基于S-N曲线的深水半潜平台疲劳寿命分析

李增华，李良碧2,,陈明璐，嵇春艳,张 健

（1.江苏科技大学，江苏 镇江 212003；2.江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003）

基于S-N曲线的深水半潜平台疲劳寿命分析

李增华1，李良碧2,1,陈明璐1，嵇春艳1,张 健1

（1.江苏科技大学，江苏 镇江 212003；2.江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003）

深水半潜平台工作环境恶劣，造价成本高，为保证安全工作,有必要对其进行疲劳寿命分析。首先利用SESAM软件建立目标平台整体模型并分析总体结构响应。然后根据平台总体结构响应计算结果，选取立柱与横撑连接处、立柱外板与上甲板连接处两个关键节点，建立关键节点有限元模型，计算其热点应力。最后采用S-N曲线分析该平台在中国南海环境条件下的疲劳寿命。分析结果显示该平台疲劳寿命符合规范要求，但立柱与横撑连接处的疲劳寿命偏低，应加强日常检修和维护。

S-N曲线；深水半潜平台；疲劳寿命；有限元

随着人类社会对能源的需求越来越大，石油开发由浅海逐渐向深水海域发展，深海半潜式平台逐渐成为海洋平台的主导品种。作为海上石油资源开发的大型基础性设施，海洋平台是海上生产和生活的基地，其所处的环境极其复杂、恶劣。并且平台结构在海洋中长期承受着风、浪、流、冰及地震等多种环境因素的干扰，在长期恶劣环境和工作载荷影响下，交变应力会导致结构的损伤。并且在疲劳载荷的不断作用下，破坏范围会迅速扩展，可能很快导致整个结构的疲劳失效[1-4]。因此，为保证深水平台结构的安全，对平台进行疲劳寿命的研究是一项非常必要的工作。

目前海洋工程界应用疲劳分析法有S-N曲线、断裂力学法和疲劳可靠性分析方法。S-N曲线法做为传统的疲劳强度分析方法，已经相当成熟。S-N曲线较为成熟的分析方法包括简化分析方法，谱分析方法和确定性方法。Alexia Aubault[5]基于S-N曲线对某三立柱沉箱半潜式平台进行了疲劳寿命分析。谢文会[2]基于S-N曲线利用谱分析方法对某半潜式平台做了疲劳寿命分析。简化分析方法只是作为结构设计阶段用于筛选可能发生疲劳破坏危险点的快速疲劳分析手段。对于谱分析方法，目前只能采取直接计算结构在系列波作用下的应力响应得到节点的应力响应谱，工作量较大。确定性方法的基本思想是将波浪散布图中的每一个短期海况用确定性的波高和波频描述的规则波表示，确定性波浪条件下的波浪载荷作为疲劳载荷；而确定性方法计算较简单。这种方法被认为是谱分析方法的简化方法。

所以，本文基于S-N曲线，利用海洋工程疲劳分析中的确定性方法分析深水半潜式平台的疲劳寿命。

1 疲劳分析方法

本文对深水半潜式平台疲劳寿命的评估主要参考美国船级社（ABS）的《近海结构物疲劳评估规范》[6]。

1.1 热点应力定义

热点指结构中可能发生疲劳破坏的危险点，热点应力指结构中危险截面危险点的应力，是通过局部结构精细有限元模型的有限元分析得到，有限元模型在疲劳热点部位的有限元划分尺寸接近t×t（t为局部结构板的厚度）。根据距离疲劳热点部位t/2和3t/2处的参考应力并使用外推法得到疲劳点的热点应力，如图1所示。图中Snotch表示缺口应力；Shot表示热点应力；Shot-t/2表示t/2处参考应力；Shot-3t/2表示3t/2处参考应力；Snom表示名义应力。

图1 外推法计算热点应力[6]

1.2 基于S-N曲线的线性累积损伤方法

结构在交变应力作用下的疲劳损伤是一个累积的过程。通常认为交变应力的每一个循环都将造成一定的疲劳损伤，从而消耗掉一定量的结构寿命。在结构的使用期T内，若设应力范围水平共有 k 级，求出交变应力 σ1，σ2，σ3，…，σk，相应的作用次数为 n1，n2，n3，…，nk，在 S-N 疲劳设计曲线中根据求出的交变应力确定引起疲劳的相应的循环次数，分别为N1，N2，N3，…，Nk，于是载荷单独作用时对疲劳寿命的损伤程度将分别为 n1/N1，n2/N2，n3/N3，…，nk/Nk，线性累积损伤方法认为各种交变载荷作用过程中构件的损伤程度可以叠加。故总的累积疲劳损伤为：

式中：D为结构发生疲劳破坏时的总损伤量；Dj为在第j级应力范围σi的损伤分量。

当结构发生破坏时有：

式中：Di为各工况的疲劳损伤度；Pi为各工况出现概率。

根据每种荷载工况下热点应力幅值和1 a中各个工况所占的比例，算出各应力幅值对应的循环次数；根据S-N曲线，对所有的工况进行疲劳计算；最后将各疲劳工况下的损伤相累加，得到相应节点的疲劳寿命或损伤程度。热点处1 a内在各种工况作用下的疲劳损伤期望值为，再根据式（4）估算出平台热点处的疲劳寿命[7]。

2 深水半潜平台疲劳寿命分析

2.1 平台总体有限元模型建立

本文进行疲劳寿命分析的平台是一双下浮体、四立柱、每两根立柱之间具有两根水平横向撑杆的深水半潜式平台。该平台长为114 m,宽为74.4 m，型深38.6 m，设计作业水深3 000 m。

有限元模型由板单元、梁单元及质量元组成，包括平台主要结构，舱壁及梁等主要构件。图2和图3为该平台的有限元模型。

2.2 平台疲劳载荷分析

半潜式平台受到的水动力载荷主要有3种：拖曳力、惯性力和衍射力，在平台的生命周期中，风暴自存状态的时间极短，所以在进行疲劳分析时，取工作状态的环境条件。由于平均应力相对较小，对疲劳损伤的影响可以忽略。在半潜式海洋平台受到的各种环境载荷中，只有波浪载荷会产生明显的循环应力，其它载荷产生的应力在疲劳分析中暂不考虑[3]。设目标平台服役海域为中国南海海域，根据长期统计资料，此海域波高0～4 m,周期5～10 s的波浪出现的概率较高，约为89%。波高5～9 m，周期5～10 s的波浪出现的概率较小，约为4.5%。波高10 m以上的波浪出现的概率极小。

图2 关键节点一位置

图3 关键节点二位置

本文首先采用SESAM/Genie建立目标平台水动力计算模型，利用WADAM分析在各波浪工况下遭受的水动力载荷和惯性力，并进行水动力分析。根据参考相关文献[2]，横浪会对平台造成较大的疲劳损伤，所以本文疲劳计算的浪向确定在90°。图2为目标平台总体模型受到的水动力载荷示意图。然后利用SESAM/Sestra计算平台结构的总体响应。计算结果显示，在各波浪工况下，平台总体应力分布均匀，但也存在一些高应力区域。现将其应力较大的位置列在表1中。

表1 平台总体高应力区域位置

2.3 疲劳热点部位选取

由平台总体强度分析结果可知,立柱与横撑连接处、立柱外壳与甲板连接处都是应力较大的区域，而且是平台关键的连接部位，很容易产生疲劳损伤，所以将其两部位做为关键节点，计算其疲劳寿命。位置如图2和图3所示。

2.4 建立关键节点有限元模型及热点应力计算

在不影响计算结果的前提下,建立总体模型时，一般将结构进行简化，如对弱构件（如小的纵骨）作为相当厚度计及到板厚中。因此，在建立关键节点的有限元模型时，必须建立关键节点精细的局部有限元模型进行分析。在整体建模时简化的纵骨，本文采用梁单元来模拟，增加肘板等。根据ABS《近海结构物疲劳评估规范》[6]，采用本文1.1节介绍的有限元划分方法。图4和图5为关键节点一和关键节点二的有限元模型，图4（b）和图5（b）分别为疲劳热点部位的网格划分。

将平台整体有限元分析中的位移值做为关键节点局部模型有限元分析的边界条件。因此关键节点局部模型边界处的网格应与整体模型相同部位的网格保持一致，以确保其边界处的节点相一致。

在不同工况条件下对平台进行关键节点有限元应力计算。表2和表3为平台关键节点热点应力结果。其中波高1.5 m,周期为6 s（工况二）的关键节点应力分布如图6和图7所示。由工况二的应力计算结果可知，关键节点一的高应力区位于横撑两侧与立柱连接处的焊接部位，也就是结构不连续部位。关键节点二的高应力区位于立柱与上甲板连接两侧折角处的焊接部位。高应力区也即有可能产生疲劳破坏的地方。图8标注了关键节点一的6个疲劳热点的大致位置，图9标注了关键节点二的6个疲劳热点的大致位置。

图4 关键节点一有限元模型

图5 关键节点二有限元模型

图6 关键节点一工况二应力云图

图7 关键节点二工况二应力云图

图8 关键节点一疲劳热点分布图

图9 关键节点二疲劳热点分布图

表2 关键节点一的热点应力结果/Pa

表3 关键节点二的热点应力结果/Pa

从表2和表3可以看出，关键节点一的热点应力普遍高于关键节点二的热点应力。而且综合各工况分析，在关键节点一中，4号节点即横撑外板与立柱外板的连接处某节点（图8所示）的热点应力较大。

2.5 关键节点的相关疲劳参数

平台关键节点所用材料为EH-36的高强度钢，屈服强度为360 MPa,弹性模量为2.06E+11 Pa。

关键节点一的工作状态为半潜于海水之中，关键节点二为处于空气中。因此，根据ABS规范，选取非管节点在空气中ABS-E(A)和海水中受阴极保护的S-N曲线的ABS-E(CP)曲线对关键节点的热点应力进行疲劳分析，S-N曲线参数如表3所示，曲线如图10和图11所示。

表3 S-N曲线参数[6]

2.6 关键节点的疲劳寿命分析

依据相应的S-N曲线与Miner准则，计算关键节点各疲劳热点的疲劳损伤度和疲劳寿命如表4和表5所示。

从表4可以看出，该平台结构关键节点各热点年疲劳损伤度最大的为4号节点即横撑外板与立柱外板连接处某节点（图8所示），损伤度为2.31E-02，所以疲劳寿命最小，约为43.2 a，因此该节点是这些关键节点一中影响疲劳寿命的危险点。平台寿命满足ABS规范要求。从表5可以看出，关键节点二年疲劳损伤度相对较少，疲劳寿命相对较大。

图10 非管节点空气中S-N曲线[6]

图11 非管节点海水中受阴极保护的S-N曲线[6]

表4 关键节点一疲劳损伤度和疲劳寿命

表5 关键节点二疲劳损伤度和疲劳寿命

3 结论

立柱与上甲板连接处、立柱与横撑连接处做为半潜式平台重要连接部位，位于波浪载荷的传递路径上，承受较大的交变载荷，都是易发生疲劳破坏的部位。通过本文分析可知，立柱与横撑连接处的年疲劳损伤度相对于立柱与上甲板连接处较大，疲劳寿命比较小，是影响平台疲劳寿命的关键点。而且此部位长期受到海水的腐蚀作用，所以应当是日常检修和维护的重点部位。

[1]李润培,王志农.海洋平台强度分析[M].上海:上海交通大学出版社,1992：103-122.

[2]谢文会,谢彬,王世圣.深水半潜式钻井平台典型节点谱疲劳分析[J].中国海洋平台,2009,24(5):28-40.

[3]张剑波.半潜式钻井船典型节点疲劳可靠性分析[J].船舶工程,2006,28(1):36-40.

[4]刘海霞,肖熙.半潜式平台结构强度分析中的波浪载荷计算[J].中国海洋平台，2003,18（2）：1-4.

[5]Aubault A.Structure Design of a Semi-Submersible Platform With Water Entrapment Plates Based on a Time-Domain Hydrodynamic Algorithm Coupled With Finite Elements[C]//Proceedingof the Sixteenth International Offshore and Polar Engineering Conference.San Francisco,California,USA,2006.

[6]Guide for the Fatigue Assessment ofOffshore Structures[R].Classification Notes,ABS,2003.

[7]刘洪涛.随机波浪载荷作用下海洋导管架平台疲劳寿命预测分析[D].天津：天津大学,2007.

Fatigue Analysis of Deepwater Semi-submersible Platform Based on S-N Approach

LI Zeng-hua1,LI Liang-bi2,1,CHEN Ming-lu1,JI Chun-yan1,ZHANG Jian1
(1.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China;2.Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co.Ltd,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

Deepwater semi-submersible platform works in bad environment conditions with high cost,so it is necessary to do fatigue analysis to make sure it works safely.Firstly,the model of platform was made and the response of the global structure was calculated based on SESAM.According to overall response result,column and brace connection&column and upper deck connection were chosen as key joint.The fine FEA model of key joint was made and the hotspot stress was calculated.Finally,the fatigue life of platform was calculated based on S-N approach in South China Sea.The result shows that the platform could meet ABS rules demand but there is a low fatigue life at the column and the brace connection of the platform,so the strengthening daily repair and maintenance is necessary.

S-N approach;deepwater semi-submersible platform;fatigue life;finite element

P75

B

1003-2029（2012）01-0077-06

2011-09-10

国家自然科学基金资助项目（51079065，51109100）；江苏省自然科学基金资助项目（BK2011508）；江苏科技大学博士科研启动基金资助项目（35011003）

李增华（1984-），男，助理工程师，硕士。Email:lizenghua1984@163.com

致谢：本研究项目在江苏科技大学江苏省船舶先进设计制造技术重点实验室完成，特此致谢。