基于S-N曲線的深水半潛平臺疲勞壽命分析

李增華，李良碧2,,陳明璐，嵇春艷,張 健

（1.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江 212003）

基于S-N曲線的深水半潛平臺疲勞壽命分析

李增華1，李良碧2,1,陳明璐1，嵇春艷1,張 健1

（1.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江 212003）

深水半潛平臺工作環境惡劣，造價成本高，為保證安全工作,有必要對其進行疲勞壽命分析。首先利用SESAM軟件建立目標平臺整體模型并分析總體結構響應。然后根據平臺總體結構響應計算結果，選取立柱與橫撐連接處、立柱外板與上甲板連接處兩個關鍵節點，建立關鍵節點有限元模型，計算其熱點應力。最后采用S-N曲線分析該平臺在中國南海環境條件下的疲勞壽命。分析結果顯示該平臺疲勞壽命符合規范要求，但立柱與橫撐連接處的疲勞壽命偏低，應加強日常檢修和維護。

S-N曲線；深水半潛平臺；疲勞壽命；有限元

隨著人類社會對能源的需求越來越大，石油開發由淺海逐漸向深水海域發展，深海半潛式平臺逐漸成為海洋平臺的主導品種。作為海上石油資源開發的大型基礎性設施，海洋平臺是海上生產和生活的基地，其所處的環境極其復雜、惡劣。并且平臺結構在海洋中長期承受著風、浪、流、冰及地震等多種環境因素的干擾，在長期惡劣環境和工作載荷影響下，交變應力會導致結構的損傷。并且在疲勞載荷的不斷作用下，破壞范圍會迅速擴展，可能很快導致整個結構的疲勞失效[1-4]。因此，為保證深水平臺結構的安全，對平臺進行疲勞壽命的研究是一項非常必要的工作。

目前海洋工程界應用疲勞分析法有S-N曲線、斷裂力學法和疲勞可靠性分析方法。S-N曲線法做為傳統的疲勞強度分析方法，已經相當成熟。S-N曲線較為成熟的分析方法包括簡化分析方法，譜分析方法和確定性方法。Alexia Aubault[5]基于S-N曲線對某三立柱沉箱半潛式平臺進行了疲勞壽命分析。謝文會[2]基于S-N曲線利用譜分析方法對某半潛式平臺做了疲勞壽命分析。簡化分析方法只是作為結構設計階段用于篩選可能發生疲勞破壞危險點的快速疲勞分析手段。對于譜分析方法，目前只能采取直接計算結構在系列波作用下的應力響應得到節點的應力響應譜，工作量較大。確定性方法的基本思想是將波浪散布圖中的每一個短期海況用確定性的波高和波頻描述的規則波表示，確定性波浪條件下的波浪載荷作為疲勞載荷；而確定性方法計算較簡單。這種方法被認為是譜分析方法的簡化方法。

所以，本文基于S-N曲線，利用海洋工程疲勞分析中的確定性方法分析深水半潛式平臺的疲勞壽命。

1 疲勞分析方法

本文對深水半潛式平臺疲勞壽命的評估主要參考美國船級社（ABS）的《近海結構物疲勞評估規范》[6]。

1.1 熱點應力定義

熱點指結構中可能發生疲勞破壞的危險點，熱點應力指結構中危險截面危險點的應力，是通過局部結構精細有限元模型的有限元分析得到，有限元模型在疲勞熱點部位的有限元劃分尺寸接近t×t（t為局部結構板的厚度）。根據距離疲勞熱點部位t/2和3t/2處的參考應力并使用外推法得到疲勞點的熱點應力，如圖1所示。圖中Snotch表示缺口應力；Shot表示熱點應力；Shot-t/2表示t/2處參考應力；Shot-3t/2表示3t/2處參考應力；Snom表示名義應力。

圖1 外推法計算熱點應力[6]

1.2 基于S-N曲線的線性累積損傷方法

結構在交變應力作用下的疲勞損傷是一個累積的過程。通常認為交變應力的每一個循環都將造成一定的疲勞損傷，從而消耗掉一定量的結構壽命。在結構的使用期T內，若設應力范圍水平共有 k 級，求出交變應力 σ1，σ2，σ3，…，σk，相應的作用次數為 n1，n2，n3，…，nk，在 S-N 疲勞設計曲線中根據求出的交變應力確定引起疲勞的相應的循環次數，分別為N1，N2，N3，…，Nk，于是載荷單獨作用時對疲勞壽命的損傷程度將分別為 n1/N1，n2/N2，n3/N3，…，nk/Nk，線性累積損傷方法認為各種交變載荷作用過程中構件的損傷程度可以疊加。故總的累積疲勞損傷為：

式中：D為結構發生疲勞破壞時的總損傷量；Dj為在第j級應力范圍σi的損傷分量。

當結構發生破壞時有：

式中：Di為各工況的疲勞損傷度；Pi為各工況出現概率。

根據每種荷載工況下熱點應力幅值和1 a中各個工況所占的比例，算出各應力幅值對應的循環次數；根據S-N曲線，對所有的工況進行疲勞計算；最后將各疲勞工況下的損傷相累加，得到相應節點的疲勞壽命或損傷程度。熱點處1 a內在各種工況作用下的疲勞損傷期望值為，再根據式（4）估算出平臺熱點處的疲勞壽命[7]。

2 深水半潛平臺疲勞壽命分析

2.1 平臺總體有限元模型建立

本文進行疲勞壽命分析的平臺是一雙下浮體、四立柱、每兩根立柱之間具有兩根水平橫向撐桿的深水半潛式平臺。該平臺長為114 m,寬為74.4 m，型深38.6 m，設計作業水深3 000 m。

有限元模型由板單元、梁單元及質量元組成，包括平臺主要結構，艙壁及梁等主要構件。圖2和圖3為該平臺的有限元模型。

2.2 平臺疲勞載荷分析

半潛式平臺受到的水動力載荷主要有3種：拖曳力、慣性力和衍射力，在平臺的生命周期中，風暴自存狀態的時間極短，所以在進行疲勞分析時，取工作狀態的環境條件。由于平均應力相對較小，對疲勞損傷的影響可以忽略。在半潛式海洋平臺受到的各種環境載荷中，只有波浪載荷會產生明顯的循環應力，其它載荷產生的應力在疲勞分析中暫不考慮[3]。設目標平臺服役海域為中國南海海域，根據長期統計資料，此海域波高0～4 m,周期5～10 s的波浪出現的概率較高，約為89%。波高5～9 m，周期5～10 s的波浪出現的概率較小，約為4.5%。波高10 m以上的波浪出現的概率極小。

圖2 關鍵節點一位置

圖3 關鍵節點二位置

本文首先采用SESAM/Genie建立目標平臺水動力計算模型，利用WADAM分析在各波浪工況下遭受的水動力載荷和慣性力，并進行水動力分析。根據參考相關文獻[2]，橫浪會對平臺造成較大的疲勞損傷，所以本文疲勞計算的浪向確定在90°。圖2為目標平臺總體模型受到的水動力載荷示意圖。然后利用SESAM/Sestra計算平臺結構的總體響應。計算結果顯示，在各波浪工況下，平臺總體應力分布均勻，但也存在一些高應力區域。現將其應力較大的位置列在表1中。

表1 平臺總體高應力區域位置

2.3 疲勞熱點部位選取

由平臺總體強度分析結果可知,立柱與橫撐連接處、立柱外殼與甲板連接處都是應力較大的區域，而且是平臺關鍵的連接部位，很容易產生疲勞損傷，所以將其兩部位做為關鍵節點，計算其疲勞壽命。位置如圖2和圖3所示。

2.4 建立關鍵節點有限元模型及熱點應力計算

在不影響計算結果的前提下,建立總體模型時，一般將結構進行簡化，如對弱構件（如小的縱骨）作為相當厚度計及到板厚中。因此，在建立關鍵節點的有限元模型時，必須建立關鍵節點精細的局部有限元模型進行分析。在整體建模時簡化的縱骨，本文采用梁單元來模擬，增加肘板等。根據ABS《近海結構物疲勞評估規范》[6]，采用本文1.1節介紹的有限元劃分方法。圖4和圖5為關鍵節點一和關鍵節點二的有限元模型，圖4（b）和圖5（b）分別為疲勞熱點部位的網格劃分。

將平臺整體有限元分析中的位移值做為關鍵節點局部模型有限元分析的邊界條件。因此關鍵節點局部模型邊界處的網格應與整體模型相同部位的網格保持一致，以確保其邊界處的節點相一致。

在不同工況條件下對平臺進行關鍵節點有限元應力計算。表2和表3為平臺關鍵節點熱點應力結果。其中波高1.5 m,周期為6 s（工況二）的關鍵節點應力分布如圖6和圖7所示。由工況二的應力計算結果可知，關鍵節點一的高應力區位于橫撐兩側與立柱連接處的焊接部位，也就是結構不連續部位。關鍵節點二的高應力區位于立柱與上甲板連接兩側折角處的焊接部位。高應力區也即有可能產生疲勞破壞的地方。圖8標注了關鍵節點一的6個疲勞熱點的大致位置，圖9標注了關鍵節點二的6個疲勞熱點的大致位置。

圖4 關鍵節點一有限元模型

圖5 關鍵節點二有限元模型

圖6 關鍵節點一工況二應力云圖

圖7 關鍵節點二工況二應力云圖

圖8 關鍵節點一疲勞熱點分布圖

圖9 關鍵節點二疲勞熱點分布圖

表2 關鍵節點一的熱點應力結果/Pa

表3 關鍵節點二的熱點應力結果/Pa

從表2和表3可以看出，關鍵節點一的熱點應力普遍高于關鍵節點二的熱點應力。而且綜合各工況分析，在關鍵節點一中，4號節點即橫撐外板與立柱外板的連接處某節點（圖8所示）的熱點應力較大。

2.5 關鍵節點的相關疲勞參數

平臺關鍵節點所用材料為EH-36的高強度鋼，屈服強度為360 MPa,彈性模量為2.06E+11 Pa。

關鍵節點一的工作狀態為半潛于海水之中，關鍵節點二為處于空氣中。因此，根據ABS規范，選取非管節點在空氣中ABS-E(A)和海水中受陰極保護的S-N曲線的ABS-E(CP)曲線對關鍵節點的熱點應力進行疲勞分析，S-N曲線參數如表3所示，曲線如圖10和圖11所示。

表3 S-N曲線參數[6]

2.6 關鍵節點的疲勞壽命分析

依據相應的S-N曲線與Miner準則，計算關鍵節點各疲勞熱點的疲勞損傷度和疲勞壽命如表4和表5所示。

從表4可以看出，該平臺結構關鍵節點各熱點年疲勞損傷度最大的為4號節點即橫撐外板與立柱外板連接處某節點（圖8所示），損傷度為2.31E-02，所以疲勞壽命最小，約為43.2 a，因此該節點是這些關鍵節點一中影響疲勞壽命的危險點。平臺壽命滿足ABS規范要求。從表5可以看出，關鍵節點二年疲勞損傷度相對較少，疲勞壽命相對較大。

圖10 非管節點空氣中S-N曲線[6]

圖11 非管節點海水中受陰極保護的S-N曲線[6]

表4 關鍵節點一疲勞損傷度和疲勞壽命

表5 關鍵節點二疲勞損傷度和疲勞壽命

3 結論

立柱與上甲板連接處、立柱與橫撐連接處做為半潛式平臺重要連接部位，位于波浪載荷的傳遞路徑上，承受較大的交變載荷，都是易發生疲勞破壞的部位。通過本文分析可知，立柱與橫撐連接處的年疲勞損傷度相對于立柱與上甲板連接處較大，疲勞壽命比較小，是影響平臺疲勞壽命的關鍵點。而且此部位長期受到海水的腐蝕作用，所以應當是日常檢修和維護的重點部位。

[1]李潤培,王志農.海洋平臺強度分析[M].上海:上海交通大學出版社,1992：103-122.

[2]謝文會,謝彬,王世圣.深水半潛式鉆井平臺典型節點譜疲勞分析[J].中國海洋平臺,2009,24(5):28-40.

[3]張劍波.半潛式鉆井船典型節點疲勞可靠性分析[J].船舶工程,2006,28(1):36-40.

[4]劉海霞,肖熙.半潛式平臺結構強度分析中的波浪載荷計算[J].中國海洋平臺，2003,18（2）：1-4.

[5]Aubault A.Structure Design of a Semi-Submersible Platform With Water Entrapment Plates Based on a Time-Domain Hydrodynamic Algorithm Coupled With Finite Elements[C]//Proceedingof the Sixteenth International Offshore and Polar Engineering Conference.San Francisco,California,USA,2006.

[6]Guide for the Fatigue Assessment ofOffshore Structures[R].Classification Notes,ABS,2003.

[7]劉洪濤.隨機波浪載荷作用下海洋導管架平臺疲勞壽命預測分析[D].天津：天津大學,2007.

Fatigue Analysis of Deepwater Semi-submersible Platform Based on S-N Approach

LI Zeng-hua1,LI Liang-bi2,1,CHEN Ming-lu1,JI Chun-yan1,ZHANG Jian1
(1.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China;2.Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co.Ltd,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

Deepwater semi-submersible platform works in bad environment conditions with high cost,so it is necessary to do fatigue analysis to make sure it works safely.Firstly,the model of platform was made and the response of the global structure was calculated based on SESAM.According to overall response result,column and brace connection&column and upper deck connection were chosen as key joint.The fine FEA model of key joint was made and the hotspot stress was calculated.Finally,the fatigue life of platform was calculated based on S-N approach in South China Sea.The result shows that the platform could meet ABS rules demand but there is a low fatigue life at the column and the brace connection of the platform,so the strengthening daily repair and maintenance is necessary.

S-N approach;deepwater semi-submersible platform;fatigue life;finite element

P75

B

1003-2029（2012）01-0077-06

2011-09-10

國家自然科學基金資助項目（51079065，51109100）；江蘇省自然科學基金資助項目（BK2011508）；江蘇科技大學博士科研啟動基金資助項目（35011003）

李增華（1984-），男，助理工程師，碩士。Email:lizenghua1984@163.com

致謝：本研究項目在江蘇科技大學江蘇省船舶先進設計制造技術重點實驗室完成，特此致謝。