半潜式综合支撑平台系泊疲劳分析

曹　菡， 强兆新， 苗文举， 刘志刚

(1.中船重工船舶设计研究中心有限公司， 北京100081； 2.天津新港船舶重工有限责任公司， 天津 300452)



半潜式综合支撑平台系泊疲劳分析

曹菡1， 强兆新1， 苗文举1， 刘志刚2

(1.中船重工船舶设计研究中心有限公司， 北京100081； 2.天津新港船舶重工有限责任公司， 天津 300452)

摘要：该文以某半潜式平台的系泊缆为对象进行疲劳性能研究，采用链-缆-链三段组成的悬链线式系泊缆。使用Harp软件，基于时域耦合方法计算系泊缆的动力响应，选取锚链与平台主体连接点、上部锚链与缆绳连接点及拖地点三点，计算其张力时间历程曲线。根据雨流计数法的基本原理，基于Matlab平台开发程序，统计张力循环次数。依据Miner线性累积损伤理论，分别得到各系泊缆的疲劳寿命，对系泊缆的疲劳性能进行评估。

关键词：系泊缆；悬链线式系泊系统；时域耦合分析；张力时间历程；疲劳损伤

0引言

半潜式平台在深海油气资源的开发中占有举足轻重的地位，其系泊系统则为平台在海上的定位和安全作业提供了重要的保障。半潜式平台在海上长期作业期间，其整体结构要承受不断变化的风、浪、流等环境载荷的作用，这些环境载荷及平台的运动都会引起系泊系统内的交变应力，造成系泊线的疲劳损伤。深水半潜式平台通常采用传统的悬链线式系泊系统，由三段湿重、刚度和长度都不同的锚链和缆绳组合成链-缆-链型式的系泊系统[1]。

该文以半潜式综合支撑平台的系泊系统为研究对象，所选海况为中国南海某海域。分析计算锚链与平台主体连接点A、上部锚链与缆绳连接点B及拖地点C的疲劳损伤，为系泊系统的理论研究及实践应用提供一定的参考依据。

1系泊疲劳计算理论

疲劳破坏是一个极其复杂的过程，因此目前的疲劳分析大都建立在宏观层次之上，通常采用基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积损伤准则的疲劳累积损伤方法以及基于Paris裂纹扩展法则的断裂力学方法，目前这两种方法已成为船舶与海洋工程结构疲劳设计与分析的两种相互补充的基本理论方法[3]。

该文使用时域耦合分析的方法考察系泊缆的动力响应，采用线性累积损伤理论对系泊系统的疲劳问题进行研究。根据平台所处海域，获得海洋环境资料后，对平台及其系泊系统进行时域耦合分析，获得系泊缆的张力时间历程曲线，然后使用雨流计数法对其进行计数统计，根据Miner线性准则，获得单根系泊缆的累积疲劳损伤，进而求得疲劳寿命，具体分析流程如图1所示

图1　疲劳分析的计算流程图

1.1T-N曲线

材料和构件的疲劳性能用应力或应变与破坏时的寿命之间的关系，即S-N曲线表示。对系缆来说为T-N曲线，T-N曲线基于实验数据，给出了恒定载荷幅值下系泊缆循环到破坏的次数，反映了张力T和疲劳寿命N之间的关系。T-N曲线的形式为[3]：

(1)

式中：N为循环次数；R为张力范围(双边幅值)与RBS(参考破断强度)的比值。

ORQ级、R3 级、R4 级和R4S 级普通或连接锚链环的RBS 取同样尺寸ORQ 级普通锚链环的最小破断强度(MBS)。对于钢缆，RBS 等同于MBS。

令Lm 为平均载荷与钢缆的参考破断强度的比值，表1为M 值和K值：

表1　M值和K值

1.2雨流计数法

在现有的各种随机疲劳载荷的计数方法中，雨流计数法因有一定的力学基础，是目前被公认为最准确有效的一种方法。

雨流计数法的计数原则建立在一定的力学原理的基础上。其前提是认为造成疲劳损伤的原因是塑性变形。一般情况下，虽然名义应力在弹性范围内，但局部已达到了塑性状态，于是就造成了疲劳损伤。材料的塑性性质则表现为应力-应变关系中的迟滞回线。当交变载荷使应力-应变构成一个迟滞回线，就认为形成了一个完整的循环[4]。

系泊缆的疲劳损伤取决于张力-时间历程中各种张力幅值的大小以及发生的频率。雨流计数法可以对张力-时间历程进行有效且合理的计数，从而达到对系泊缆进行疲劳性能评估分析的目的[1]。

1.3Miner线性准则

大多数结构的失效是由一系列的循环载荷所产生的疲劳损伤累积造成的，疲劳累积损伤理论研究的是在变幅疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破坏的准则，对疲劳寿命的预测是十分重要的。

疲劳累积损伤理论大致可归纳为三大类，即线性累积损伤理论、修正线性累积损伤理论和非线性疲劳累积损伤理论。线性疲劳累积损伤理论中典型的是Palmgren-Miner理论，简称Miner理论，在海洋工程中应用较为广泛。

根据Miner线性累积损伤理论，每年长期海况作用下系泊缆的疲劳损伤D可以通过n个短期海况下的疲劳损伤Di累计得到[3]，即：

(2)

由此可以得到系泊缆的疲劳寿命

(3)

2平台及其系泊系统选型及海况选择

2.1平台参数

该文选取的计算对象为一南海的半潜式综合支撑平台，该平台的主尺度见表2。

表2　半潜平台的主尺度

半潜式综合支撑平台模型如图2所示。

图2　半潜式综合支撑平台

2.2海况选择

由于疲劳载荷主要是由波浪引起的，疲劳分析中波浪的长期状态可看作由许多短期海况的序列所引起，每一海况由波浪特性的参数以及该海况出现的频率来描述，常用的波浪参数有有义波高HS和平均跨零周期TZ,某一海域的波浪长期分布形式可以用不同的HS和TZ的海况及该海况出现的频率来近似表示，即波浪散布图，表3为南海某海域波浪散布图。

表3　南海某海域波浪散布图

根据以上波浪散布图，可将长期海况离散成以下短期海况，短期海况的特征参数见表4。

表4　10个短期海况的特征参数

通常情况下，还需要风、浪、流的方向来定义环境状况。对每个具体海况，该文中选取风、浪的方向为45°，流的方向为90°进行相关分析。分析时波浪使用JONSWAP谱，谱峰因子γ取2.0。

2.3系泊缆布置及其相关参数

该半潜式综合支撑平台采用传统的悬链线式系泊系统，系泊线由三段湿重、刚度和长度均不同的锚链和缆绳组成链-缆-链型式。系泊系统为4×3式，即四组，每组三根。每组内缆绳间夹角为5°，分布形式如图3所示。

图3　系泊布置图

该系泊系统中间部分的缆绳为聚酯尼龙缆，系泊缆各部分的长度见表5。

表5　系泊缆各组分长度

根据API-RP-2SM的规定，当缺乏相关数据信息时，可使用螺旋股钢丝绳或者多股钢丝绳的T-N曲线来代替聚酯缆的T-N曲线[5]。因此，根据API -RP-2SK，获得该文所研究平台的系泊系统的疲劳参数见表6。

表6　系泊缆疲劳参数

3半潜式综合支撑平台系泊疲劳分析结果

该文所研究的半潜式平台，使用Harp软件进行时域耦合分析。在计算中，模拟时间为10 800 s，对表4中的10个工况进行分析，分析12根系泊缆A、B、C三个点的疲劳寿命。

根据耦合分析结果，提取缆绳上待分析节点的张力时间历程，图4为Line1上A点在工况10下的张力时间历程曲线。使用Matlab软件进行张力循环统计，图5为Line1上A点在工况10下的雨流计数统计结果。

图4　A点在工况10下的张力时间历程　　　　　　　　　　图5　A点在工况10下的雨流计数

根据统计，以及海况的发生概率，得到每一根系泊缆的疲劳寿命见表7。其中，半潜式综合支撑平台的设计使用寿命为20年，根据API规范，锚链的安全系数为3，缆绳的安全系数取10。

表7　系泊疲劳寿命

4结论

该文选取单根系泊缆上端锚链与平台主体连接点A、与缆绳连接点B、与地接触点C为研究对象，计算其在长期海况下的疲劳损伤，可得到以下结论：

(1) 通过计算系泊缆上A、B、C三个连接点的疲劳损伤，得到其疲劳寿命LB>LA>LC。在该文所比较的三个连接点中，C点最容易发生疲劳损伤，A点次之，B点最安全。

(2) A点和C点的疲劳寿命数值比较接近，因此，可认为这两个点都是危险点。

(3) 拖地点C由于受海底条件干扰，每一时刻张力虽然不是很大，疲劳寿命却最短。

(4) 现有的疲劳数据说明聚酯缆有比钢缆更好的抗疲劳性能。该文的计算结果再次证明，破断强度相当的聚酯缆与锚链相比，聚酯缆材料本身具有更好的抗疲劳性能。

参考文献

[1]郑长新，翟钢军，乔东生.深水悬链锚泊线疲劳性能评估[J].船舶工程,2010，32(6):48-52.

[2]方磊.SPAR平台系泊缆疲劳寿命评估方法研究[D].天津:天津大学，2008.

[3]API. Recommended practice API-RP-2SK: Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures[S].2005.

[4]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.

[5]API. Recommended practice API-RP-2SM: Recommended practice for design manufacture, installation, and maintenance of synthetic fiber ropes for offshore mooring[S].2001.

Fatigue Analysis for Mooring Lines of a Semi-submerged Platform

CAO Han1, QIANG Zhao-xin1, MIAO Wen-ju1, LIU Zhi-gang2

(1.China Ship Design & Research Center Co., Ltd, Beijing 100081, China;2.Tianjin Xingang Shipbuilding Heavy Industry Co., Ltd, Tianjin 300452, China)

Abstract：The mooring lines of a semi-submerged platform are taken as the fatigue research objects, and the mooring lines are made up of chain-wire-chain. The dynamic responses are calculated under coupled analysis in time domain method by Harp software. The tension time histories of the three points such as connections between the top of chain and topside, chain and wire, and the touchdown are calculated. The rain flow counting method is employed to count tension cycles by Matlab software. The Miner linear cumulative rule is used to obtain the fatigue life of different mooring line segment, and the fatigue performance of mooring lines are evaluated.

Keywords：mooring line; catenary mooring system; coupled analysis in time domain; tension time history; fatigue damage

中图分类号:P75

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2016)02-0062-06 1001-4500(2016)02-0075-07

作者简介：曹菡(1987-)，女，硕士研究生。 高畅(1985-)，女，工程师。

收稿日期：2015-06-23 2015-03-31