浮式平臺鉆井系統底座鋼結構疲勞分析

王　東，胡　楠，張元洪，周天明，郭乾坤，蔡京儒

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

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浮式平臺鉆井系統底座鋼結構疲勞分析

王東1，2，胡楠1，2，張元洪1，周天明1，2，郭乾坤1，2，蔡京儒1，2

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

摘要：以浮式平臺鉆井系統底座鋼結構為研究對象，結合鉆井載荷，井架載荷，風、浪、流環境載荷及邊界條件等因素建立底座鋼結構的ANSYS有限元模型，采用譜分析法對底座整體結構進行疲勞分析。分析、篩選出底座鋼結構的疲勞熱點，對疲勞熱點處的有限元網格進行了局部細化，計算了疲勞熱點處的應力響應函數并得到相應的應力譜及各階譜矩，并根據ABS規范計算出各熱點處的疲勞壽命，對計算結果進行了校核并確定了底座鋼結構的疲勞壽命。

關鍵詞：浮式鉆井平臺；底座鋼結構；有限元；譜分析法；疲勞

浮式鉆井平臺是開發海洋深水油氣資源的主力裝備，鉆井系統的井架、底座鋼結構是關鍵的支撐結構，承載著鉆井系統主載荷，由于長期在海洋惡劣環境條件下作業，載荷大、工況復雜、環境多變，其結構失效的后果嚴重、損失大。疲勞破壞是海洋工程結構的一種主要破壞模式，因此開展浮式平臺鉆井系統鋼結構疲勞分析研究以評估鋼結構的可靠性和安全性是非常有必要的。

本文以BT3500半潛式支持平臺輔助鉆井單元(TADU)底座鋼結構為例，采用譜分析法進行疲勞壽命分析。譜分析法的基本思路是先求解支持平臺所承受的海水波浪載荷，得到作用于支持平臺結構上的波浪力譜，再將波浪力譜施加到鉆井單元底座鋼結構上，得到應力響應譜；也可以直接通過數值分析的方法得到鉆井單元底座鋼結構節點的應力響應譜，并結合結構節點應力響應譜的統計特性分析、應力響應的分布特性以及Miner準則計算出底座鋼結構的疲勞壽命。同簡化疲勞分析方法和確定性方法相比較，雖然基于譜分析法的計算量偏大，但其計算結果更為精確和直接。疲勞壽命分析流程如圖1所示。

圖1　疲勞壽命分析流程

1底座鋼結構疲勞分析

支持平臺輔助鉆井單元(TADU)由井架設備包(MEP)和支持平臺(TSV)組成，在TSV的輔助下，MEP可以在固定式平臺、TLP和SPAR上進行鉆井作業。TADU輔助鉆井作業如圖2所示，在正常作業過程中，MEP安裝在諸如TLP或SPAR之類的鉆井平臺上，作為MEP關鍵部件的底座鋼結構，不但要承受正常鉆井作業過程中的復雜鉆井作業載荷，同時還要承受風、浪、流等環境載荷直接或間接造成的動載荷。

圖2　TADU輔助鉆井作業示意

1.1模型建立

應力幅值是評估疲勞壽命的關鍵數據之一，基于ANSYS有限元分析計算出的應力幅值受網格精度影響較大[1]。本文采用有限元軟件ANSYS建立整個MEP底座結構的有限元模型，如圖3。除大部分斜撐采用BEAM188 單元模擬外，其余構件均采用SHELL63 單元模擬。設備采用MASS21 單元模擬，設備重心與其接觸的結構之間采用LINK8 單元進行連接。綜合考慮MEP的結構形式、作業載荷及環境載荷等，確定施加在有限元模型上的各類載荷及邊界條件。對MEP底座結構進行84種工況下的整體強度計算，確定疲勞分析熱點，對熱點處的有限元網格進行局部細化。

圖3　有限元分析模型

1.2波浪譜的確定

在ABS規范中提出，對海洋結構物的疲勞損傷起主要作用的是波浪引起的結構內交變應力范圍及其較大量的循環次數，風和流對海洋結構疲勞破壞的影響相對波浪的影響而言可以忽略。結構最主要的交變應力是由于波浪的不規則變化形成的，事實上任一載荷都是不確定的，而是隨時間不規則變化[2]。海洋中波浪的無規則運動是典型的隨機過程，因而采用隨機過程理論對其進行描述。

為了滿足實際工程的需要，對采集到的海洋波浪數據資料進行統計分析，已經建立了一些波浪功率譜密度的經驗表達公式，這種經驗表達式就是波浪譜。在海洋工程中常用的波浪譜為P-M譜和JONSWAP譜，其中P-M譜適用于描述無限風區充分發展的波浪。本文采用P-M譜對目標平臺的底座鋼結構進行疲勞分析，其表達式為

(1)

式中：S(ω)為波浪譜密度；Hs為有義波高；Tz為平均過零周期；ω為波浪圓頻率。

1.3海況確定

通常情況下鉆井鋼結構的疲勞設計壽命周期為20a，采用譜分析方法進行疲勞分析時需要搜集目標平臺所在海域20a的波浪統計資料。為簡化起見，用1a的波浪統計資料近似地代表波浪的長期分布資料。根據API2.5.3b的建議，可將1a中海面波浪的變化狀態分成若干個浪級進行響應計算。

在疲勞分析中，對于譜分析方法而言需要將長期海況離散為多個短期海況。本文所采用的波浪散布數據如表1所示，共包含46個短期海況。

波浪入射方向不同導致海洋結構物的響應也不同，而波浪方向通常具有隨機性，因此對MEP進行疲勞分析時對每個海況應考慮相對于結構的入射方向及其出現概率的影響。結合ABS規范的要求，即波浪入射方向的變化量應不超過30°，以及TLP平臺的對稱性，確定波浪入射方向分別為0、30、60及90°。基于等概率的假設，其出現概率分別為1/6、1/3、1/3及1/6。

表1　某海域的波浪散布數據

根據ABSMODU規范，確定每一海況下的頻率為0.10～1.80rad/s，24個頻率離散點分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.80、0.90、1.00、1.10、1.20、1.30、1.40、1.50、1.60、1.70及1.80，故確定MEP熱點的疲勞損傷需計算24×4=96種載荷工況作用下的結果。

1.4應力響應函數及各階譜矩

采用譜分析方法計算MEP底座結構的疲勞壽命，必須首先得到MEP底座結構在波浪載荷作用下的應力響應函數。本文采用所建立的具有精細網格的整體有限元模型計算了4個波浪入射方向、24個頻率值共計96種組合下MEP底座結構的應力響應，將應力響應幅值與相應規則波的波幅相比，得到單位波幅下的應力響應幅值，以規則波的圓頻率為橫坐標，熱點位置在單位波幅下的應力響應幅值為縱坐標，繪制得到該位置處的應力響應函數曲線。

結合熱點應力響應函數和波浪譜密度函數即可得到每一海況作用下的應力譜密度函數。由于數據量較為龐大，不能全部列出，僅給出了短期海況作用下熱點1、2、3處的應力響應函數曲線和應力譜密度函數，如圖4～9所示。

得到每一海況的應力譜密度Sσ(ω|Hs,Tz,θ)dω后，根據ABS規范，其相應的各階譜矩為

(2)

式中：mn為譜矩；n為階矩；θ為波浪入射角。

在此基礎上得出各階譜矩，例如0階、2階和4階譜矩為

(3)

(4)

(5)

利用各階譜矩計算出任意海況下對應的過零率f0和譜寬參數ε(頻率單位為Hz)為

(6)

(7)

不同海況對應的ε值不同，當ε接近0時，認為此時的譜為窄帶譜，其對應的應力譜密度服從Rayleigh分布。一般認為，當ε≥0.4時，結構的交變應力過程就不能看成是窄帶隨機過程，需在計算短期疲勞損傷時，對應力循環次數加以修正以反映帶寬的影響。傳統理論認為，海洋平臺所受到的隨機波浪載荷是穩態高斯過程，結構應力響應是窄帶隨機過程，應力峰值服從Rayleigh分布[3]。

圖4　熱點1處應力響應函數曲線

圖5　熱點1處應力譜密度函數曲線

圖6　熱點2處應力響應函數曲線

圖7　熱點2處應力譜密度函數曲線

圖8　熱點3處應力響應函數曲線

圖9　熱點3處應力譜密度函數曲線

2疲勞壽命評估

2.1S-N曲線選取

在得到熱點處的應力譜密度函數之后，需要選取對應位置的S-N曲線才可以進行疲勞損傷的計算。根據MEP底座結構所處的環境，按照ABS海洋平臺疲勞強度分析規范[4]，選用的適用于非管節點在空氣中的S-N曲線，如圖10所示。

圖10　海洋平臺非管節點在空氣中的S-N曲線

當采用線性外插法獲得熱點應力時，ABS規范推薦采用E曲線，E曲線的各參數值如表2。

上述S-N曲線適用于板厚為0～22mm的非管節點，當板厚大于22mm時，需要考慮板厚效應，需要對名義上的熱點應力進行修正，修正公式為

(8)

表2　選定的S-N曲線及相關參數

注：lgA為第1段曲線截距；m為第1段曲線反斜率；lgC為第2段曲線截距；r為第2段曲線反斜率；NQ為曲線拐點橫坐標；SQ為曲線拐點縱坐標。

2.2疲勞累積損傷計算

作用在結構上的交變載荷幅值、循環次數及順序是不斷變化的，在計算隨機變幅載荷導致的累積疲勞損傷時，通常應用忽略應力之間的相互作用和低于疲勞極限下應力影響的Miner線性累積損傷準則預測結構的疲勞壽命。對于海洋工程結構物來說，它受的波浪載荷大小、應力加載次序是近似平穩隨機的，所以可以忽略加載次序的影響，并采用Miner理論。

計算非管節點熱點處的疲勞累積損傷時，首先確定結構的設計疲勞壽命，本文中MEP底座結構的疲勞設計壽命為20a。根據MEP所處海域的波浪散布圖，確定海況數目及每個海況對應的聯合概率密度，最后計算各海況作用下的疲勞累積損傷。4個浪向下的疲勞損傷乘以各自的出現概率，然后累加便得到每一點處的總損傷。由于缺乏各個浪向的出現概率資料，這里假設各個浪向的出現概率相同。在實際工程中會盡量避免平臺處于最危險的波浪工況，所以4個浪向取等同出現概率計算出的結果偏于保守。8個疲勞熱點在不同浪向角下的疲勞損傷如表3所示。

表3　8個疲勞熱點在不同浪向角下的疲勞損傷因數

2.3疲勞壽命計算

評估疲勞強度一般有2種方法，或基于疲勞損傷，或基于疲勞壽命。本文采用基于疲勞壽命的疲勞強度衡準辦法，即將計算得到的疲勞壽命與MEP底座結構的設計壽命相比較，從而確定MEP底座結構的疲勞強度是否滿足要求。根據ABS規范，判斷熱點處的疲勞強度是否滿足要求，需考慮疲勞損傷因子，則疲勞壽命Tf為

(9)

式中：T為疲勞壽命；FDF為疲勞設計因數。

基于所篩選的MEP底座8個疲勞熱點處的累積損傷計算結果，根據式(9)計算出MEP底座各疲勞熱點的疲勞壽命。計算結果表明MEP底座結構疲勞設計滿足疲勞壽命20a的設計要求。所篩選的MEP底座疲勞分析熱點中，熱點6處疲勞壽命最短，為42a；疲勞壽命最長的為熱點7處，為3 587a。根據分析，熱點6處幾何形狀突變造成的應力集中現象是造成其疲勞壽命較短的主要原因。

3結論

1)海洋結構物在風、浪、流的作用下受力十分復雜，準確分析其疲勞強度相當困難[5]。本文通過有限元建模及分析，評估MEP底座在各類載荷作用下的結構疲勞壽命，為保障MEP底座結構的結構安全提供依據。采用ANSYS有限元軟件建立整個MEP底座結構的有限元模型，綜合考慮MEP底座結構的結構形式、作業載荷及環境載荷等確定施加在有限元模型上的各類載荷及邊界條件并對MEP底座結構進行共計84種工況下的整體強度計算，確定疲勞分析熱點，對熱點處的有限元網格進行了局部細化，計算了8個疲勞熱點處的應力響應函數并得到相應的應力譜及各階譜矩，進而根據ABS規范計算了各個熱點處的疲勞壽命并對計算結果進行了校核，確定MEP底座結構的疲勞壽命滿足設計要求，為結構的可靠性和安全性提供了科學的依據。

2)在波高較小的海況下，波浪頻率易與結構物固有頻率相近而產生共振，降低平臺壽命[6]。由此可見共振現象是進行疲勞壽命評估時需要關注并避免的一個重要因素。另外，應力集中現象也會對結構的疲勞壽命有較為顯著的不利影響，設計過程中應給予足夠的關注并盡量避免結構幾何形狀的突變設計。

參考文獻：

[1]張淑華，徐磊，錢進.海洋導管架平臺疲勞問題分析[J].石油礦場機械，2012，41(11)：16-19.

[2]馮加果，李新仲，謝彬，等.基于ANSYS的海洋平臺局部構造疲勞壽命評估的網格精度和外推方法研究[J].石油礦場機械,2011，40(1)：15-20.

[3]張立，金偉良.海洋平臺結構疲勞損傷與壽命預測方法[J].浙江大學學報(工學版),2002(2)：139-140.

[4]ABS，FatigueAssessmentofOffshoreStructures[S].2003.

[5]陳鵬耀，薛鴻祥，唐文勇，等.TrussSpar平臺桁架管節點疲勞分析[J].海洋工程，2007，25(2)：15-20.

[6]修宗祥，楊秀娟，閆相禎，等.基于譜分析法的深水導管架平臺疲勞壽命可靠性分析[J].中國海上油氣，2010(1)：59-64.

FatigueAnalysisofSubstructureofFloatingDrillingPlatformwithSpectrumMethod

WANGDong1，2，HUNan1，2，ZHANGYuanhong1，ZHOUTianming1，2，GUOQiankun1，2，CAIJingru1，2

(1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center，Baoji 721002，China)

Abstract：A fatigue analysis was proposed based on finite element ANSYS model for drilling rig substructure of floating platform，combining spectrum analysis method combining with mast load，wind，wave，stream environmental load and screen the possible fatigue hot.The finite element of hot was detailed in local to calculate stress response function of total fatigue hot and obtain corresponding stress spectrum with spectral moment.To calculate the fatigue life of each hot according to ABS specification，the result was checked to prove fatigue life of the substructure of drilling rig satisfying design requirement.

Keywords：floating platform；substructure；finite element；spectrum analysis method；fatigue

文章編號：1001-3482(2016)06-0042-05

收稿日期：2015-12-22

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃) “深水油氣勘探開發技術與裝備”子項目“深水鉆機與鉆柱自動化處理關鍵技術研究” (2012AA09A203)

作者簡介：王東(1986- )，男，工程師，主要從事海洋油氣鉆機及其相關產品的設計，E-mail：icewearforever@163.com。

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.009