某深水半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵連接部位疲勞分析

項(xiàng) 凱

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 廊坊 065201)

深海中蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣等資源，隨著海洋工程設(shè)計(jì)建造能力的提升，海洋油氣開發(fā)向深遠(yuǎn)海發(fā)展成為可能，半潛式鉆井平臺(tái)具有甲板面積大、工作水深適用范圍廣、在風(fēng)浪環(huán)境中運(yùn)動(dòng)性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在超深海域、難度極高的海底鉆井工作中具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但其在海上運(yùn)行期間受到風(fēng)、浪、流和冰等多種復(fù)雜環(huán)境荷載的長(zhǎng)期作用，極易發(fā)生疲勞破壞，目前，對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行的疲勞分析主要集中在波浪疲勞方面[1]。對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析，不僅要對(duì)總體強(qiáng)度進(jìn)行把握，還要對(duì)一些可能發(fā)生疲勞損壞的關(guān)鍵部位進(jìn)行深入分析，以確保平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。立柱與甲板連接處、浮箱與立柱連接處都是半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域之一，該結(jié)構(gòu)承受交變的總體載荷導(dǎo)致嚴(yán)重的疲勞問題，因此疲勞強(qiáng)度是這些關(guān)鍵連接部位的設(shè)計(jì)控制因素，關(guān)鍵連接部位的疲勞設(shè)計(jì)直接決定了局部節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜海況下維持完好的能力進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)承受載荷的極限能力和使用壽命[2]。其半潛式鉆井平臺(tái)是根據(jù)美國(guó)船級(jí)社(ABS)[3]規(guī)范設(shè)計(jì)的半潛式鉆井，可在近海水深達(dá)2 400 m的中等環(huán)境下作業(yè)，該平臺(tái)浮箱-立柱關(guān)鍵連接處及立柱-甲板關(guān)鍵連接處極易發(fā)生破壞，因此對(duì)其進(jìn)行疲勞分析。

1 平臺(tái)概況

該半潛式鉆井平臺(tái)實(shí)物圖如圖1所示，是一個(gè)四柱半潛式鉆井平臺(tái)，由2個(gè)深的下層船形浮箱、4個(gè)圓角方形立柱和箱形上層甲板組成。2個(gè)較低的船形浮箱具有圓角和矩形橫截面，整體形狀呈流線型。浮箱內(nèi)部采用若干個(gè)縱向隔艙和橫向隔艙加固，除推進(jìn)器基礎(chǔ)區(qū)域外，每個(gè)浮箱內(nèi)都有一個(gè)中線艙壁，為整體平臺(tái)提供浮力。立柱結(jié)構(gòu)，即橫縱向艙壁和外側(cè)柱殼板，從浮箱的底部一直延伸到上層甲板，起到支撐上層平臺(tái)和增加平臺(tái)穩(wěn)定性的作用。上部甲板用于布置鉆井機(jī)械和平臺(tái)操作設(shè)備等，在其底甲板和箱形結(jié)構(gòu)頂部甲板之間有一個(gè)雙層底部部分。該鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，載重量大，可承載高達(dá)6 000多噸的可變甲板荷載[4]。該平臺(tái)是為某國(guó)海域的作業(yè)設(shè)計(jì)的，采用該國(guó)波浪散布圖(省略)進(jìn)行疲勞分析。

圖1 半潛式鉆井平臺(tái)實(shí)物圖

2 疲勞分析的譜分析法

譜分析法是海洋平臺(tái)疲勞分析較為常用的方法，主要是根據(jù)波浪荷載得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)譜，并考慮厚度校正因子和波浪擴(kuò)散的影響，結(jié)合S-N曲線和損傷計(jì)算理論來估計(jì)疲勞壽命。

2.1 疲勞壽命評(píng)估的S-N曲線

S-N曲線為應(yīng)力幅與疲勞循環(huán)次數(shù)之間的量化曲線，是表示應(yīng)力循環(huán)作用次數(shù)N與應(yīng)力幅或最大應(yīng)力Smax關(guān)系的曲線，用于特定類型結(jié)構(gòu)細(xì)部的疲勞評(píng)價(jià)[5]。焊接接頭的疲勞強(qiáng)度在某種程度上取決于材料的厚度，隨著厚度的增加疲勞強(qiáng)度降低，不超過16 mm的非節(jié)接頭采用B-G類S-N曲線。海水中陰極保護(hù)下非管狀鋼結(jié)構(gòu)的S-N曲線可以采用B曲線和F曲線，本分析中未考慮應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)，因?yàn)榛趖×t的網(wǎng)格單元尺寸進(jìn)行分析，包括幾何應(yīng)力集中。根據(jù)DNV規(guī)范，S-N曲線的計(jì)算公式為：

(1)

計(jì)算使用的海水中具有陰極保護(hù)作用的非管狀結(jié)構(gòu)的S-N曲線如圖2所示，F(xiàn)曲線和B曲線用于支架結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估。

圖2 海水中具有陰極保護(hù)作用的非管狀結(jié)構(gòu)的S-N曲線

2.2 疲勞壽命計(jì)算方法

1)利用ANSYS分析結(jié)果建立應(yīng)力傳遞函數(shù)。

2)通過對(duì)ANSYS模型中使用的不同波高進(jìn)行插值分析，得到了一種新的應(yīng)力傳遞函數(shù)來計(jì)算波浪的擴(kuò)散。

3)波浪譜采用Pierson-Moskowitz不規(guī)則波浪譜(P-M譜)[6]，該譜適用于完全發(fā)展的海況，與該平臺(tái)作業(yè)環(huán)境相符。譜密度函數(shù)計(jì)算見式(2):

(2)

式中，Sηη(f)為波浪譜，Hs為有義波高，Tz為譜峰周期，f為波浪頻率。

4)利用有限元方法計(jì)算應(yīng)力響應(yīng)譜Sσσ(f)：

(3)

式中，T(f)為結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的傳遞函數(shù)。

5)計(jì)算應(yīng)力響應(yīng)譜的n階譜矩mn：

(4)

6)將譜矩求和轉(zhuǎn)換為與之匹配的波浪散射譜矩圖M0：

(5)

式中，Hws為波浪散射后的特征波高，m0為0階應(yīng)力譜矩。

7)最終得到與散布圖相關(guān)的應(yīng)力幅譜ΔS，參考板厚為25 mm。

(6)

8)由頻譜計(jì)算得到應(yīng)力響應(yīng)的有效頻率fe：

(7)

式中，m2為2階應(yīng)力譜矩。

9)利用以下公式計(jì)算雙線性S-N曲線的累積疲勞損傷值[7]。記錄下每個(gè)項(xiàng)目的疲勞損傷值，然后用適當(dāng)?shù)恼急冗M(jìn)行匯總，以得出一個(gè)總體累計(jì)疲勞損傷估計(jì)值，疲勞壽命是累積損傷值的倒數(shù)[8]：

(8)

(9)

式中,di為每個(gè)波向下的疲勞損傷值，NL為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，A、C為S-N曲線的參數(shù)，S為應(yīng)力幅值，g(S)為應(yīng)力范圍的概率密度函數(shù)，D為累積疲勞損傷值，j為波向的個(gè)數(shù)，i為第i個(gè)波向，pd，i為某一波向發(fā)生的概率，ps為該海況發(fā)生的概率。

3 模型建立

3.1 平臺(tái)整體模型

首先建立坐標(biāo)系，模型的坐標(biāo)系定義如下：坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于平臺(tái)中心基線上的浮箱龍骨處，x正向從浮箱尾部向前沿著中心線，y正向在橫方向從右舷到左舷，z正向向上。

圖3 半潛式鉆井平臺(tái)模型示意圖

采用ANSYS建立整體有限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格狀模型導(dǎo)入AQWA，利用AQWA進(jìn)行了水動(dòng)力學(xué)分析，將計(jì)算的波浪壓力和加速度應(yīng)用于該模型，半潛式鉆井平臺(tái)模型示意圖如圖3所示，計(jì)算每個(gè)單元上的壓力荷載，生成用于此分析的應(yīng)變。從整體強(qiáng)度模型將應(yīng)變映射到疲勞分析子模型的切割邊界上。對(duì)于來自AQWA的波和加速度映射，將所施加的荷載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，邊界條件設(shè)為彈性約束。

在平臺(tái)吃水16.75 m時(shí)，總質(zhì)量為36 650 t，運(yùn)行狀態(tài)下的質(zhì)量分布如表3所示。

表3 運(yùn)行狀態(tài)下的質(zhì)量分布

有限元模型的質(zhì)心位置為：X=0 m，Y=0 m，Z=19.76 m，質(zhì)心的質(zhì)量慣性矩為：X= 0.278 21×1011N·m，Y= 0.235 30×1011N·m，Z=0.341 51×1011N·m。將共104種不同質(zhì)量應(yīng)用到整體有限元模型中，以實(shí)現(xiàn)半潛式鉆井平臺(tái)的實(shí)際慣性。

3.2 浮箱-立柱子模型

原有的整體強(qiáng)度分析模型不包括浮箱-立柱支架，為了確定其疲勞壽命，利用ANSYS內(nèi)置的子建模技術(shù)，整體模型中的浮箱-立柱關(guān)鍵連接部位示意圖如圖4所示，浮箱中心線內(nèi)側(cè)浮箱-立柱的縱向連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖4 整體模型中的浮箱-立柱關(guān)鍵連接部位示意圖

圖5 浮箱中心線內(nèi)側(cè)浮箱-立柱的縱向連接結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于疲勞評(píng)估，在該浮箱中心線內(nèi)側(cè)浮箱-立柱的縱向連接結(jié)構(gòu)上有3個(gè)位置需要重點(diǎn)關(guān)注:浮箱上的支架趾(區(qū)域1)、支架邊緣(區(qū)域2)、立柱上的支架趾(區(qū)域3)。

對(duì)于區(qū)域1和區(qū)域3，基于ABS海上結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估指南，選用了該指南中的F曲線[2]。該區(qū)域是具有全滲透焊接的扣套附件末端，此外，為確保焊縫過渡平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)需經(jīng)過打磨或加工處理。

對(duì)于區(qū)域2，基于ABS海上結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估指南，選用了該指南中的B曲線[2]。支架的自由邊緣經(jīng)過火焰切割和加工處理，已清除所有可見的拖拽痕跡。

3.3 加載方式

本分析只考慮了動(dòng)態(tài)荷載，使用AQWA計(jì)算加速度和水動(dòng)力壓力，其他環(huán)境荷載，如風(fēng)、流等作用效果不明顯，忽略不計(jì)，且忽略系泊裝置和立架對(duì)剛度的影響。作用波浪的傳播方向在90°～270°范圍內(nèi)，橫跨船首，增量為15°，設(shè)計(jì)波浪向示意圖如圖6所示[8]。

圖6 設(shè)計(jì)波浪向示意圖

所有波高均為1 m，并根據(jù)結(jié)構(gòu)損壞程度實(shí)時(shí)調(diào)整至適當(dāng)?shù)母叨取Ｃ總€(gè)波向考慮28個(gè)波周期(從4 s到30 s，4～15 s每個(gè)波浪周期為0.5 s，15～16 s每個(gè)波浪周期為1 s，16～20 s每個(gè)波浪周期為2 s，20～30 s每個(gè)波浪周期為5 s)以及0°和90°的相位角。將每種作用波浪作為基本加載條件，采用0°和90°的相位角，無靜水壓力。

4 疲勞壽命分析

4.1 浮箱-立柱連接處

根據(jù)所考慮的海洋狀態(tài)產(chǎn)生的主應(yīng)力范圍，使用適當(dāng)?shù)腟-N曲線中的B和F曲線，對(duì)約1 500個(gè)單元的疲勞壽命進(jìn)行了篩選[8]。采用S-N的B曲線評(píng)估火焰切割和加工邊緣的疲勞壽命，采用S-N的F曲線評(píng)估支架趾的疲勞壽命，得到支架趾的疲勞壽命示意圖如圖7所示，支架邊緣的疲勞壽命示意圖如圖8所示。

圖7 支架趾的疲勞壽命示意圖

圖8 支架邊緣的疲勞壽命示意圖

從圖7可以看出，連接處的區(qū)域1和區(qū)域3的疲勞壽命均超過了50年，使用F曲線的區(qū)域2顯示出了較低的疲勞壽命，但在圖8中，當(dāng)使用了正確的S-N曲線——B曲線時(shí)，疲勞壽命再次超過50年。所以，當(dāng)使用適當(dāng)?shù)腟-N曲線時(shí)，支架趾和支架邊緣的所有單元的疲勞壽命都超過50年。

4.2 立柱-甲板連接處

另外，立柱與上部甲板的外側(cè)連接也是需要重點(diǎn)關(guān)注的，它往往會(huì)在甲板和彎曲立柱的交叉連接附近的電鍍層處發(fā)生開裂，因此又建立了該處的模型，并根據(jù)相似度對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行了建模，使其近似于該區(qū)域?qū)嶋H的焊接相似性，然后對(duì)該模型施加荷載得到連接處的應(yīng)力分布，立柱與上部甲板的連接處示意圖如圖9所示，圖9中方框部分為連接處。

圖9 立柱與上部甲板的連接處示意圖

立柱與上部甲板連接處的等效應(yīng)力示意圖如圖10所示。已產(chǎn)生的裂紋從電鍍層的外邊緣擴(kuò)散了約15 mm，即在圖10中橢圓圈中區(qū)域。可以看出，連接件內(nèi)的應(yīng)力路徑未移動(dòng)到鍍層的外邊緣，因此，裂縫很可能發(fā)生在焊接過程中，并且在連接的應(yīng)力區(qū)域之外，可以通過打磨或清除的方式消除結(jié)構(gòu)裂紋，或者打磨后焊接。

圖10 立柱與上部甲板連接處的等效應(yīng)力示意圖

5 結(jié)束語

基于海洋波浪數(shù)據(jù)，假設(shè)所有波浪發(fā)生的幾率相等，對(duì)某半潛式鉆井平臺(tái)上的立柱-浮箱支架連接處和立柱-甲板連接處進(jìn)行了譜疲勞分析。疲勞評(píng)估采用ABS規(guī)定的S-N曲線中的F和B曲線，并結(jié)合參考板厚度為22 mm。立柱-浮箱連接處的疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的20年疲勞壽命。打磨和加工所有疲勞關(guān)鍵連接處的支架趾，可使得其疲勞壽命增加2年，并確保該區(qū)域不會(huì)因焊接缺陷而進(jìn)一步開裂。在平臺(tái)上部甲板與立柱的外側(cè)連接處有過度焊接的跡象，存在層流撕裂，且撕裂只發(fā)生在板的外邊緣，分析結(jié)果未顯示貫穿板的橫向應(yīng)力，因此，裂縫區(qū)的部分可以通過局部打磨的方式修復(fù)缺陷，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該區(qū)域，以防止進(jìn)一步引發(fā)裂紋。