半潜式平台立柱与浮筒连接节点疲劳可靠性分析

王洪庆，李德江，傅 强，李 磊，张国栋，杜之富

(中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)

半潜式平台立柱与浮筒连接节点疲劳可靠性分析

王洪庆，李德江，傅 强，李 磊，张国栋，杜之富

(中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)

半潜式平台结构和受力条件复杂。能否准确把握关键节点结构在复杂受力条件下的疲劳性能，直接影响到平台整体结构的疲劳可靠性。针对目前频繁出现的平台立柱与浮筒连接节点疲劳失效，首先总结工程中主流的四种立柱与浮筒连接节点形式；然后，利用设计波法计算总体载荷，子模型法获得热点应力，以及简化疲劳方法评估节点疲劳寿命；再次，采用古特曼模型以及Gerber模型讨论平均应力对节点结构寿命的影响，计算结果表明，四种不同方案的节点形式热点应力水平和疲劳寿命差异很大。据此，从半潜式平台总体结构响应入手，通过对比分析各个方案结构形式和计算结果，阐述导致节点计算疲劳寿命差异的主要原因。最后根据挪威船级社(DNV)规范提供的数据简要分析该节点的疲劳寿命对整个平台可靠度的影响。

半潜式平台；疲劳寿命；连接节点；平均应力；可靠性

0 引 言

半潜式钻井平台是一种长期在恶劣海况中工作的深水油气开发设备。其不仅结构复杂，造价昂贵，且若发生事故，将对海洋环境造成严重污染。因此，保证整个平台结构具有足够的可靠性和安全性，是保证半潜式钻井平台长期安全可靠运转的关键。由于半潜式钻井平台结构形式复杂，结构存在多处刚度突变的设计，导致结构疲劳强度问题显著。刚度存在突变的结构连接节点的疲劳强度问题一直备受国内外学者和工程界的关注。

刘华祥等[1]认为，半潜式钻井平台的疲劳问题都集中在平台主体结构连接的节点区域。崔磊等[2]利用裂纹扩展对半潜式平台立柱与横撑节点的疲劳强度进行了研究，总结了深水半潜式平台结构疲劳裂纹扩展分析的流程。马网扣等[3]针对半潜式钻井平台节点疲劳强度，利用谱分析方法进行研究，考虑了有效主应力方向的选取范围。张剑波等[4]在研究半潜式平台的极限强度时，重点研究了半潜式平台中典型管节点的极限强度问题。在针对中深域的半潜式平台总体强度进行研究时，发现在半潜式平台的关键连接区域存在明显的动应力，疲劳问题严重。而在针对海洋结构物焊接结构的应力集中参数进行的理论研究中，发现由于焊接误差的存在，往往会导致额外的应力集中系数[5-6]。当前文献中，主要将半潜式平台中的管节点作为分析的重点，并且文献主要是对现有平台的一种校核，或者是反向验证算法的可行性[7-9]。很少有人从结构设计、结构刚度匹配、应力流向以及应力集中等方面去讨论半潜式平台节点的疲劳和强度问题。目前某半潜式平台在其立柱与浮筒连接处出现焊缝疲劳开裂导致漏水造成整个平台无法作业。对此，本文从结构的力学特性、结构的设计原则与工程实践角度，对工程中半潜式平台立柱与浮筒连接位置采用的四种不同节点形式进行分析讨论。借助分析结果分析说明由于新近半潜式平台结构的复杂性，传统空间梁系理论分析方法不能够准确反映节点处的应力集中程度，导致评估结果与实际情况背离。最后，本文讨论了节点位置出现应力集中的原因以及避免的方法，总结出准确把握和评估节点疲劳强度的关键因素，并且选出适合工程实践的最佳方案。

1 立柱与浮筒内侧节点方案介绍

本文以目前已投入生产运营的半潜式平台为样本，总结对于立柱宽度与浮筒宽度不一致的半潜式平台，其立柱与浮筒的典型四种不同的连接节点形式，在此基础上进行分析讨论。研究的立柱与浮筒内侧节点具体位置如图1所示。节点具体实施方案如下。

方案一(图2)：该方案是在与立柱圆角区域连接的浮筒甲板下面设置1/4圆周的圆弧板，使之支撑立柱圆弧外板，所加圆弧板端部分别焊接到浮筒的纵横舱壁上[10]。该方案早期应用在巴西海域平台，优点就是保证立柱形状简单。

方案二(图3)：在方案一的基础之上，在与圆弧板垂直的方向布置肘板，肘板与圆弧板交叉布置；同时立柱圆弧外板内侧采用竖向加强筋。该方案是方案一的升级版，设计者试图利用增加的肘板增强立柱拐角处支撑的刚度。

方案三(图4)：将立柱外板直接延伸到浮筒底部，使竖向结构连续。该方案的设计理念与前两种方案相比，完全不同，该方案的思想就是保证竖向结构的连续性，合理传递应力。

方案四(图5)：将立柱底端截面改为矩形，使之与浮筒内部舱壁相互对应。在拐点位置设置相互垂直的两个肘板。该方案与方案三的设计理念一样，就是保证结构连续性；其做法则与方案三相反，即通过改变立柱截面形状使浮筒纵横舱壁对齐，保证主要传力构件的连续性。

图1 分析节点位置Fig.1 Location of connection details

图2 方案一俯视图Fig.2 Plan view of the 1st connection type

图3 方案二俯视图Fig.3 Plan view of the 2nd connection type

图4 方案三俯视图Fig.4 Plan view of the 3rd connection type

图5 方案四俯视图Fig.5 Plan view of the 4th connection type

2 基于简化疲劳的设计波载荷

本文所述立柱与浮筒连接节点的载荷主要来自于半潜式平台结构的总体变形，对于双浮筒半潜式平台，波浪对其作用的主要表现为浮筒之间的内开力、扭矩、纵向和横向剪力以及甲板盒质量产生的惯性力[11]。基于半潜式平台响应特性以及本文所讨论节点的受力特点，以操作工况下的作业条件为基准，结合波浪的长期分布特性，以上述载荷特点为统计值，选取一系列设计波作为节点疲劳强度分析的载荷输入。

本文根据南海波浪的长期分布特点(见表1)，结合平台的具体结构形式，选取对半潜式平台总体结构产生最不利影响的波浪。利用SESAM程序包中的WADAM模块搜索并计算波浪载荷。利用半潜式平台总体结构在不同设计波载荷下的响应，作为连接节点疲劳分析的动载荷输入[5，12]。考虑结构的对称性，文中选择0°～180°内的设计波，详细设计波参数如表2所示。

表1 海况参数输入

表2 某半潜式平台针对南海海况校核疲劳强度的设计波列表(0°～180°)

3 计算模型与边界条件

3.1 计算模型

为了准确模拟立柱与浮筒连接节点处结构的设计思想和节点周围结构刚度的分布，为了准确反映节点局部应力传递的路径，为了消除边界位移载荷插值计算对节点的应力分布的影响，将模型做如下处理：各个方案的局部计算模型范围均为截取1/4的立柱与浮筒，见图6～9，节点附近位置网格大小采用t×t(t为板厚)，模型最大网格为400 mm×400 mm。图6～9中利用不同颜色表示模型中厚度属性的分布，杨氏模量均为2.06 GPa，泊松比为0.3，材料为屈服强度355 MPa的高强度钢。

图6 模型网格和板厚属性:方案一Fig.6 Mesh and thickness model of the 1st type

图7 模型网格和板厚属性:方案二Fig.7 Mesh and thickness model of the 2nd type

图8 模型网格和板厚属性:方案三Fig.8 Mesh and thickness model of the 3rd type

图9 模型网格和板厚属性：方案四Fig. 9 Mesh and thickness model of the 4th type

3.2 边界条件与载荷

边界条件通过子模型技术，将平台总体结构的变形或者位移边界，通过节点对节点，同时将单元自身形状函数作为插值函数，合理地匹配总体模型与局部模型在边界位置的位移。本文利用SESAM软件的SUBMOD模块，将总体结构位移结果施加到局部分析模型的边界上面，作为位移载荷。同时，模型考虑了局部海水波浪的动压力与整体模型运动产生的惯性力。

4 海洋工程结构简化疲劳评估方法

海洋工程结构简化疲劳方法是基于海洋结构物应力长期分布特点推导出的一种快速评估海洋工程结构疲劳强度的方法[12]。工程经验表明，双参数Weibull分布能够很好地模拟波浪的长期分布特点，并且认为结构应力响应的长期分布也服从双参数Weibull分布[13]。根据统计分析得到节点位置应力长期分布的特点，推导出Weibull分布的形状参数和尺度参数。北大西洋海域和全球范围内操作海域，Weibull形状参数可以参考船级社规范选取。通过设计年限，参考应力回复周期的概率水平，最后可以确定结构设计寿命内出现频率为1次的最大应力范围作为疲劳设计许用应力。简化疲劳方法规定热点应力范围不大于许用应力范围。

简化疲劳方法能够快速地评价结构的疲劳强度。借助简化疲劳结果，对各个方案关键焊缝位置的疲劳寿命进行对比分析，以此评价各方案节点结构形式的优缺点[14]。

4.1 基于Weibull分布的疲劳许用应力

本文所述平台的不同连接方案分析中，波浪长期都服从双参数Weibull分布，形状系数取γ=1.0；设计寿命为20年，设计寿命期间的许用应力的参考概率水平为10-8；m，r,A,C为疲劳-寿命(S-N)曲线参数,文中所用的S-N曲线为名义应力S-N曲线和热点应力S-N曲线[13]。FDF为疲劳设计系数，取FDF=1，许用应力范围为[13]

,(1)

式中：Γ( )为伽玛函数;δ为Weibull分布尺度函数。

由S-N曲线方程N=AΔσ-m可知，疲劳损伤与应力幅值之间存在m次方的关系。根据简化疲劳计算结果简单地估算疲劳寿命值：

(2)

式中：Lact为结构的实际疲劳寿命，Ldesign=20年；SFEM为模型提取的最大主应力值；m为S-N曲线参数，一般从保守角度考虑，取m=3.0。因此根据疲劳应力的比值大小，就可以对比分析出不同结构疲劳寿命的差异程度。

4.2 计算模型应力的读取与平均应力修正

根据断裂力学理论可知，结构同时受到拉伸弯曲载荷时，表面裂纹的张开与扩展决定着结构的疲劳寿命。所以，在利用有限元数值计算结果时，要考虑板结构自身弯曲导致的上下表面应力的差异，即考虑板结构本身弯曲应力的成分。同时板内的轴向力的拉压效果同样对结构产生很大影响，合理考虑板的轴向力，也是准确评估结构疲劳寿命的重要因素[15-16]。

在挪威船级社(DNV)疲劳规范中，只针对非焊接结构内的平均应力提出了修正。但是对于焊接结构内部存在平均轴向应力时，对疲劳强度的影响，却没有规定。本文根据古特曼曲线以及Gerber曲线分析对计算应力进行修正，来说明平均应力对节点结构寿命的影响。

古特曼曲线假设疲劳极限线是经过对称循环变应力的疲劳极限A点和静强度极限B点的一条直线，见图10曲线2和式(3)；Gerber曲线假设疲劳极限线为疲劳极限A点和静强度极限B点的抛物线[17-18]，见图10曲线1和式(4)：

(3)

(4)

式中：σm为平均应力；σb为极限强度，一般取屈服强度；σ-1为疲劳极限；σa为应力幅值。

图10 疲劳极限图谱Fig.10 Fatigue limits curves

5 计算应力结果与疲劳寿命分析

5.1 计算应力结果

图11～14为四种方案下立柱与浮筒连接节点的主应力分布云图。从分析结果来看，前三种方案的连接节点形式的最大应力均出现在立柱与浮筒相交的拐角圆弧位置。第四种方案应力峰值出现在纵向肘板的自由边位置和肘板与立柱连接的焊缝处。各方案主应力峰值情况如表3所示。

图11 最大主应力分布云图和节点处主应力分布云图0～200 MPa:方案一Fig.11 Maximum principal stress plot of global and connections ranging from 0 to 200 MPa for the 1st type

图12 最大主应力分布云图和节点处主应力分布云图0～200 MPa:方案二Fig.12 Maximum principal stress plot of global and connections ranging from 0 to 200 MPa for the 2nd type

图13 最大主应力分布云图和节点处主应力分布云图0～200 MPa:方案三Fig.13 Maximum principal stress plot of global and connections ranging from 0 to 200 MPa for the 3rd type

方案编号主应力峰值水平/MPa位置参考1264浮筒甲板与立柱外板焊缝处图112205安装肘板根部硬点位置图123198立柱外板与浮筒甲板相交处图134154纵向肘板自由边图14

5.2 应力结果分析与方案评价

方案一：从图11中可以看出，立柱与浮筒相交焊缝位置处，局部结构动载应力峰值极高，见表3，并且主应力峰值处在关键焊缝位置。究其原因，第一，从结构设计角度来说，该节点处立柱外板与浮筒的连接没有进行有效的过渡，存在刚度突变，导致应力流无法从立柱外板直接传递到浮筒内的强力构件，致使该位置应力集中严重。第二，从变形角度来讲，立柱外板与浮筒纵横舱壁将连接节点处的浮筒甲板分割出来一个斜边为圆弧形状的直角三角形区域(见图15阴影部分)，在该区域的圆弧和直角边接近末端1/3位置，直角边与浮筒舱壁焊接位置出现高应力区(下表面应力分布)，同时在圆弧边与立柱外板焊接位置出现高应力区(上表面应力分布)，原因为在总体弯矩及压力作用下，连接处焊缝要产生位移，此时浮筒的纵横舱壁对三角区域产生额外的约束，导致该三角区域的局部弯曲应力无法传递到其他强力构件上，进而成为高应力区。该高应力区直接影响连接节点的疲劳寿命。

图15 方案一连接节点三角板区域与主应力分布云图Fig.15 Drawings and maximum principal stress plot of the 1st type connections

方案二：该方案可以认为是方案一的补充，它通过在立柱内安装加强筋与浮筒内安装垂向肘板，增强该节点处的抗弯刚度和抗压能力。该方案仍没有有效改善立柱外板与浮筒交线位置的结构连续性，故应力集中现象仍然严重。但加强筋与肘板刚度的分担作用很明显，见图12，三角形高应力区(见图15)的应力水平下降25%左右。值得注意的是，在肘板与加强筋连接的位置，有明显的硬点出现。可以得到结论：方案二中安装的加强筋与大肘板，改变了应力的传递路径，成功分担了立柱外板上的应力流。这也从侧面证明，立柱内的骨材竖向布置优于水平布置。

方案三：由于立柱外板拐角处与浮筒内部舱壁结构的连续性，消除了方案一与方案二中高应力三角区域，很大程度上降低了应力集中程度。从应力云图上可以明显看出，浮筒甲板上的主应力降低为方案二的60%左右。但是在抵抗弯矩方面，立柱外板与浮筒甲板之间的直角仍然无法完美地传递弯曲应力。从分析结果来看，立柱外板的主应力幅值升高明显。

方案四：基于上面的分析，该方案保证结构的连续性，同时考虑了沿浮筒方向以及垂直于浮筒方向的弯矩效应，在立柱根部增加两个相互垂直的肘板。从分析结果的主应力分布图可知，该方案将危险焊缝位置应力幅值降低到了70～80 MPa，几乎降到了方案一30%的水平，疲劳寿命将直接提高15倍左右。此外，通过安装肘板，消除了连接处的硬点；合理地传递了波浪动载荷下，总体变形产生的弯曲应力；改变了主应力方向与危险焊缝之间的角度，在危险焊缝区域内，主应力大致方向与焊缝之间角度小于45°，部分区域接近平行，这使得主应力对焊缝裂纹扩展的作用大幅度削减。综上所述，相比方案一，方案四可以将节点疲劳寿命提高到大约20倍；相比方案二与方案三，疲劳寿命也有极大提高。

5.3 疲劳寿命分析

利用海工简化疲劳方法原理，评估结构的疲劳寿命，结果如表4和表5所示。从表中可以看出，方案四的疲劳寿命为方案一的30倍左右，并且方案四的疲劳寿命受平均应力的影响很小。利用S-N曲线计算得到的疲劳寿命其实反映的是结构失效的概率水平，根据DNV有关的实验数据，当疲劳寿命达到设计值时，其失效的概率在15%左右。在只考虑立柱与浮筒内侧节点对整个平台可靠性的影响时，计算得到整个平台结构疲劳可靠性的概率水平，如表6所示。表6分别列举了四种方案在不同使用年限下不失效的概率。从表6中不同计算寿命下疲劳强度可靠性的差异，可以看出：(1)不同的节点形式对疲劳寿命的影响很大，方案四的节点形式疲劳寿命最高，方案一的疲劳寿命最短，两者的疲劳寿命相差可达30倍以上；(2)平均应力对疲劳的影响也不可以忽略，尤其对高受拉应力焊缝的疲劳寿命折减很明显，仅为修正前的1/5寿命，在特殊节点设计时，考虑平均应力的影响，将使结构更加经济[19]。

表4 浮筒甲板内表面连接焊缝疲劳寿命评估

表5 浮筒甲板外表面连接焊缝疲劳寿命评估

表6 立柱与浮筒连接节点失效对整个平台结构寿命的影响

*节点失效概率与疲劳寿命的关系，请参考文献[20]；**(1-15%)4=52.20%，因为在半潜式平台中将有4处使用该节点。

6 结 语

通过对立柱与浮筒内侧不同节点结构形式方案的疲劳分析，可以得到如下结论：

(1) 通过分析四种方案的结构特点，得出关键节点的设计要遵循结构的连续性原则和结构刚度匹配性的原则。

(2) 通过对比分析四种方案可知，疲劳强度问题是半潜式平台关键节点设计的关键失效模式。

(3) 通过分析研究关键连接节点不同的结构方案可知，方案四从结构设计角度以及分析结果方面，都是最优设计方案。

(4) 本文所分析的研究节点都是基于双浮体半潜式平台，对于环形浮筒平台的连接节点结构，需综合环形浮筒平台结构的总体受力特点进行分析。

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FatigueAnalysisofConnectionBetweenColumnandPontoonofSemi-SubmersibleUnits

WANG Hong-qing， LI De-jiang, FU Qiang， LI Lei， ZHANG Guo-dong， DU Zhi-fu

(CIMCRaffles，Yantai,Shandong264000,China)

Fatigue strength of connections between column and pontoon directly influences the reliability of the whole semi-submersible structure. Due to the frequently occurring fatigue failure of existing semi-submersible units, we carry out fatigue analysis based on simplified method for four type connections which have been used in present design. The connections fatigue life is modified by considering the mean stress accounted for the Goodman curve and Gerber curve. Then we compare the results to find out the optimized connection type. At last, the influence of the fatigue life on the reliability of the whole semi-submersible units is analyzed based on the data obtained from the Det Norske Veritas (DNV) rules.

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

2016-07-26

王洪庆(1986—)，男，硕士，工程师，主要从事浮式海洋工程结构设计方面的研究。

P751

A

2095-7297(2016)04-0227-09