半潛式海洋生活平臺導(dǎo)纜器基座結(jié)構(gòu)疲勞分析

覃廖開1， 魏 軍， 袁宇波， 董 煒， 張圓緣

(1.江蘇龍源振華海洋工程有限公司 海上風電工程技術(shù)研究院， 江蘇 南通 226014；2.南通中遠海運船務(wù)工程有限公司， 江蘇 南通 226006)

0 引 言

半潛式海洋生活平臺可供數(shù)百名船員生活娛樂和居住。平臺配備先進的可伸縮式棧橋，實現(xiàn)生活平臺與生產(chǎn)平臺的橫向接載，便于人員快速往返；當生產(chǎn)平臺發(fā)生危險或海上風浪過大時，生活平臺可自動斷開與生產(chǎn)平臺的連接，能最大程度地保護平臺上工作人員的生命安全，兼具應(yīng)急避難所功能。

系泊系統(tǒng)是海洋生活平臺的重要組成部分。平臺在定位期間，導(dǎo)纜器、掣鏈器和絞車等裝置承受著錨鏈/纜索的交變載荷，而作為重要受力構(gòu)件的導(dǎo)纜器支承結(jié)構(gòu)——基座，其與平臺主體結(jié)構(gòu)連接處容易產(chǎn)生高應(yīng)力，該區(qū)域的疲勞壽命關(guān)系到平臺的安全定位，且直接決定整個系泊系統(tǒng)的使用年限。另外，對于入級DNV GL船級社的移動式海洋平臺而言，其系泊系統(tǒng)若要獲得POSMOOR-V-ATAR船級符號，則需提供導(dǎo)纜器基座和絞車基座結(jié)構(gòu)疲勞強度的證明文件。

本文以某半潛式海洋生活平臺導(dǎo)纜器基座為研究對象，利用組合的低頻與波頻譜的標準差計算總疲勞損傷，根據(jù)DNV GL規(guī)范對該導(dǎo)纜器基座結(jié)構(gòu)疲勞強度進行分析校核。

1 理論背景

1.1 組合疲勞損傷分析方法

根據(jù)API規(guī)范[1]，因低頻張力與波頻張力產(chǎn)生的組合疲勞損傷可通過以下4種方法進行分析：

(1) 簡單求和法。在這種方法中，分別計算低頻疲勞損傷和波頻疲勞損傷，總疲勞損傷為這兩者之和。

(2) 組合譜法。在這種方法中，首先計算組合的低頻與波頻譜，然后利用組合譜的標準差計算總疲勞損傷。

(3) 組合譜+雙重窄帶修正系數(shù)法。這種方法即在組合譜法計算結(jié)果中考慮修正系數(shù)。

(4) 時域循環(huán)計數(shù)法。在這種方法中，運用循環(huán)計數(shù)法計算疲勞損傷，例如：雨流法是從一個張力時間歷程中估算張力循環(huán)次數(shù)和張力范圍的期望值；張力時間歷程可通過時域系泊分析直接確定，或通過組合低頻與波頻張力譜產(chǎn)生。

根據(jù)DNV GL-RP-C203規(guī)范[2]，對于由兩個動態(tài)過程引起的疲勞損傷的組合，若將兩種過程造成的疲勞損傷直接簡單相加(方法1)，得到的結(jié)果是不保守的。API規(guī)范[1]認為，時域循環(huán)計數(shù)法(方法4)通常被認為是計算疲勞損傷最精確的方法，但計算分析相對費時。根據(jù)DNV GL-OS-E301規(guī)范[3]，如果在張力過程中有顯著的波頻和低頻分量，那么窄帶過程的表達式將不再適用。相當普遍的共識是，雨流計數(shù)技術(shù)提供了對張力范圍概率密度最為精確的估算，但這需要相對耗時的分析。因此，推薦選用組合譜方法或雙重窄帶方法。

圖1 高低頻響應(yīng)和組合響應(yīng)示例

組合疲勞損傷分析通常使用的方法是組合譜法，這種方法既方便使用又能得到保守的結(jié)果。

1.2 單斜率S-N曲線組合疲勞損傷

對于單斜率S-N曲線，如圖1所示，響應(yīng)的組合疲勞損傷可通過式(1)[2]獲得

(1)

式中：D1為高頻響應(yīng)計算的疲勞損傷；D2為低頻響應(yīng)計算的疲勞損傷；ν1為高頻響應(yīng)平均上過零頻率；ν2為低頻響應(yīng)平均上過零頻率；m為S-N曲線的逆斜率，m=3.0。

1.3 雙斜率S-N曲線疲勞損傷

1.3.1 威布爾分布應(yīng)力范圍和雙線性S-N曲線

當使用雙線性或雙斜率S-N曲線時，疲勞損傷表達式[2]為

(2)

1.3.2 短期Rayleigh分布和線性S-N曲線

對于不同的載荷條件，當應(yīng)力范圍的長期分布是通過每一個短期內(nèi)的Rayleigh分布來定義，使用單斜率S-N曲線時，疲勞破壞準則可表示為

(3)

1.3.3 短期Rayleigh分布和雙線性S-N曲線

當應(yīng)用雙線性或雙斜率S-N曲線時，疲勞損傷表達式[2]為

(4)

1.4 累積疲勞損傷

組合譜方法提供了一種簡單、保守的方法用于計算典型的損傷，對于某一海況的疲勞損傷可由dCSi[3]表示為

(5)

在使用期內(nèi)某一海況條件下，組合譜中循環(huán)(周期)次數(shù)為

ni=νyiTi=νyi·Pi·TD

(6)

式中：Pi為環(huán)境狀態(tài)i發(fā)生的概率；TD為系泊纜索設(shè)計壽命。

構(gòu)件抗張力疲勞能力可用以下方程式[3]表示：

nC(S)=aDS-m

(7)

通過取對數(shù)線性化得到：

lg(nC(S))=lg(aD)-m·lg(S)

(8)

式(7)和式(8)中：nC(S)為應(yīng)力范圍次數(shù)(循環(huán)次數(shù))；S為應(yīng)力范圍(2倍應(yīng)力幅值)，MPa；m為S-N曲線逆斜率。

基于線性累積損傷假設(shè)(Palmgren-Miner準則)，疲勞壽命可根據(jù)S-N曲線疲勞方法進行計算[2]。在系泊組件特征疲勞損傷的計算中，系泊系統(tǒng)所遭受的長期海況可被離散成一組短期海況，對各短期海況出現(xiàn)的疲勞損傷進行累加，從而得到總疲勞損傷：

(9)

式中：di為結(jié)構(gòu)在第i個工況產(chǎn)生的疲勞損傷；n為疲勞損傷計算的工況數(shù)。

2 工程實例計算

以基于GustoMSC-OCEAN500船型的半潛式海洋生活平臺為例，該平臺配備DP 3動態(tài)定位和錨泊定位雙定位系統(tǒng)，10點的系泊系統(tǒng)可連接到預(yù)先敷設(shè)的離岸系泊系統(tǒng)。平臺配備的導(dǎo)纜器數(shù)量為12套(每個立柱3套)，實際安裝的導(dǎo)纜器數(shù)量為10套(艉部立柱各3套，艏部立柱各2套)。系泊系統(tǒng)布置如圖2所示，圖示箭頭方向為船首方向。

圖2 系泊系統(tǒng)布置圖

2.1 載荷條件

以100 m水深為例，錨泊定位的最大可作業(yè)環(huán)境條件如表1所示。

表1 作業(yè)環(huán)境條件

表2 低頻和波頻載荷結(jié)果

圖3 有限元模型

2.2 有限元模型

以艉部/左舷立柱導(dǎo)纜器基座為例，應(yīng)用SESAM/GeniE軟件建立該導(dǎo)纜器基座及其所在立柱結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖3所示。所關(guān)注的疲勞校核區(qū)域細化網(wǎng)格尺寸為t×t(t為該區(qū)域板厚)，邊界條件施加于立柱上下端結(jié)構(gòu)自由邊緣。

根據(jù)導(dǎo)纜器基座強度計算結(jié)果，針對高應(yīng)力區(qū)域以及最可能發(fā)生疲勞破壞的結(jié)構(gòu)幾何突變處，確定7個典型位置進行疲勞分析，如圖4所示，其中，A、D和E為“十”字交叉處外板焊縫，B和F為水平對接焊縫，C和G為水平肘板趾端。

圖4 疲勞分析典型位置

2.3 疲勞損傷分析

根據(jù)DNV GL-RP-C203規(guī)范[2]，在進行疲勞評估時，不同區(qū)域(空氣中或有腐蝕保護的海水中)以及不同的結(jié)構(gòu)型式要選取對應(yīng)的S-N曲線進行疲勞校核。針對具體的結(jié)構(gòu)型式：C曲線可用于母材自由邊緣的疲勞評估(下標“c”表示結(jié)構(gòu)處于有陰極保護的海水中)，D曲線用于對接焊縫的疲勞評估，E曲線用于肘板趾端及“十”字交叉處外板焊縫焊趾的疲勞評估。S-N曲線及相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 S-N曲線相關(guān)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計規(guī)格書，平臺設(shè)計使用年限為20 a，設(shè)計疲勞因子為1.0，根據(jù)規(guī)范查表得到疲勞損傷許用利用率η=1.0。

根據(jù)DNV GL-RP-C203[2]，熱點應(yīng)力計算可采用方法A和方法B進行推導(dǎo)。對于使用板殼單元建模且不包含焊縫的模型：方法A從距離交線(焊趾)0.5t和1.5t(t為板厚)處讀取應(yīng)力，通過線性插值得到交線處的熱點應(yīng)力；方法B從距離交線0.5t處讀取應(yīng)力，再乘以1.12倍的比例因數(shù)得到有效熱點應(yīng)力。在實際計算時選用方法B，所讀取的名義應(yīng)力已考慮1.12倍的比例因數(shù)。

根據(jù)DNV GL-RP-C203規(guī)范[2]，對于板厚大于參考板厚(25 mm)的情況，108循環(huán)次數(shù)(20 a使用壽命)的許用最大應(yīng)力范圍為

(10)

式中：tref為參考厚度；t為裂紋最可能擴展穿透的板厚；k為厚度指數(shù)，可通過規(guī)范查表得到。

考慮板厚效應(yīng)，基于有限元分析結(jié)果，根據(jù)前文所述的基本理論及相關(guān)公式編制計算表格，對A～G位置進行累積疲勞損傷分析(假定所考慮的36個浪向是等概率出現(xiàn)的)。其中，位置A疲勞損傷結(jié)果如表4所示，所有位置疲勞分析結(jié)果統(tǒng)計如表5所示。

表4 A位置累積疲勞損傷

表5 各典型位置疲勞損傷匯總

根據(jù)計算結(jié)果，位置A和位置G的累積疲勞損傷均大于許用值1.0。根據(jù)DNV GL-RP-C203規(guī)范[2]，通過對局部焊縫趾端進行打磨，最多可提高2倍的疲勞壽命，即經(jīng)過焊縫打磨后A位置焊縫和G位置焊縫的疲勞損傷最低可分別降至0.839和0.652，疲勞評估結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

針對半潛式海洋生活平臺導(dǎo)纜器基座結(jié)構(gòu)疲勞問題，利用組合譜方法，考慮由低頻響應(yīng)和波頻響應(yīng)引起的疲勞損傷的組合，對海洋生活平臺導(dǎo)纜器基座結(jié)構(gòu)進行疲勞分析，得出以下結(jié)論：

(1) 如果在張力過程中有顯著的波頻和低頻分量，并且低頻部分不可忽略，運用組合譜方法既可方便地對結(jié)構(gòu)進行疲勞評估，又能得到較為保守的計算結(jié)果。

(2) 在系泊定位時，低頻和波頻載荷會使平臺產(chǎn)生疲勞損傷。通過設(shè)計合理的系泊布置方案，改善平臺在波浪中的運動性能，降低波浪載荷對結(jié)構(gòu)疲勞的影響，從而提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

(3) 結(jié)構(gòu)開孔處和角隅處等結(jié)構(gòu)幾何突變的部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，也是疲勞敏感區(qū)域，在設(shè)計時應(yīng)注意該區(qū)域結(jié)構(gòu)圓滑過渡，該位置的疲勞問題應(yīng)予以特別關(guān)注。