半潛式起重拆解平臺重型吊機基座疲勞損傷分析

陳文科，來海華，張時運

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇 海門 226100）

隨著對于海洋環(huán)境保護(hù)的重視，世界各國紛紛出臺了相關(guān)的法律法規(guī)，要求對海上老舊、閑置的平臺進(jìn)行拆解以保證對作業(yè)海域的海洋環(huán)境、通航和漁業(yè)生產(chǎn)減少影響。但拆除老舊、閑置的平臺并非獨立的任務(wù)，涉及到清除平臺周邊的管道連接、清油除污，以及將平臺和設(shè)備切割、吊運、遠(yuǎn)洋運輸?shù)群Ｉ献鳂I(yè)。而半潛式起重拆解平臺具有起重、拆解、清污、運輸和生活支持等多種功能，在海上拆解平臺作業(yè)中其綜合競爭力明顯優(yōu)于現(xiàn)有起重船和生活平臺的組合作業(yè)模式，是未來海上拆解作業(yè)裝備的發(fā)展方向之一。

半潛式起重拆解平臺主要通過布置在甲板上的重型全回轉(zhuǎn)吊機進(jìn)行起重拆解作業(yè)。而重型吊機基座的主要支撐結(jié)構(gòu)是主船體，吊機基座除了起重作業(yè)帶來的疲勞損傷之外也需要考慮主船體受到的隨機波浪載荷對基座的額外疲勞損傷。隨著損傷累積，長時間工作的吊機基座結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生疲勞破壞。因此吊機基座具有足夠的疲勞壽命是確保平臺起重拆解作業(yè)安全的重要前提。國內(nèi)的企業(yè)和院校對海洋平臺上的吊機基座的疲勞問題進(jìn)行了一系列研究。王欣等[1]對比了不同標(biāo)準(zhǔn)在海洋平臺起重機疲勞壽命評估中的差異。祁海濤等[2]根據(jù)S-N曲線和線性疲勞損傷假說，研究了海洋工程平臺吊機基座的疲勞強度問題。張延昌等[3]以FPSO 上的吊機基座為研究對象，提出了精細(xì)有限元分析和譜疲勞分析相結(jié)合的疲勞計算方法。崔進(jìn)等[4]則通過SN 曲線法和簡化疲勞算法計算了海洋平臺基座的組合疲勞損傷。本文針對半潛式起重拆解平臺上的重型吊機基座的疲勞問題，基于吊機工作載荷和多個海域的波浪譜計算得到吊機基座在工作載荷和波浪載荷下的組合疲勞損傷，作為評估半潛式起重拆解平臺重型吊機基座疲勞壽命的依據(jù)。通過實際算例驗證了該方法的可行性，并論證了工作載荷疲勞和波浪載荷疲勞對吊機基座疲勞壽命的影響。

1 疲勞分析方法

1.1 基于S-N 曲線的線性累積損傷理論

材料的疲勞性能一般用作用應(yīng)力范圍S與受到破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系來進(jìn)行描述[5]。S-N 曲線由恒應(yīng)力范圍S和交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N組成的數(shù)據(jù)對構(gòu)成。曲線上任一點表示當(dāng)恒定應(yīng)力范圍S達(dá)到循環(huán)次數(shù)N時，該應(yīng)力范圍S將導(dǎo)致材料疲勞破壞。而根據(jù)Palmgren-Miner 線性累積損傷理論（簡稱Miner 理論），結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的疲勞損傷是一個可線性累積的過程。在這一理論中，假設(shè)在任一給定的應(yīng)力水平下，累積損傷的速度與之前的載荷歷程無關(guān)，并且加載順序不影響疲勞壽命的計算值。當(dāng)長期應(yīng)力范圍分布可以表示成一個應(yīng)力直方圖，并且每一個方塊應(yīng)力范圍為常值Si，循環(huán)次數(shù)為ni時，則總疲勞累積損傷可表達(dá)為：

式中：D為結(jié)構(gòu)的總疲勞累積損傷；k為應(yīng)力分塊的數(shù)目；ni為第i個應(yīng)力分塊中的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Ni則是在常值應(yīng)力范圍Si作用下直到結(jié)構(gòu)失效時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

按照美國船級社（American Bureau of Shipping,ABS）的《海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞強度評估指南》[6]要求，當(dāng)D＜1 時認(rèn)為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命滿足規(guī)范要求。

1.2 吊機工作載荷疲勞

吊機在進(jìn)行起吊，回轉(zhuǎn)和卸貨作業(yè)時，將會在基座處引起較大的交變應(yīng)力，從而產(chǎn)生疲勞損傷。根據(jù)美國石油協(xié)會（American Petroleum Institute,API）的API SPEC 2C《海上平臺起重機規(guī)范》[7]要求。吊機預(yù)期壽命期間，在沒有起吊載荷的預(yù)計頻率和大小的情況下，吊機每個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)設(shè)計成可承受吊機設(shè)計載荷至少25 000 次循環(huán)。因此吊機工作載荷的疲勞損傷可以通過API SPEC 2C 的方法計算，疲勞載荷為吊機設(shè)計載荷，循環(huán)次數(shù)為25 000次。通過有限元模型計算得到吊機結(jié)構(gòu)在工作載荷下最大的應(yīng)力范圍，然后根據(jù)S-N 曲線就可求得吊機基座結(jié)構(gòu)的工作載荷疲勞損傷。

1.3 波浪譜疲勞

隨機波浪作用下海洋結(jié)構(gòu)物的隨機疲勞問題可以用“譜分析方法”來解決[8]。譜分析其實就是線性系統(tǒng)的譜轉(zhuǎn)換。根據(jù)隨機過程理論，隨機交變應(yīng)力過程可以通過應(yīng)力譜來描述。而應(yīng)力譜可以通過求解波浪譜頻率內(nèi)的振幅響應(yīng)算子得到。短期海況作用下結(jié)構(gòu)的交變應(yīng)力范圍服從瑞利分布，如式（2）所示。

式中：S為應(yīng)力范圍；m0是應(yīng)力譜譜面積。

從式（2）可見，短期海況作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力范圍分布可以通過求解該海況作用下的應(yīng)力譜譜矩m0得到。把短期時間段T內(nèi)結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷表達(dá)式，即式（1）寫成連續(xù)積分形式，表達(dá)式如下：

式中：NT是時間段T內(nèi)結(jié)構(gòu)交變應(yīng)力的總循環(huán)次數(shù)；NS是交變應(yīng)力范圍作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)；f(S)是交變應(yīng)力范圍分布的概率密度函數(shù)。

一般S-N 曲線表達(dá)式可用式（4）表達(dá)，A和m是由實驗測得的S-N 曲線參數(shù)：

結(jié)合式（2）、式（3）和式（4），即可得到短期海況作用下結(jié)構(gòu)疲勞損傷的表達(dá)式：

式中：σX為交變應(yīng)力過程的標(biāo)準(zhǔn)值，即σX=m0。

由于海洋結(jié)構(gòu)物的波浪疲勞主要是由波浪載荷長期作用引起的。因此疲勞損傷的計算應(yīng)該采用波浪的長期分布。根據(jù)隨機理論，波浪的長期分布可由波浪的短期分布組成。因此長期海況下的結(jié)構(gòu)疲勞損傷可表達(dá)為：

式中：ns為可能出現(xiàn)的短期海況總數(shù)；nh為可能出現(xiàn)的浪向總數(shù)；Dij為海況i、浪向j作用下的短期海況下的結(jié)構(gòu)疲勞損傷。

波浪譜疲勞的具體分析過程一般是首先通過波浪載荷計算程序得到疲勞載荷，進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)有限元分析得到結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力響應(yīng)，然后根據(jù)海況資料計算得到應(yīng)力響應(yīng)譜及應(yīng)力范圍的短期和長期分布，最后按照S-N 曲線和線性累積損傷理論獲得結(jié)構(gòu)在整個壽命期內(nèi)的總疲勞損傷。

波浪譜疲勞分析流程見圖1：

圖1 波浪譜疲勞分析流程[9]

1.4 吊機組合疲勞

根據(jù)Miner 理論，結(jié)構(gòu)在不同載荷和時間歷程下的疲勞損傷可進(jìn)行線性疊加。因此將吊機基座在吊機工作載荷下疲勞損傷和波浪疲勞損傷進(jìn)行直接疊加即可得到在其設(shè)計預(yù)期壽命內(nèi)的總疲勞累積損傷。整個吊機基座組合疲勞損傷分析的流程如圖2 所示。

圖2 吊機基座組合疲勞分析流程

2 重型吊機基座疲勞損傷分析

2.1 吊機基座模型建立

本論文的分析實例為某新型非對稱無橫撐的半潛式起重拆解平臺上的重型吊機基座。目標(biāo)平臺上沿船長方向在船首尾各布置有一臺2 200 t 全回轉(zhuǎn)吊機，如圖3 所示。

圖3 非對稱無橫撐半潛式起重拆解平臺

本文選擇船艉的吊機作為分析對象，應(yīng)用FEMAP with NX Nastran 有限元分析軟件建立了吊機基座與主船體連接結(jié)構(gòu)的有限元模型。模型整體區(qū)域大小取為吊機基座面積的3 倍左右，船長方向從艉封板一直延伸到距船尾36 m 處的橫艙壁，船寬方向從舷側(cè)板一直延伸到27 m 處的縱艙壁，在垂直方向則由主甲板下沿到船體內(nèi)底板，高度為11.4 m。

吊機基座主的外板，強框架，橫梁，縱桁，扶強材等結(jié)構(gòu)主要采用4 節(jié)點矩形板單元模擬，少數(shù)位置用三角形板單元過渡連接。材料為高強度鋼，彈性模量為 2.1×105MPa；密度為 7 850 kg/m3；泊松比為0.3；屈服強度為355 MPa。模型整體網(wǎng)格尺寸取為扶強材間距（網(wǎng)格尺寸為800 mm）。在此基礎(chǔ)上對基座及連接區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，網(wǎng)格尺寸為1/4 扶強材間距（網(wǎng)格尺寸為200 mm），對于疲勞敏感位置的肘板連接位置則進(jìn)行了進(jìn)一步的網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格尺寸為t×（t網(wǎng)格尺寸為板厚）?；邢拊Ｐ腿鐖D4 所示，共有90 197 個節(jié)點，106 113 個單元。有限元模型的3 個邊界（距船尾36 m 的橫艙壁、距舷側(cè)27 m 的縱艙壁和距主甲板11.4 m 的內(nèi)底板）均采用鉸支約束，約束了X，Y，Z三個方向的線位移。吊機的作業(yè)載荷則通過筒體頂端的MPC施加。分析中選擇了3 個典型位置共9 個熱點進(jìn)行疲勞損傷計算，熱點位置見圖5 和圖6。

圖4 吊機基座結(jié)構(gòu)有限元模型

圖5 疲勞分析位置

圖6 疲勞熱點位置

2.2 吊機基座工作載荷疲勞損傷分析

根據(jù)API SPEC 2C 規(guī)范要求, 吊機的工作載荷疲勞分析中疲勞載荷為吊機的最大設(shè)計載荷，吊機設(shè)計循環(huán)次數(shù)為25 000 次。海洋平臺吊機一般可進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)。本文以45°為間隔取了8 個方向?qū)⒌鯔C的作業(yè)載荷加載到基座上進(jìn)行計算。基于有限元分析結(jié)果，首先根據(jù)熱點應(yīng)力法計算吊機基座結(jié)構(gòu)的熱點應(yīng)力。熱點應(yīng)力包括由于結(jié)構(gòu)間斷和附加結(jié)構(gòu)存在而引起的應(yīng)力集中，但不包含焊接的影響[10]。由于在有限元計算中焊趾處的應(yīng)力具有嚴(yán)重的網(wǎng)格敏感性，誤差較大。因此通常采用表面外推的熱點應(yīng)力法來獲得焊趾處的熱點應(yīng)力。對于海工結(jié)構(gòu)，一般用距焊趾0.5 t 和1.5 t 處的表面應(yīng)力進(jìn)行焊趾處的線性外推，從而得到焊趾處的熱點應(yīng)力，如圖7 所示。然后再根據(jù)結(jié)構(gòu)位置和類型選擇相應(yīng)的S-N 曲線進(jìn)行吊機基座結(jié)構(gòu)的疲勞損傷計算,計算結(jié)果如表1 所示。

圖7 表面外推法計算熱點應(yīng)力

2.3 吊機基座波浪譜疲勞損傷分析

表1 吊機工作載荷疲勞損傷

本文利用ABS 開發(fā)的海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞評估程序（Offshore Structure Assessment Program,OSAP）中的疲勞評估模塊對吊機基座的波浪譜疲勞進(jìn)行了計算。OSAP 軟件通過子模型技術(shù)從全船結(jié)構(gòu)模型中提取疲勞載荷下的基座結(jié)構(gòu)加速度和邊界位移施加到基座上進(jìn)行分析求解得到基座的疲勞應(yīng)力響應(yīng)。然后根據(jù)用戶輸入的海域的波浪散布圖和熱點定義文件計算熱點處的應(yīng)力范圍的長期分布，再根據(jù)S-N 曲線和線性累積損傷理論計算在設(shè)計壽命內(nèi)的總波浪疲勞損傷。本實例中計算綜合考慮在3 個作業(yè)工況及4 個作業(yè)海域組合下的波浪疲勞，各個海域和工況的組合比例如表2 所示。半潛平臺主要工作海域（世界范圍）的波浪散布圖如表3 所示。吊機基座波浪譜疲勞的分析結(jié)果如表4。

表2 吊機工況與海域組合比例

表3 作業(yè)海域（世界范圍）的波浪散布圖

表4 吊機波浪疲勞損傷

2.4 組合疲勞分析

根據(jù)Miner 理論，結(jié)構(gòu)的疲勞損傷可線性累積疊加。因此吊機基座在其設(shè)計預(yù)期壽命內(nèi)的組合疲勞損傷可將工作載荷疲勞損傷和波浪疲勞損傷直接疊加得到，計算結(jié)果如表5 所示。

表5 吊機組合疲勞損傷

從表5 中可以看出，本文計算實例中吊機基座所有位置的組合疲勞損傷均小于1.0，滿足規(guī)范對吊機基座疲勞壽命的要求。其中熱點2 處的總疲勞損傷最大，最易發(fā)生疲勞破壞。而疲勞熱點6 處的波浪疲勞損傷比較嚴(yán)重，占總疲勞損傷的81%。分析該熱點位置，正好是基座沿船寬方向的肘板下趾端。本實例中的目標(biāo)平臺是一艘新型非對稱無橫撐的半潛式起重拆解平臺（圖3）。該平臺下浮筒間沒有橫撐連接，因此浮筒間沿船寬方向的分離力較易傳遞到甲板吊機基座的橫向結(jié)構(gòu)上。導(dǎo)致基座沿船寬方向的肘板在波浪中會受到較大的周期性波浪力，這是熱點6 波浪疲勞損傷較大的主要原因。而其他熱點正好相反，波浪疲勞損傷占比較小，吊機工作載荷疲勞損傷是結(jié)構(gòu)疲勞的主要成分。

3 結(jié)論

本文針對半潛式起重拆解平臺的重型吊機基座結(jié)構(gòu)，通過S-N 曲線法和波浪譜疲勞兩種疲勞分析方法分別計算了吊機在工作載荷和波浪載荷下的組合疲勞損傷，結(jié)果表明該吊機基座結(jié)構(gòu)的疲勞壽命滿足規(guī)范要求。

通過對比各個熱點處吊機工作載荷疲勞和波浪疲勞占總疲勞損傷的比例，可以發(fā)現(xiàn)大部分熱點的疲勞損傷都是以吊機工作載荷疲勞為主。目標(biāo)平臺具有不對稱和無橫撐的結(jié)構(gòu)特點，部分熱點的波浪疲勞是疲勞損傷的主要成因，比吊機工作載荷疲勞損傷更為嚴(yán)重。所以，在半潛式起重拆解平臺吊機基座設(shè)計中，僅考慮吊機工作載荷疲勞的設(shè)計方法是不夠安全的。吊機基座在設(shè)計時應(yīng)綜合考慮工作載荷疲勞損傷和波浪疲勞損傷兩方面因素，以保證吊機基座在平臺運營期間內(nèi)的疲勞壽命，確保其在海上拆解作業(yè)中的安全可靠。