半潛平臺立柱與浮筒中部不同形式連接節點疲勞壽命分析

傅 強，王洪慶，張國棟，孫立強，李德江，李 磊

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

半潛平臺立柱與浮筒中部不同形式連接節點疲勞壽命分析

傅 強，王洪慶，張國棟，孫立強，李德江，李 磊

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

為了研究半潛式平臺的立柱與浮筒中縱艙壁連接節點出現焊縫開裂這種疲勞失效現象，利用簡化疲勞方法以及三維細化有限元模型，對目前主流平臺中所采用兩種不同的立柱與浮筒中縱艙壁連接節點形式進行了疲勞壽命評估與分析。首先從結構剛度分配角度，平均應力效應角度分析疲勞裂紋產生的原因；然后利用疲勞分析結果評估不同連接節點對整個平臺結構可靠性的影響；最后，基于結構力學性能和剛度匹配角度分析兩種節點形式的優劣，確定最優節點設計方案。

半潛式平臺；疲勞壽命；連接節點；平均應力；可靠性

Abstract: To make a comprehensive understanding of fatigue failure phenomenon at the middle connection between column and pontoon in semi-submersible units， a fatigue analysis is carried out of two types of connections between column and pontoon by using a simplified fatigue and fine mesh finite element method. Firstly, the reason of crack is found based on structure stiffness distribution and mean stress influence; then, the whole semi-submersible unit structure reliability influenced by different type of connections is evaluated; and at last, the comparison is made of two connection types based on structure mechanics feature, finding out the optimized connections based on the fatigue life of two types.

Keywords: semi-submersible units; fatigue life; connection; mean stress; reliability

半潛式鉆井平臺是一種深水油氣開發設備，長期在惡劣海況中工作，其結構每時每刻都承受著波浪等載荷。由于半潛平臺結構形式復雜，甲板與立柱，立柱與浮筒，立柱與橫撐之間存在多處剛度突變的設計，導致這些連接處出現應力集中，因此這些關鍵節點位置的結構主要失效形式為疲勞斷裂。設計一種合理的節點形式，降低這些剛度突變處連接節點的應力集中，使應力合理的在結構間傳遞，是提高整個平臺結構疲勞可靠性的關鍵；準確評估這些關鍵節點的疲勞壽命，是準確評價整個平臺結構疲勞可靠性的重要課題。

目前,國內學者針對半潛平臺關鍵節點做了大量地研究，張劍波[1]在研究半潛式平臺的極限強度時，研究了半潛平臺中典型管節點的極限強度問題。崔磊等[2]利用裂紋擴展對半潛平臺立柱與橫撐節點的疲勞強度進行了研究，總結了深水半潛式平臺結構疲勞裂紋擴展分析的流程。馬網扣等[3]針對半潛式鉆井平臺節點疲勞強度，利用譜分析方法進行研究，還考慮了有效主應力方向的選取范圍。劉剛等[4]針對BINGO9000半潛式鉆井平臺典型管節點進行了疲勞分析，認為管件彎曲是引起應力集中的主要因素，設計時應考慮抗彎剛度的增加。目前，國內學者主要針對疲勞算法以及平臺管節點疲勞強度分析進行研究，少有人針對浮筒立柱這種大構件中部連接節點進行詳細研究。據了解，在過往的半潛式鉆井平臺立柱與浮筒中縱艙壁連接處出現過焊接開裂現象。針對此問題，對目前主流的兩種立柱與浮筒連接節點的結構形式進行分析。由于立柱與浮筒連接的結構形式復雜，能否準確地模擬節點位置的剛度，準確捕捉節點位置的熱點應力，是保證正確評估結構疲勞壽命的關鍵因素。利用子模型技術結合細化三維有限元模型準確模擬節點位置的應力集中現象；利用簡化疲勞方法重點分析和比較兩種當前主流設計中立柱與浮筒中縱艙壁連接節點結構形式以及疲勞壽命的差異。

1 海洋工程結構簡化疲勞評估方法

海洋工程結構簡化疲勞方法是一種基于海洋結構物應力長期分布特點推導出的一種快速評估海洋工程結構疲勞強度的方法[5-6]。工程經驗表明，雙參數Weibull分布能夠很好地模擬波浪的長期分布特點，并且認為結構應力響應的長期分布也服從雙參數Weibull分布。根據統計分析Weibull分布的形狀參數和尺度參數；通過設計年限，參考應力回復周期的概率水平，得到許用應力范圍。借助簡化疲勞結果，對各個方案關鍵焊縫位置的疲勞壽命進行對比分析，以此評價各方案節點結構形式的優缺點。

1.1 疲勞許用應力-簡化疲勞方法

該平臺分析中，波浪長期分布選取Weibull分布，形狀系數取γ=1.0；設計壽命為20 a，即應力的概率水平為NR=108；m，r,A,C為S-N曲線參數；FDF為疲勞設計系數，取FDF=1； 許用應力范圍見方程(1)，詳細過程請參考文獻[6]。

其中，Γ( )為伽瑪函數;m，r，A,C為S-N曲線系數；FDF為疲勞設計系數；δ為Weibull分布尺度函數；γ為Weibull分布形狀參數。

由S-N曲線方程N=AΔσ-m可知，疲勞壽命與應力幅值之間存在m次方的關系。根據簡化疲勞計算結果簡單的估算疲勞壽命值：

(2)

其中，Lact為結構的實際疲勞壽命，Ldesign=20a；SFEM模型提取的最大主應力值；m為S-N曲線參數，保守考慮m=3.0。

圖1 疲勞極限曲線Fig. 1 Fatigue limit curve

1.2 模型應力的讀取與平均應力修正

在海工疲勞規范中，只針對非焊接結構內的平均應力提出了修正。但是對于焊接結構內部存在平均應力時，卻沒有明確說明。利用古特曼(GOODMAN)曲線以及Gerber曲線分析對計算應力進行修正，來說明平均應力對節點結構壽命的影響。

古特曼曲線假設疲勞極限線是經過對稱循環變應力的疲勞極限A點和靜強度極限B的一條直線(如圖1所示)，直線方程如式(3)。Gerber曲線假設疲勞極限線為疲勞極限A點和靜強度極限B點的拋物線，拋物線方程如式(4)。

其中，σm為平均應力；σb為極限強度，一般取屈服強度；σ-1疲勞極限；σa應力幅值。

2 立柱與浮筒中部連接節點形式

選取目前主流設計中兩種典型的立柱與浮筒中縱艙壁(立柱與浮筒中部連接節點，簡稱連接節點)位置的連接節點結構形式。節點位置如圖2所示，節點詳細描述如下：

節點結構形式一：見圖3(a)，該設計方案在中縱艙壁位置的連接節點位置沒有布置肘板。認為應力由立柱中縱艙壁直接傳遞給浮筒中縱艙壁，立柱與浮筒的相對變形應力集中點集中在立柱外板位置，不會發生在立柱中縱艙壁位置。同時，該方案保持立柱外板連續，浮筒甲板等水平構件斷開。

節點結構形式二：見圖3(b)，該設計方案認為中縱艙壁處在立柱與浮筒發生相對變形時會產生應力集中，故在形式一的基礎之上布置一個軟趾肘板，目的是保證立柱中縱艙壁與浮筒的中縱艙壁在端部合理過渡，消除連接端部位置的硬點。同時該方案保持浮筒甲板連續，立柱外板等豎向構件斷開。

圖2 立柱與浮筒典型連接節點位置Fig. 2 Location of typical connection between column and pontoon

3 疲勞載荷計算

3.1 總體模型的簡化疲勞載荷

半潛平臺在操作工況下，波浪引起動載荷是造成半潛平臺結構疲勞失效的主要原因。利用設計波法針對半潛平臺結構對波浪載荷響應特點的分析，基于南海波浪的長期分布特點，選取對結構產生最不利影響的波浪與浪向[7]。利用SESAM程序包中的WADAM模塊搜索該半潛平臺結構疲勞響應最嚴重的設計波。利用計算半潛平臺總體結構在不同設計波載荷下的響應，為節點局部分析提供邊界載荷。考慮結構的對稱性，只選擇0°到180°內的波浪，波浪要素如表1所示。

表1 某半潛平臺針對南海海況校核疲勞強度的設計波列表 0°到180°Tab. 1 Design wave list based on South China Sea state of a semi-submersible and headings between 0° to 180°

4 計算模型與邊界條件

4.1 計算模型

模型范圍為截取四分之一的立柱與浮筒，節點位置附近網格大小采用t×t(t為板厚)，最大網格為350 mm×350 mm，如圖4與圖5所示，楊氏模量為2.06 GPa，泊松比0.3，材料為屈服強度355 MPa的高強度鋼。

圖4 連接節點結構形式一有限元模型網格Fig. 4 Meshes of type 1 connection

圖5 連接節點結構形式二有限元模型網格Fig. 5 Meshes of type 2 connection

4.2 邊界條件與載荷

邊界條件通過子模型技術，將平臺總體結構的變形或者位移邊界，通過節點對節點，同時依據單元自身形狀函數做為插值函數，將總體模型變形合理地匹配到局部模型的邊界處。邊界條件通過SESAM軟件的SUBMOD模塊，將總體結構位移結果轉化為局部分析模型的邊界，作為位移載荷。同時考慮局部海水波浪的動壓力與整體模型運動產生的慣性力。

5 結果與分析

5.1 計算結果

從應力結果可以清晰看出(如表2所示)，方案一中立柱中縱艙壁與浮筒中縱艙壁連接位置出現高應力區，并且高應力區沿著立柱與浮筒甲板焊縫方向以立柱中縱艙壁為起點向兩側擴散，如圖6所示。方案二高應力區出現在肘板的自由邊，且肘板自由邊的應力峰值小于方案一中硬點處應力峰值。肘板根部沒有出現高應力點，如圖7所示。

表2 不同方案主應力峰值大小和出現位置Tab. 2 Peak stress location of different connection types

圖6 最大主應力分布云圖-方案一(無肘板方案)Fig. 6 Max principal stress plot of connection type 1 (without bracket)

圖7 最大主應力分布云圖-方案二(加肘板方案)Fig. 7 Max principal stress plot of connection type 2 (with bracket)

5.2 應力結果分析

方案一產生應力集中的原因：立柱的中縱艙壁的縱向尺度與整個立柱縱向尺度相同，所以立柱縱向抗彎剛度主要由縱向外板和中縱艙壁組成。在中縱艙壁位置和立柱外板與浮筒連接的節點位置為剛度突變點，當立柱與浮筒發生相對變形時，會產生應力集中。因此，應力分布云圖中，在中縱艙壁與浮筒連接節點位置會出現高應力區。針對結構剛度分布特點，方案二在縱艙壁處設置肘板，降低該點的應力集中程度。從方案二應力分布云圖中可以看出，在中縱艙壁處安裝肘板，對降低該點的應力集中程度起到關鍵作用。

圖8 方案二主應力方向分布圖(圖中帶箭頭方向為主應力方向)Fig. 8 Direction plot of max princiapl stress ( principal stress direction along the arrowhead)

6 疲勞壽命分析

兩種方案節點形式的關鍵焊縫位置疲勞壽命評估結果，如表3和表 4所示。從疲勞計算結果可知，方案二節點位置的疲勞壽命大約為方案一的40倍，方案一節點位置疲勞壽命小于一年。結合DNV規范提供的疲勞失效概率數據， 若采用方案一，平臺總體結構一年內發生結構失效的概率高達60%[8]，見表5。故，立柱與浮筒中縱艙壁連接節點也應作為設計的關鍵節點，應避免節點應力集中，保證節點的疲勞壽命。

此外，兩種方案中立柱外板和浮筒甲板連續性的布置不同，如圖9。T型焊接節點疲勞特性為，連續構件疲勞壽命大約是斷開構件的1.5倍。此外，在波浪載荷的作用下，浮筒以立柱為支點，發生中拱和中垂以及扭轉等變形，文中所述節點位于浮筒梁上表面的支點位置，無論中拱中垂其將在浮筒甲板處產生的拉應力；立柱外板主要傳遞平臺慣性載荷，其主要承受壓應力。因此保證浮筒甲板的連續性，可以有效提高該節點疲勞強度。從結構設計角度，該區域應力水平很高，板厚設計往往相對較厚，在設計時候應該避免板厚方向存在較大拉應力，這樣能夠避免沿板厚方向發生層狀撕裂，也可以避免Z向鋼的用量，所以保持浮筒連續一般為首選。

圖9 連接點處艙壁連續性方案示意Fig. 9 Sketch of structure continuous design of bulkhead

方案節點關鍵焊縫SN曲線選取[8]熱點處應力幅值/MPa許用應力幅值/MPa平均應力/MPaGOODMAN應力修正/MPaGERBER應力修正/MPa預估疲勞壽命/aGOODMAN修正后壽命/aGERBER修正后壽命/a加肘板節點方案肘板與立柱外板焊縫肘板與浮筒甲板焊縫肘板自由邊立柱外板與浮筒甲板焊縫D9612111117.25120.8844.9640.27044.80D10212111117.25120.8836.3632.57136.24C15516911163.76168.8327.124.24526.97E2610811104.65107.892921.52616.742911.69F26961193.0295.901934.51732.711928.02無肘板節點方案立柱外板與浮筒甲板焊縫E12610816103.13107.7811.669.9211.57F126961691.6795.807.7216.577.66

表4 節點處外表面疲勞壽命評估Tab. 4 Fatigue life of connection outside surface

表5 不同方案節點失效概率以及對平臺整體可靠性影響的比較Tab. 5 Comparison of whole semi-submersible units structure reliability of different connections

7 結 語

重點研究了當前主流設計中兩種不同立柱與浮筒中縱艙壁連接節點方案的應力分布和疲勞壽命問題。可以得到如下結論：

1) 立柱與浮筒中縱艙壁處連接節點疲勞失效將直接導致整個平臺結構無法正常工作，在設計中要將其作為關鍵節點來處理。方案一中節點結構存在明顯的剛度突變，在承受彎矩或剪力的節點位置，避免使用方案一這種節點方案。

2) 在立柱與浮筒中縱艙壁位置的連接節點安裝肘板，能夠成功地消除由于剛度突變造成的應力集中，提高節點結構疲勞壽命。此外，通過分析主應力方向的分布可知，改變剛度分配，是改變應力傳遞路徑和調整主應力方向與敏感焊縫之間位置關系的有效手段。

3) 合理布置T型節點處構件的連續性，保持強力構件的連續是一種提高疲勞強度的有效辦法。

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Fatigue life analysis on different detailed connections types at the middle intersection between column and pontoon of semi-submersible units

FU Qiang， WANG Hongqing, ZHANG Guodong, SUN Liqiang, LI Dejiang, LI Lei

(CIMC-Raffles, Yantai 264000, China)

1005-9865(2016)04-0085-08

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.012

2015-09-30

傅 強(1978-)，男，山西人，工程師，從事海洋工程總體及結構方向研究。E-mail：qiang.fu@cimc-raffles.com