基于現(xiàn)場監(jiān)測的在役軟剛臂系泊系統(tǒng)實時疲勞分析*

尹漢軍 呂柏呈 李 達 李 輝

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

軟剛臂系泊系統(tǒng)(Soft Yoke Mooring System，SYMS)是一種較為常見的淺海油氣開發(fā)裝備，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外多個海域。中國首艘海上核動力平臺也采用了軟剛臂系泊系統(tǒng)作為系泊形式[1]。軟剛臂系泊系統(tǒng)由系泊單點、系泊剛臂、系泊腿和系泊支架構(gòu)成，通過13個鉸節(jié)點連接，釋放FPSO (Floating Production Storage and Offloading，浮式生產(chǎn)儲卸油裝置)的6個運動自由度。經(jīng)受風、浪、流荷載作用時，軟剛臂系泊系統(tǒng)能夠?qū)PSO釋放在受環(huán)境荷載最小的位置。然而，從中國渤海地區(qū)軟剛臂系泊系統(tǒng)的服役情況看，軟剛臂系泊系統(tǒng)在服役期間發(fā)生了多次鉸節(jié)點失效案例，導(dǎo)致FPSO被迫回塢更換系泊組件，造成大額經(jīng)濟損失。從系泊系統(tǒng)鉸節(jié)點的失效結(jié)構(gòu)斷面分析發(fā)現(xiàn)其在服役期間發(fā)生了疲勞失效。而疲勞失效是海洋結(jié)構(gòu)物長期服役面臨的主要失效模式之一。因此，合理評估系泊系統(tǒng)服役期間的疲勞損傷程度對保障平臺人員安全和生產(chǎn)作業(yè)安全至關(guān)重要。

現(xiàn)階段，海洋結(jié)構(gòu)物分析方法主要有數(shù)值分析和模型實驗方法。由于海洋環(huán)境荷載的復(fù)雜性和服役海域環(huán)境條件的特殊性，數(shù)值分析方法難以完整構(gòu)造平臺在服役期間受到的真實環(huán)境荷載；模型實驗方法由于對平臺結(jié)構(gòu)的大量簡化，難以完整反映平臺結(jié)構(gòu)在真實環(huán)境荷載下的響應(yīng)信息。而海洋平臺現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)基于真實海洋平臺開展環(huán)境監(jiān)測、響應(yīng)監(jiān)測，對在役海上油氣開發(fā)平臺進行綜合分析，能夠有效避免環(huán)境荷載和結(jié)構(gòu)簡化帶來的不確定性影響。

國內(nèi)海上油氣平臺開展現(xiàn)場監(jiān)測相比國外起步較晚，但隨著監(jiān)測技術(shù)和分析手段的提高，與國際先進水平的差距正逐步減小，在導(dǎo)管架平臺、深淺海FPSO、FPS上已進行了較為長期的監(jiān)測實踐，積累了大量的監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)[2-5]。國內(nèi)軟剛臂系泊系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測和結(jié)構(gòu)實時安全分析主要由中國海油和大連理工大學聯(lián)合開展。WANG等[6]利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點開展研究，提出了一種系泊系統(tǒng)鉸節(jié)點外部監(jiān)測方案，并對比系泊腿的運動狀態(tài)，評估了止推軸承損傷變化的趨勢。WU等[7]分析了長期服役對軟剛臂系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點接觸面摩擦系數(shù)的影響，提出了一種面向現(xiàn)場監(jiān)測的實時分析方法。WANG等[8]提出了一種基于現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)的鉸節(jié)點完整性評價方法，分析了鉸節(jié)點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定了鉸節(jié)點的主要失效形式，通過監(jiān)測信息，對系統(tǒng)進行了完整性評價。TANG等[9]研究了不同損傷狀態(tài)下在役軟剛臂系泊系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了一種基于非線性結(jié)構(gòu)損傷特征提取的損傷識別方法。LYU等[10]利用遺傳算法提出了一種在役軟剛臂系泊系統(tǒng)的損傷識別方法，并利用數(shù)值模型和物理實驗進行了驗證。劉成義 等[11]基于多體動力學方法建立了FPSO-SYMS耦合模型，計算了時域內(nèi)FPSO不同吃水比對系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)性能的影響。金鋒 等[12]利用鐘萬勰院士提出的祖沖之算法計算了在役軟剛臂系泊系統(tǒng)運動，基于典型海況監(jiān)測數(shù)據(jù)，證明祖沖之算法能夠更加準確地計算系泊系統(tǒng)的動力學響應(yīng)。但整體來看，目前針對在役軟剛臂系泊系統(tǒng)研究主要針對在役結(jié)構(gòu)的運動特征，對在役結(jié)構(gòu)實時損傷分析的研究仍較少。

本文基于在役軟剛臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測的可行性，針對系泊系統(tǒng)在服役過程中發(fā)生的疲勞損傷問題開展系泊系統(tǒng)實時疲勞分析方法研究，利用長期監(jiān)測數(shù)據(jù)和多體動力學分析方法獲取系泊系統(tǒng)各鉸節(jié)點的真實荷載譜，結(jié)合上鉸節(jié)點和系泊轉(zhuǎn)盤有限元模型，對在役結(jié)構(gòu)實時疲勞壽命進行分析。

1 軟剛臂系泊系統(tǒng)多體動力學模型

軟剛臂系泊系統(tǒng)一般由系泊單點轉(zhuǎn)塔、系泊支架、系泊剛臂(YOKE)以及左、右系泊腿構(gòu)成(圖1)，是典型的多體動力學系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過單點滑環(huán)、回轉(zhuǎn)支承、旋轉(zhuǎn)鉸釋放FPSO繞單點的3個轉(zhuǎn)動自由度。系泊剛臂與系泊腿利用萬向節(jié)連接，釋放系泊腿繞系泊剛臂轉(zhuǎn)動的2個自由度。系泊腿上部與系泊支架通過一個止推軸承和一個萬向節(jié)連接，釋放系泊腿3個方向旋轉(zhuǎn)自由度。軟剛臂系泊系統(tǒng)多體動力學建模過程中定義單點轉(zhuǎn)塔為單體B0，系泊剛臂為單體B1，F(xiàn)PSO左、右舷側(cè)系泊腿分別為單體B2、B3，與FPSO船體固接的系泊支架為單體B4。YOKE與單點轉(zhuǎn)塔連接鉸節(jié)點定義為球鉸H1，YOKE與左、右系泊腿連接鉸節(jié)點分別為萬向節(jié)H2、H3，左、右系泊腿與系泊支架連接鉸節(jié)點分別為球鉸H4、H5。

圖1 軟剛臂系泊系統(tǒng)Fig.1 Soft yoke mooring system

基于相對坐標方法，定義Q=[q11,q12,q13,q21,q22,q31,q32,q41,q42,q43]為軟剛臂系泊系統(tǒng)的廣義坐標向量。其中：(q11,q12,q13)為系泊剛臂繞單點轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動角度，(q21,q22)、(q31,q32)為左、右系泊腿繞下鉸節(jié)點鉸坐標系的轉(zhuǎn)動角度，(q41,q42,q43)為右系泊腿上鉸節(jié)點鉸坐標系的轉(zhuǎn)動角度。系泊各單體及鉸結(jié)構(gòu)運動利用笛卡爾坐標系描述。由虛功率原理得到系泊系統(tǒng)動力學方程：

(1)

2 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的軟剛臂系泊系統(tǒng)多體動力學分析

2.1 軟剛臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測

軟剛臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測主要利用機械風速儀、聲學多普勒剖面儀等傳感器對環(huán)境荷載進行實時監(jiān)測(圖2)。FPSO六自由度運動通過GPS、INS和傾角傳感器組合測量(表1)，系泊系統(tǒng)運動通過傾角傳感器測量。此外，監(jiān)測系統(tǒng)對單點轉(zhuǎn)塔滑環(huán)、鉸節(jié)點應(yīng)力等信息進行同步采集。

表1 FPSO運動測量系統(tǒng)Table 1 FPSO motion measurement system

圖2 軟剛臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Field monitoring system of SYMS

系泊系統(tǒng)多體動力學模型選取左系泊腿上鉸節(jié)點作為切斷鉸，系泊系統(tǒng)的樹系統(tǒng)共有10個鉸。切斷鉸含3個約束方程，軟剛臂系泊系統(tǒng)自由度為7。需7個獨立參數(shù)描述系泊系統(tǒng)的運動狀態(tài)。考慮現(xiàn)場監(jiān)測條件，選取FPSO運動六自由度以及左系泊腿相對水平面橫搖作為獨立參數(shù)，計算系泊系統(tǒng)廣義坐標向量?；谙挡聪到y(tǒng)多體運動學模型構(gòu)建現(xiàn)場監(jiān)測測量公式為

(-C01+C13-C31+C34-C43)·g1=x4

(-C01+C13-C31+C34-C43)·g2=y4

(-C01+C13-C31+C34-C43)·g3=z4

h5·e21=0

h5·e22=0

h5·e23=0

(2)

2.2 在役軟剛臂系泊系統(tǒng)多體動力學分析

系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測獲得了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文以“渤海友誼號”FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)為研究對象，監(jiān)測數(shù)據(jù)選取為2011年12月至2014年10月連續(xù)3年的22 333 138組長期監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖3)。其中，F(xiàn)PSO橫蕩和縱蕩值統(tǒng)一為FPSO船首距離單點轉(zhuǎn)動中心的水平間距值。

圖3 “渤海友誼號”FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)(2011年12月—2014年10月)Fig.3 SYMS long-term monitoring data of “BHYY” FPSO (December 2011 to Ooctober 2014)

將長期監(jiān)測數(shù)據(jù)代入運動學測量方程，獲得軟剛臂系泊系統(tǒng)廣義坐標矢量，利用多體動力學方程計算得到在役軟剛臂系泊系統(tǒng)各關(guān)鍵鉸節(jié)點長期荷載時程(圖4)。

圖4 軟剛臂系泊系統(tǒng)各鉸節(jié)點長期荷載時程Fig.4 Long-term internal force of all SYMS hinge joints

從圖4可以看出，在役軟剛臂系泊系統(tǒng)左、右鉸節(jié)點長期受力行為較為一致。與圖3中各自由度運動時程對比，系泊系統(tǒng)各鉸節(jié)點受力與系泊系統(tǒng)擺動角度趨勢接近。文獻[13]分析了軟剛臂系泊系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度橫向運動的原因為FPSO的橫搖運動，說明系泊系統(tǒng)在設(shè)計過程中需結(jié)合系泊系統(tǒng)動力學特征對FPSO橫搖頻率和周期進行分析。考慮服役過程中發(fā)生的大幅度橫向振動問題和遠低于疲勞壽命的鉸節(jié)點失效問題，可以認為以設(shè)計環(huán)境荷載作為單一驅(qū)動的設(shè)計方法難以準確預(yù)估系泊系統(tǒng)在服役過程中的運動行為，影響疲勞壽命分析的準確性。

基于該在役軟剛臂系泊系統(tǒng)各鉸節(jié)點長期荷載時程，利用雨流計數(shù)法計算荷載幅值和荷載幅值均值，從而得到各鉸節(jié)點長期荷載譜(圖5)?？紤]系泊系統(tǒng)下鉸節(jié)點受力與上鉸節(jié)點受力相似且均值較小，且左右系泊腿長期荷載趨勢較為一致，左、右系泊腿上鉸節(jié)點長期荷載譜統(tǒng)一為上鉸節(jié)點長期荷載譜(圖5b)，其中N為荷載循環(huán)次數(shù)。

圖5 軟剛臂系泊系各鉸節(jié)點荷載譜(動力學)Fig.5 SYMS hinge joints internal forces spectrum(dynamic)

利用靜力學方法計算得到軟剛臂系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點長期受力(圖6)及節(jié)點荷載譜(圖7)，并將其與動力學計算方法所得結(jié)果進行了對比。可以看出，上鉸節(jié)點荷載時程靜力學幅值計算結(jié)果遠小于動力學計算結(jié)果，說明基于多體動力學模型的實時計算方法，能夠更加完整地反映系泊系統(tǒng)的動力學特征。

圖6 軟剛臂系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點荷載時程Fig.6 Internal force of SYMS upper hinge joint

圖7 軟剛臂系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點荷載譜(靜力)Fig.7 Internal force spectrum of SYMS hinge joint(statics)

3 軟剛臂系泊系統(tǒng)鉸節(jié)點實時疲勞分析

在役海洋結(jié)構(gòu)物實時疲勞壽命分析能夠反映結(jié)構(gòu)真實損傷狀態(tài)，為海洋平臺運營維護提供決策依據(jù)。軟剛臂系泊系統(tǒng)鉸節(jié)點實時疲勞分析利用原型監(jiān)測數(shù)據(jù)和多體動力學模型獲得在役系泊結(jié)構(gòu)鉸節(jié)點長期荷載譜。通過建立鉸節(jié)點荷載有限元模型，計算模擬不同工況下鉸結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，獲得鉸節(jié)點外部荷載和熱點應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合節(jié)點長期荷載譜和荷載應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系，計算鉸節(jié)點監(jiān)測周期內(nèi)的等效應(yīng)力，最終獲得結(jié)構(gòu)疲勞損傷程度。

3.1 上鉸節(jié)點疲勞分析

建立了軟剛臂系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點旋轉(zhuǎn)鉸有限元模型，對接觸面網(wǎng)格進行細化，模型銷軸設(shè)置為完全固定(圖8a)，材料彈性模量設(shè)置為210 GPa，密度為7.8×103kg/m3，泊松比為0.3，材料接觸面摩擦系數(shù)選取為設(shè)計參數(shù)0.15，有限元單元選取為C3D8R單元[14]，計算得到上鉸節(jié)點應(yīng)力云圖(圖8b)。由于上鉸節(jié)點的對稱特征，將熱點對稱節(jié)點位置的應(yīng)力值作為鉸節(jié)點反方向旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力計算結(jié)果。

圖8 軟剛臂系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點有限元模型及應(yīng)力計算結(jié)果Fig.8 Finite element model and stress calculation result of SYMS upper hinge joint

系泊腿上端鉸節(jié)的連接形式釋放了節(jié)點的3個轉(zhuǎn)動自由度，外部荷載主要作用于系泊腿軸向方向。由上鉸節(jié)點荷載譜可知，上鉸節(jié)點荷載在2 200～2 400 kN范圍內(nèi)的概率大于90%，對此區(qū)間荷載工況的計算間隔進行了細化，得到不同荷載條件下上鉸節(jié)點熱點節(jié)點在不同轉(zhuǎn)動方向下的應(yīng)力計算結(jié)果(圖9)?？梢钥闯?，上鉸節(jié)點轉(zhuǎn)動速度為正時，熱點應(yīng)力值集中在170～175 MPa，上鉸轉(zhuǎn)動速度為負時，熱點應(yīng)力值集中在92～96 MPa。外部荷載與應(yīng)力值接近線性關(guān)系。

圖9 軟剛臂系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點熱點應(yīng)力與外部荷載關(guān)系圖Fig.9 Hot spot stress versus external force of SYMS upper hinge joint

基于多體動力學計算結(jié)果，利用上鉸節(jié)點外部荷載和熱點應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系計算上鉸節(jié)點熱點長期應(yīng)變。通過雨流算法計算各荷載循環(huán)周期下的上鉸節(jié)點應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值，選取Goodman等效方法得到各循環(huán)周期的等效應(yīng)力。結(jié)合S-N曲線計算各循環(huán)荷載下，上鉸節(jié)點的疲勞損傷因子如圖10所示。

圖10 軟剛臂系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點損傷因子Fig.10 Damage variable of SYMS upper hinge joint

監(jiān)測數(shù)據(jù)完整有效數(shù)據(jù)時長為12 670 h?；趽p傷因子計算得到服役一年系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點累計的疲勞損傷值為0.080 3，系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點達到疲勞失效的時間為109 091 h，即12.45年，遠小于系泊系統(tǒng)設(shè)計的服役年限20年，且分析過程中未考慮疲勞壽命計算的安全系數(shù)?？梢姡芯繉ο蟆安澈Ｓ颜x號”FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點壽命遠低于預(yù)估值。產(chǎn)生上鉸節(jié)點快速疲勞失效的原因為設(shè)計階段對系泊系統(tǒng)在服役過程中周期荷載預(yù)估不準確。

3.2 系泊轉(zhuǎn)盤疲勞分析

系泊轉(zhuǎn)盤是系泊系統(tǒng)風向標效應(yīng)的核心部件，一旦其發(fā)生疲勞失效將導(dǎo)致平臺直接喪失系泊能力。建立了系泊轉(zhuǎn)盤有限元模型(圖11a)，彈性模量設(shè)置為210 GPa，密度為7.8×103kg/m3，泊松比為0.3，接觸面摩擦系數(shù)選取為設(shè)計參數(shù)0.15，有限元單元選取為C3D8R單元，約束轉(zhuǎn)盤內(nèi)環(huán)的6個自由度運動，外環(huán)限制垂向位移，通過外環(huán)轉(zhuǎn)動模擬系泊系統(tǒng)服役狀態(tài)。計算得到系泊轉(zhuǎn)盤應(yīng)力結(jié)果如圖11b所示。由于系泊轉(zhuǎn)盤釋放了單點受到的彎矩作用，系泊轉(zhuǎn)盤外力荷載分解為水平分量和垂直分量(圖12)。

圖11 軟剛臂系泊系統(tǒng)系泊轉(zhuǎn)盤有限元模型及應(yīng)力計算結(jié)果Fig.11 Finite element model and stress calculation result of SYMS mooring turntable

圖12 軟剛臂系泊系統(tǒng)轉(zhuǎn)盤荷載Fig.12 Internal force of SYMS mooring turntable

組合水平荷載分力和垂向荷載分力，計算轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)熱點應(yīng)力及對稱位置節(jié)點應(yīng)力與外部荷載的關(guān)系，得到外部荷載與熱點應(yīng)力的關(guān)系，可以看出熱點應(yīng)力值與外部荷載成明顯的線性關(guān)系(圖13)。

圖13 軟剛臂系泊系統(tǒng)系泊轉(zhuǎn)盤熱點應(yīng)力與外部荷載關(guān)系圖Fig.13 Hot spot stress versus external force of SYMS mooring turntable

基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算轉(zhuǎn)盤熱點在監(jiān)測周期下的應(yīng)力時程。利用Goodman等效方法獲得熱點在循環(huán)荷載下的等效應(yīng)力，結(jié)合S-N曲線得到系泊裝盤各循環(huán)荷載下的損傷因子如圖14所示。

圖14 軟剛臂系泊系統(tǒng)系泊轉(zhuǎn)盤損傷因子Fig.14 Damage variable of SYMS mooring turntable

基于損傷因子計算得到系泊轉(zhuǎn)盤在監(jiān)測周期內(nèi)產(chǎn)生的損傷值為1.671 4×10-4。服役周期20年累計的損傷度為0.002 3，滿足服役周期內(nèi)疲勞失效的要求。

從系泊轉(zhuǎn)盤和上鉸節(jié)點的疲勞分析結(jié)果看，“渤海友誼號”FPSO系泊系統(tǒng)系泊轉(zhuǎn)盤的設(shè)計能夠保障服役過程中不產(chǎn)生疲勞失效。而在不考慮安全系數(shù)的條件下，系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點疲勞壽命僅12.45年，遠低于平臺的設(shè)計服役壽命。因此，軟剛臂系泊系統(tǒng)服役過程中需關(guān)注上鉸節(jié)點疲勞失效問題，并建立合理運維計劃，對上鉸節(jié)點及時進行更換維護，減小平臺因鉸節(jié)點突發(fā)失效帶來的損失。同時，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實時計算結(jié)構(gòu)實時損傷程度，修正剩余服役壽命。在未來軟剛臂系泊系統(tǒng)設(shè)計中，也應(yīng)重視對尺寸或連接方式進行優(yōu)化，在保障軟剛臂系泊系統(tǒng)系泊剛度的同時，減小上鉸節(jié)點受到的循環(huán)荷載次數(shù)和幅值，降低系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點疲勞失效的風險。

4 結(jié)論

1) 基于多體動力學方法，構(gòu)建了適用于在役軟剛臂系泊系統(tǒng)實時動力學分析的測量方程和動力學模型，獲得了在役軟剛臂系泊系統(tǒng)的運動狀態(tài)和節(jié)點受力情況。與傳統(tǒng)靜力學方法相比，基于多體動力學構(gòu)建的方法計算結(jié)果能更好地反映結(jié)構(gòu)的動力學特征。

2) 基于上鉸節(jié)點荷載譜計算了“渤海友誼號”FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)在監(jiān)測周期內(nèi)上鉸節(jié)點以及單點系泊轉(zhuǎn)盤的疲勞損傷程度，系泊系統(tǒng)上鉸節(jié)點疲勞壽命小于平臺設(shè)計服役年限，同時轉(zhuǎn)盤按照設(shè)計服役周期20年累計的損傷度為0.002 3，能夠保障服役過程中不產(chǎn)生疲勞失效。軟剛臂系泊系統(tǒng)服役過程中需關(guān)注上鉸節(jié)點疲勞失效問題，建立合理的運維計劃并在未來軟剛臂系泊系統(tǒng)設(shè)計中重視對尺寸或連接方式進行優(yōu)化。