.57F126961691.6795.807.7216.577.66

表4 節(jié)點(diǎn)處外表面疲勞壽命評(píng)估Tab. 4 Fatigue life of connection outside surface

表5 不同方案節(jié)點(diǎn)失效概率以及對(duì)平臺(tái)整體可靠性影響的比較Tab. 5 Comparison of whole semi-submersible units structure reliability of different connections

7 結(jié) 語

重點(diǎn)研究了當(dāng)前主流設(shè)計(jì)中兩種不同立柱與浮筒中縱艙壁連接節(jié)點(diǎn)方案的應(yīng)力分布和疲勞壽命問題?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：

1) 立柱與浮筒中縱艙壁處連接節(jié)點(diǎn)疲勞失效將直接導(dǎo)致整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)無法正常工作，在設(shè)計(jì)中要將其作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)來處理。方案一中節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)存在明顯的剛度突變，在承受彎矩或剪力的節(jié)點(diǎn)位置，避免使用方案一這種節(jié)點(diǎn)方案。

2) 在立柱與浮筒中縱艙壁位置的連接節(jié)點(diǎn)安裝肘板，能夠成功地消除由于剛度突變?cè)斐傻膽?yīng)力集中，提高節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞壽命。此外，通過分析主應(yīng)力方向的分布可知，改變剛度分配，是改變應(yīng)力傳遞路徑和調(diào)整主應(yīng)力方向與敏感焊縫之間位置關(guān)系的有效手段。

3) 合理布置T型節(jié)點(diǎn)處構(gòu)件的連續(xù)性，保持強(qiáng)力構(gòu)件的連續(xù)是一種提高疲勞強(qiáng)度的有效辦法。

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Fatigue life analysis on different detailed connections types at the middle intersection between column and pontoon of semi-submersible units

FU Qiang， WANG Hongqing, ZHANG Guodong, SUN Liqiang, LI Dejiang, LI Lei

(CIMC-Raffles, Yantai 264000, China)

1005-9865(2016)04-0085-08

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.012

2015-09-30

傅 強(qiáng)(1978-)，男，山西人，工程師，從事海洋工程總體及結(jié)構(gòu)方向研究。E-mail：qiang.fu@cimc-raffles.com