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）

隨著對于海洋環境保護的重視，世界各國紛紛出臺了相關的法律法規，要求對海上老舊、閑置的平臺進行拆解以保證對作業海域的海洋環境、通航和漁業生產減少影響。但拆除老舊、閑置的平臺并非獨立的任務，涉及到清除平臺周邊的管道連接、清油除污，以及將平臺和設備切割、吊運、遠洋運輸等海上作業。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中其綜合競爭力明顯優于現有起重船和生活平臺的組合作業模式，是未來海上拆解作業裝備的發展方向之一。

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吊機進行起重拆解作業。而重型吊機基座的主要支撐結構是主船體，吊機基座除了起重作業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構有可能發生疲勞破壞。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安全的重要前提。國內的企業和院校對海洋平臺上的吊機基座的疲勞問題進行了一系列研究。王欣等[1]對比了不同標準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，提出了精細有限元分析和譜疲勞分析相結合的疲勞計算方法。崔進等[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。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力范圍S與受到破壞時的應力循環次數N之間的關系來進行描述[5]。S-N 曲線由恒應力范圍S和交變應力循環次數N組成的數據對構成。曲線上任一點表示當恒定應力范圍S達到循環次數N時，該應力范圍S將導致材料疲勞破壞。而根據Palmgren-Miner 線性累積損傷理論（簡稱Miner 理論），結構在交變應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，假設在任一給定的應力水平下，累積損傷的速度與之前的載荷歷程無關，并且加載順序不影響疲勞壽命的計算值。當長期應力范圍分布可以表示成一個應力直方圖，并且每一個方塊應力范圍為常值Si，循環次數為ni時，則總疲勞累積損傷可表達為：

式中：D為結構的總疲勞累積損傷；k為應力分塊的數目；ni為第i個應力分塊中的應力循環次數；Ni則是在常值應力范圍Si作用下直到結構失效時的應力循環次數。

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

1.2 吊機工作載荷疲勞

吊機在進行起吊，回轉和卸貨作業時，將會在基座處引起較大的交變應力，從而產生疲勞損傷。根據美國石油協會（American Petroleum Institute,API）的API SPEC 2C《海上平臺起重機規范》[7]要求。吊機預期壽命期間，在沒有起吊載荷的預計頻率和大小的情況下，吊機每個關鍵結構應當設計成可承受吊機設計載荷至少25 000 次循環。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，疲勞載荷為吊機設計載荷，循環次數為25 000次。通過有限元模型計算得到吊機結構在工作載荷下最大的應力范圍，然后根據S-N 曲線就可求得吊機基座結構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構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的譜轉換。根據隨機過程理論，隨機交變應力過程可以通過應力譜來描述。而應力譜可以通過求解波浪譜頻率內的振幅響應算子得到。短期海況作用下結構的交變應力范圍服從瑞利分布，如式（2）所示。

式中：S為應力范圍；m0是應力譜譜面積。

從式（2）可見，短期海況作用下結構的應力范圍分布可以通過求解該海況作用下的應力譜譜矩m0得到。把短期時間段T內結構的疲勞累積損傷表達式，即式（1）寫成連續積分形式，表達式如下：

式中：NT是時間段T內結構交變應力的總循環次數；NS是交變應力范圍作用下結構發生疲勞破壞的循環次數；f(S)是交變應力范圍分布的概率密度函數。

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

結合式（2）、式（3）和式（4），即可得到短期海況作用下結構疲勞損傷的表達式：

式中：σX為交變應力過程的標準值，即σX=m0。

由于海洋結構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該采用波浪的長期分布。根據隨機理論，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構疲勞損傷可表達為：

式中：ns為可能出現的短期海況總數；nh為可能出現的浪向總數；Dij為海況i、浪向j作用下的短期海況下的結構疲勞損傷。

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，進而通過結構有限元分析得到結構的疲勞應力響應，然后根據海況資料計算得到應力響應譜及應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構在整個壽命期內的總疲勞損傷。

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Miner 理論，結構在不同載荷和時間歷程下的疲勞損傷可進行線性疊加。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行直接疊加即可得到在其設計預期壽命內的總疲勞累積損傷。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。目標平臺上沿船長方向在船首尾各布置有一臺2 200 t 全回轉吊機，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構的有限元模型。模型整體區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，扶強材等結構主要采用4 節點矩形板單元模擬，少數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。模型整體網格尺寸取為扶強材間距（網格尺寸為800 mm）。在此基礎上對基座及連接區域的網格進行了細化，網格尺寸為1/4 扶強材間距（網格尺寸為200 mm），對于疲勞敏感位置的肘板連接位置則進行了進一步的網格細化，網格尺寸為t×（t網格尺寸為板厚）。基座有限元模型如圖4 所示，共有90 197 個節點，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27 m 的縱艙壁和距主甲板11.4 m 的內底板）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 個熱點進行疲勞損傷計算，熱點位置見圖5 和圖6。

圖4 吊機基座結構有限元模型

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

圖7 表面外推法計算熱點應力

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 開發的海洋工程結構物疲勞評估程序（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行了計算。OSAP 軟件通過子模型技術從全船結構模型中提取疲勞載荷下的基座結構加速度和邊界位移施加到基座上進行分析求解得到基座的疲勞應力響應。然后根據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力范圍的長期分布，再根據S-N 曲線和線性累積損傷理論計算在設計壽命內的總波浪疲勞損傷。本實例中計算綜合考慮在3 個作業工況及4 個作業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果如表4。

表2 吊機工況與海域組合比例

表3 作業海域（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Miner 理論，結構的疲勞損傷可線性累積疊加。因此吊機基座在其設計預期壽命內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，最易發生疲勞破壞。而疲勞熱點6 處的波浪疲勞損傷比較嚴重，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構上。導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構疲勞的主要成分。

3 結論

本文針對半潛式起重拆解平臺的重型吊機基座結構，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，結果表明該吊機基座結構的疲勞壽命滿足規范要求。

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，可以發現大部分熱點的疲勞損傷都是以吊機工作載荷疲勞為主。目標平臺具有不對稱和無橫撐的結構特點，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重。所以，在半潛式起重拆解平臺吊機基座設計中，僅考慮吊機工作載荷疲勞的設計方法是不夠安全的。吊機基座在設計時應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的疲勞壽命，確保其在海上拆解作業中的安全可靠。