极端海洋环境对海洋平台疲劳寿命的影响

黄维平，刘 超

(中国海洋大学山东省海洋工程重点试验室，山东青岛 266100)

极端海洋环境对海洋平台疲劳寿命的影响

黄维平，刘 超

(中国海洋大学山东省海洋工程重点试验室，山东青岛 266100)

基于渤海和南海的海洋平台设计环境条件，分析了近年来我国近海极端海洋环境条件的发生规律及其对海洋平台疲劳设计条件的冲击。采用Miner’s线性累积疲劳损伤准则和疲劳可靠性理论，研究了极端海况引起的疲劳损伤对海洋平台疲劳寿命的影响，提出了考虑极端海洋环境条件的海洋平台疲劳设计方法。研究表明，由于近年来全球气候变换带来的极端气象条件频发，导致海洋工程结构经历传统意义上的多年一遇海洋环境条件的概率大大增加，使得现行的海洋平台疲劳设计条件偏离了实际的海洋环境条件。数值算例表明，极端海况引起的疲劳损伤在总的疲劳损伤的比例大大增加，甚至成为疲劳损伤的主要部分。因此，这些极端海况引起的疲劳损伤对结构疲劳寿命的影响不容忽略，考虑极端海洋环境条件的海洋平台疲劳设计符合近年来的灾害性海况频发的现状。

海洋平台;疲劳损伤;疲劳寿命;疲劳设计;极端海况

近年来，全球灾害性气象条件频发，传统意义上的多年一遇极端环境条件发生频度剧增，地震、海啸、山体滑坡和泥石流等具有毁灭性的自然灾害对人类和世界经济造成了巨大的损失。据国家海洋局的统计，自1989年以来的22年间，我国有统计数据的海洋灾害直接经济损失每年达数十～数百亿元［1］。这些海洋灾害性环境条件中，海浪和海冰对海洋平台的安全造成严重的威胁。统计资料显示，我国4 m以上的灾害性海浪平均每年发生的天数为:渤海26天、东海123天、南海169天［2］。其发生概率远远超过了相应海域的疲劳设计条件(波浪散斑图)，它的直接影响是降低了海洋平台实际的疲劳设计安全系数。因此，降低了海洋平台的疲劳可靠性，应该引起业界的高度重视。

在新的设计环境标准尚未形成之时，为了确保海洋平台的安全服役，在进行海洋平台设计和评估时，应充分考虑极端环境条件变化对结构疲劳寿命的影响。基于渤海和南海现行的海洋平台设计环境条件，基于近年来的海洋环境统计数据，分析了灾害性海况频发对海洋平台疲劳设计条件的影响。采用Miner＇s线性累计损伤准则，研究了极端环境条件引起的疲劳损伤对海洋平台设计疲劳寿命的影响，提出了考虑极端环境条件的海洋平台疲劳设计方法。

1 极端环境条件的变化

1.1 渤海极端海况的统计数据

据国家海洋局的统计数据，渤海每年出现4 m(有效波高)以上灾害性海浪的天数平均为26天，其最大波高可达8 m。图1给出了1989年～2008年间，有数据年份的年度波高趋势。其中，有12个年份的最大波高达到了4 m，9个年份的最大波高达到了5 m，5个年份的最大波高达到了6 m，2007年发生了波高为8 m的狂涛。

现行的设计环境条件中，渤中某油田所在海域的50年一遇有效波高为4.4 m，100年一遇为4.6 m，且设计波浪散斑图中，大于4 m有效波高的发生概率为零;锦州一油田所在海域的50年一遇有效波高为3.4 m，100年一遇为3.6 m，波浪散斑图中，大于4.0 m有效波高的发生概率为零;另一锦州油田所在海域的50年一遇有效波高为4.7 m，100年一遇为5.1 m;南堡某油田所在海域的50年一遇有效波高为3.3 m，100年一遇为3.5 m。

上述数据表明，现行设计标准的50年一遇或100年一遇的波浪几乎每年都会发生，且发生概率远远大于疲劳设计所采用的疲劳散斑图标准。如果仅仅按照波浪散斑图进行疲劳设计，那么，极端海况引起的疲劳损伤就会被忽略，从而降低了海洋平台实际的疲劳安全系数，导致结构疲劳可靠性降低。

1.2 南海极端海况的统计数据

据国家海洋局的统计数据，南海每年出现4 m(有效波高)以上灾害性海浪的天数平均为169天，其最大波高可达14 m。图2给出了1989年～2010年的灾害性海浪年度波高趋势。其中，有12个年份的浪高大于8 m，占19个有数据年份的63%;最大波高大于9 m的年份有9个，占47%;大于12 m的有5个，占26%。1989年有3次台风(“8908”、“8925”和“8929”)过程形成了8 m以上的狂浪，其中“8908”号台风浪的最大波高达10 m，持续时间长达5天。1995年～1998年连续发生了6次波高大于8 m的狂浪或狂涛，其中，1995年和1996年连续两年的最大波高为12 m。2003年～2008年连续发生了18次波高大于8 m的狂浪或狂涛，其中，波高大于9 m的狂涛12次，大于12 m的4次，2006年发生的3次12 m狂涛一共持续了17天。

图1 渤海灾害海浪波高年度趋势Fig.1 Happening trends of extreme wave in Bohai sea

图2 南海灾害海浪波高年度趋势Fig.2 Happening trends of extreme wave in South China Sea

现行的设计环境条件中，涠州某油田所在海域的50年一遇有效波高为8.2 m，100年一遇为8.8 m，且设计波浪散斑图中，大于4 m的发生概率仅为0.012%，大于5 m有效波高的发生概率为零;某深水油气田所在海域的50年一遇有效波高为12 m，100年一遇为13 m，波浪散斑图中，大于4 m的发生概率为7.08%，大于9 m有效波高的发生概率为零。这表明，现行标准的50年或100年一遇波浪已经频繁发生，其发生概率已远远超过了波浪散斑图的标准。因此，由此引起的疲劳损伤不应被忽略。

由此看来，不论是渤海还是南海，由于气候变化而导致的极端海况频发已经改变了疲劳设计的环境条件。因此，海洋平台的疲劳设计及寿命预测必须考虑气候变化对海洋平台环境荷载的影响。

2 极端环境条件的特点

2.1 发生频度高

极端荷载是指发生概率较小、但强度极大的环境荷载，通常这样的荷载不出现在波浪散斑图中，如50年一遇或100年一遇的浪流荷载。由于海洋平台的设计寿命一般为20年，因此，按照极端荷载的定义，服役期内极端荷载可能不会发生，即便发生，由于其发生概率与常年荷载相比非常小，它所引起的疲劳损伤对结构的疲劳损伤贡献较小，可以忽略。因此，现有的海洋平台疲劳寿命计算不考虑这样的“偶发”性荷载引起的疲劳损伤对疲劳寿命的影响。但是，海洋环境统计资料表明，近二十年来极端荷载的发生概率大大增加。南海1991～1996年每年的台风浪或冷空气浪的发生次数仅为3～4次，而2006～2010年的五年间，每年发生台风浪或冷空气浪的次数达到了7～9次，最高多达15次［3］。东海1992年～2003年每年的台风浪或冷空气浪的发生次数仅为1～2次，而2004年～2010年每年的大风浪或台风浪的发生次数达到了5～7次，最高多达13次。

图3和图4分别给出了南海和东海1989～2010年的22年间，大风浪和台风浪发生频度的变化趋势。从图中可以明显地看出，近年来我国南海和东海的大风浪或台风浪发生频度大幅度增加。

图3 南海台风浪发生次数年度趋势Fig.3 The trend of annual typhoon waves in South China Sea

图4 东海台风浪发生次数年度趋势Fig.4 The trend of annual typhoon waves in East China Sea

2.2 持续时间长

灾害性海浪持续时间长是极端环境条件变化的另一个特点:2003年，台风“伊布都”造成4 m以上的巨浪达6天［4］。2004年8月21～26日，受台风“艾利”的影响，南海和东海均发生4～10 m的台风浪，持续时间长达6天［5］。2005年9月8～12日受台风“卡努”的影响，东海发生了8～12 m波高的台风浪;9月23～27日，台风“达维”在南海掀起了6～10 m的台风浪。两次台风浪均持续了5天［6］。2006年5月13～18日和10月29～11月4日，受台风“珍珠”和“西马仑”的影响，南海中部和北部形成了12m的台风浪，持续时间分别为6天和7天［7］。2007年8月3～9日的“0706”号和10月2～8日的“罗莎”台风分别在南海和东海形成了4～5 m和7～8 m台风浪，台风浪持续了7天。国家海洋局9号浮标测到的台风“万宜”、“韦帕”和“百合”形成的台风浪波高分别为8.1、9.5和6.2m，总的持续时间达到了7天;18号浮标测到的台风“圣帕”、“韦帕”和“0303”强温带气旋形成的海浪最大波高分别为7.6、12.1和7.5 m，总的持续时间达到了9天［8］。2008年1月11～19日的“080111”和11月6～14日的“080106”两次冷空气浪影响了全国11个沿海省的所有海域，灾害性海浪过程均持续了9天［3］。2009年1月4～12日和10月29～11月5日的两次冷空气浪过程分别影响了南海、渤海和东海，灾害性海浪过程分别持续了9天和8天［9］。2010年10月2～10日的冷空气浪影响了南海海域，灾害性海浪过程持续了9天［1］。图5给出了灾害性海浪持续时间的变化趋势。

3 考虑极端海况的疲劳设计

现行的海洋平台设计方法中，疲劳设计的依据是疲劳散斑图，即不同波高、不同波向的波浪每年的发生概率。因此，多年一遇荷载通常不出现在波浪散斑图中。如渤海某油田所在海域的50年一遇波高为4.4 m，波浪散斑图中大于4 m波高的发生概率为零。而近二十年来，渤海所有海域平均每年发生4 m以上巨浪26天，一次巨浪过程持续时间最长的达9天，其发生概率达2.5%。由此看来，现行设计条件中的多年一遇海况引起的疲劳损伤应该累积到总的疲劳损伤中。

根据上述分析，基于Miner＇s现行累积损伤准则提出了考虑极端环境荷载的疲劳设计方法:

式中:Da、Tf和fa分别为依据波浪散斑图或长期荷载计算得到的疲劳损伤率(1/年)、海洋平台设计寿命(年)和长期荷载的疲劳设计安全系数;Di、Ti和fi分别为基于第i个极端海况计算得到的疲劳损伤率(1/天)、第i个极端海况的持续时间(天)和极端海况的设计疲劳安全系数。

Miner提出线性累积损伤理论时就已经注意到，结构发生疲劳破坏时的累积损伤度并不准确地等于1，他的两次试验结果分别为0.61≤Δ≤1.45和0.7≤Δ≤2.2［10］。因此，如果考虑结构疲劳破坏时累积损伤度的不确定性或变异性，即D=Δ≠1，则式(1)可表示为:

图5 灾害性海浪持续时间年度趋势Fig.5 The trend of extreme wave＇s duration in one time

式中:Δ为一随机变量，海洋工程结构疲劳寿命计算时，可设Δ为对数正态分布随即变量，并取中值和变异系数分别为 1.0 和 0.30［10］。

由式(1)可得海洋平台的设计疲劳寿命为:

式中:Tf为海洋平台的设计疲劳寿命(年)。

式(1)的极端海况可根据统计数据分为若干个不同的等级，包括海冰等极端海洋环境。因此，式中的疲劳设计安全系数可以是相同的，也可以是不同的。如果按照荷载抗力系数法(LRFD)，不同的荷载具有不同的设计荷载系数，即考虑不同荷载的不确定性差异。因此，不同的荷载应采用不同的设计疲劳安全系数。而按照工作应力法(WSD)，则所有荷载具有相同的设计荷载系数，因此，不同荷载可采用相同的安全系数。这样，式(1)可表示为:

式中:η为疲劳利用系数，η=1/f。

4 数值算例

4.1 计算模型及参数

渤海某导管架平台的设计水深6.4 m，50年一遇设计高水位的最大波高为4.39 m，100年一遇为4.59 m。该平台的上部组块共有5层甲板，其中下面三层为主作业甲板。图6为该平台的ANSYS模型，其中，桩土相互作用采用泥线下8倍桩径来模拟，上部甲板的工字梁用Beam188单元模拟，导管架结构位于泥面以上的部分用Pipe59单元模拟，位于泥面以下的导管架结构以及桩腿结构用Pipe16单元模拟，甲板上部的设备重量用Mass21集中质量单元模拟。

疲劳损伤采用热点应力计算，热点应力的确定可以通过有限元方法或参数公式法，国内外的学者采用上述方法对各种类型管节点的应力集中系数进行了比较详实的研究［11-14］。ANSYS软件提供的实体单元可有效地模拟主管与支管的连接处的截面形状，但是由于这些单元在模拟波浪力等方面有所欠缺以及管节点附近单元细化引起的计算量的增加，而SACS软件虽然提供了KAW，DNV等方法用于计算应力集中系数对管节点疲劳寿命的影响，但是对于一些特殊管节点，其结果与实际情况不符［14］。因此，在确定热点应力时采用参数公式法［15］，即先通过ANSYS软件计算出构件的名义应力，然后根据参数公式，确定某管节点的应力集中系数，由名义应力与应力集中系数相乘得出管节点附近的热点应力。应力循环次数采用雨流计数法计算，疲劳损伤率采用Miner＇s线性累积损伤准则计算，其中的S-N曲线选用API RP 2A推荐的X曲线，随机变量的中值取1。

4.2 计算结果及分析

图7给出了节点1和节点2(见图6)的疲劳损伤中长期海况和极端海况引起的疲劳损伤所占比例。从图中可以看出，50年一遇波浪荷载引起的疲劳损伤在浪致疲劳损伤中所占比例，节点1为12%;节点2为17%。

图8给出了极端海况对导管架管节点的疲劳损伤率及疲劳寿命的影响，分析可知，考虑极端荷载后，节点1的疲劳损伤率和疲劳寿命分别增大了10.5%和降低了10.2%;节点2分别增大了27.4%和降低了17.6%。

图6 平台有限元模型Fig.6 Model of platform

图7 极端海况引起的疲劳损伤比例Fig.7 The proportion of the fatigue damages induced by extreme sea states

图8 极端海况对疲劳损伤/疲劳寿命的影响Fig.8 The effects of the fatigue damages induced by extreme sea states on the fatigue life

上述1年一遇波浪的疲劳损伤是按年发生概率为1计算的，如果按波浪散斑图计算，则50年一遇波浪引起的疲劳损伤所占比例还将增大。由此可见，极端海况引起的疲劳损伤是不容忽视的。

5 结语

近年来，由于全球气候变暖，自然灾害频发，传统意义上的极端海况发生频率大大增加。分析了近20年的海洋灾害数据，得到了极端海浪(50年一遇或100年一遇)的发生频度和持续时间变化趋势，并与渤海和南海几个海域的现行疲劳设计用波浪散斑图进行了比较。结果表明，高于波浪散斑图的50年一遇或100年一遇极端海浪近10年来几乎每年都会发生，甚至一年发生数次，且持续时间较长。而目前的海洋平台疲劳设计仍沿用传统的波浪散斑图，这将导致海洋平台的结构疲劳设计安全系数降低。因此，使结构的疲劳设计偏于不安全。通过对渤海某平台的疲劳分析，定量地研究了50年一遇海浪对海洋平台疲劳损伤的影响，证明了极端海况引起的海洋平台结构疲劳损伤在结构总的疲劳损伤中占有较大的比例。提出了考虑极端环境荷载的海洋平台结构疲劳设计方法，并建议在未来的研究和工程中开展更深入地研究，为海洋平台疲劳设计提供依据和参考。

［1］国家海洋局.2010年中国海洋灾害公报［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2011-04-22.

［2］国家海洋局.1998年中国海洋灾害公报［DB/OL］.www.soa.gov.cn，1998-11-26.

［3］国家海洋局.2008年中国海洋灾害公报［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2009-03-12.

［4］国家海洋局.2003年中国海洋灾害公报［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2004-01-26.

［5］国家海洋局.2004年中国海洋灾害公报［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2005-01-26.

［6］国家海洋局.2005年中国海洋灾害公报［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2005-09-26.

［7］国家海洋局.2006年中国海洋灾害公报［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2006-11-26.

［8］国家海洋局.2007年中国海洋灾害公报［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2008-01-03.

［9］国家海洋局.2009年中国海洋灾害公报［DB/OL］.www.soa.gov.cn，2010-03-05.

［10］胡毓仁，李典庆，陈伯真.船舶与海洋工程结构疲劳可靠性分析［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2010.

［11］陈团国，陈国明.T型焊接管节点应力集中系数数值分析［J］.焊接学报，2010，31(11):45-48.

［12］石卫华，钟新谷，余志武.轴向荷载作用下K型管节点应力集中系数研究［J］.工程力学，2010，27(S1):48-52.

［13］杨 铮，金伟良.Y型管节点应力集中系数有限元分析［J］.中国海洋平台，2004，19(4):17-21.

［14］邓和霞，张益公，石永敏，等.K型管节点应力集中系数计算方法适用性探讨［J］.中国海上油气，2007，19(5):357-360.

［15］柳春图，王维明，丁克勤.海上固定式导管架平台疲劳寿命评估及程序系统［J］.计算力学学报，1997，14(3):342-346.

Study on the method of the fatigue design of offshore platforms considering extreme sea states

HUANG Wei-ping，LIU Chao
(Shandong Key Laboratory of Offshore Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

Based on the design data for the offshore platforms to serve in Bohai bay and South China Sea，the trends of extreme sea states in China offshore and its impact on the fatigue design conditions of offshore platforms have been analyzed.The effect of the fatigue damage induced by extreme sea states on the fatigue life of offshore platforms has been studied based on the Miner’s linear cumulation rule of fatigue damage and the theory of fatigue reliability.The results show that the probability of offshore platforms experiencing years-return sea states has risen largely because the extreme weather happens frequently due to the global warming and it makes the current conditions for the fatigue design of offshore platforms less reasonable.The numerical example shows that the proportion of the fatigue damages induced by extreme sea states to total fatigue damages rises sharply with the extreme sea states happening frequently，even being main fatigue damage.Therefore，the effect of the fatigue damages induced by extreme sea states on the fatigue life of offshore platforms should not be neglected.The fatigue design of offshore platforms considering extreme sea states is in accordance with the changing trend of environmental conditions in recent years.

offshore platform;fatigue damage;fatigue life;fatigue design;extreme sea state

P751

A

1005-9865(2012)03-0125-06

2011-10-11

国家自然科学基金资助项目(51079136;51179179)

黄维平(1954-)，男，浙江人，教授，主要从事海洋工程结构设计研发。E-mail:wphuang@ouc.edu.cn