半潜式海洋生活平台导缆器基座结构疲劳分析

覃廖开1， 魏 军， 袁宇波， 董 炜， 张圆缘

(1.江苏龙源振华海洋工程有限公司 海上风电工程技术研究院， 江苏 南通 226014；2.南通中远海运船务工程有限公司， 江苏 南通 226006)

0 引 言

半潜式海洋生活平台可供数百名船员生活娱乐和居住。平台配备先进的可伸缩式栈桥，实现生活平台与生产平台的横向接载，便于人员快速往返；当生产平台发生危险或海上风浪过大时，生活平台可自动断开与生产平台的连接，能最大程度地保护平台上工作人员的生命安全，兼具应急避难所功能。

系泊系统是海洋生活平台的重要组成部分。平台在定位期间，导缆器、掣链器和绞车等装置承受着锚链/缆索的交变载荷，而作为重要受力构件的导缆器支承结构——基座，其与平台主体结构连接处容易产生高应力，该区域的疲劳寿命关系到平台的安全定位，且直接决定整个系泊系统的使用年限。另外，对于入级DNV GL船级社的移动式海洋平台而言，其系泊系统若要获得POSMOOR-V-ATAR船级符号，则需提供导缆器基座和绞车基座结构疲劳强度的证明文件。

本文以某半潜式海洋生活平台导缆器基座为研究对象，利用组合的低频与波频谱的标准差计算总疲劳损伤，根据DNV GL规范对该导缆器基座结构疲劳强度进行分析校核。

1 理论背景

1.1 组合疲劳损伤分析方法

根据API规范[1]，因低频张力与波频张力产生的组合疲劳损伤可通过以下4种方法进行分析：

(1) 简单求和法。在这种方法中，分别计算低频疲劳损伤和波频疲劳损伤，总疲劳损伤为这两者之和。

(2) 组合谱法。在这种方法中，首先计算组合的低频与波频谱，然后利用组合谱的标准差计算总疲劳损伤。

(3) 组合谱+双重窄带修正系数法。这种方法即在组合谱法计算结果中考虑修正系数。

(4) 时域循环计数法。在这种方法中，运用循环计数法计算疲劳损伤，例如：雨流法是从一个张力时间历程中估算张力循环次数和张力范围的期望值；张力时间历程可通过时域系泊分析直接确定，或通过组合低频与波频张力谱产生。

根据DNV GL-RP-C203规范[2]，对于由两个动态过程引起的疲劳损伤的组合，若将两种过程造成的疲劳损伤直接简单相加(方法1)，得到的结果是不保守的。API规范[1]认为，时域循环计数法(方法4)通常被认为是计算疲劳损伤最精确的方法，但计算分析相对费时。根据DNV GL-OS-E301规范[3]，如果在张力过程中有显著的波频和低频分量，那么窄带过程的表达式将不再适用。相当普遍的共识是，雨流计数技术提供了对张力范围概率密度最为精确的估算，但这需要相对耗时的分析。因此，推荐选用组合谱方法或双重窄带方法。

图1 高低频响应和组合响应示例

组合疲劳损伤分析通常使用的方法是组合谱法，这种方法既方便使用又能得到保守的结果。

1.2 单斜率S-N曲线组合疲劳损伤

对于单斜率S-N曲线，如图1所示，响应的组合疲劳损伤可通过式(1)[2]获得

(1)

式中：D1为高频响应计算的疲劳损伤；D2为低频响应计算的疲劳损伤；ν1为高频响应平均上过零频率；ν2为低频响应平均上过零频率；m为S-N曲线的逆斜率，m=3.0。

1.3 双斜率S-N曲线疲劳损伤

1.3.1 威布尔分布应力范围和双线性S-N曲线

当使用双线性或双斜率S-N曲线时，疲劳损伤表达式[2]为

(2)

1.3.2 短期Rayleigh分布和线性S-N曲线

对于不同的载荷条件，当应力范围的长期分布是通过每一个短期内的Rayleigh分布来定义，使用单斜率S-N曲线时，疲劳破坏准则可表示为

(3)

1.3.3 短期Rayleigh分布和双线性S-N曲线

当应用双线性或双斜率S-N曲线时，疲劳损伤表达式[2]为

(4)

1.4 累积疲劳损伤

组合谱方法提供了一种简单、保守的方法用于计算典型的损伤，对于某一海况的疲劳损伤可由dCSi[3]表示为

(5)

在使用期内某一海况条件下，组合谱中循环(周期)次数为

ni=νyiTi=νyi·Pi·TD

(6)

式中：Pi为环境状态i发生的概率；TD为系泊缆索设计寿命。

构件抗张力疲劳能力可用以下方程式[3]表示：

nC(S)=aDS-m

(7)

通过取对数线性化得到：

lg(nC(S))=lg(aD)-m·lg(S)

(8)

式(7)和式(8)中：nC(S)为应力范围次数(循环次数)；S为应力范围(2倍应力幅值)，MPa；m为S-N曲线逆斜率。

基于线性累积损伤假设(Palmgren-Miner准则)，疲劳寿命可根据S-N曲线疲劳方法进行计算[2]。在系泊组件特征疲劳损伤的计算中，系泊系统所遭受的长期海况可被离散成一组短期海况，对各短期海况出现的疲劳损伤进行累加，从而得到总疲劳损伤：

(9)

式中：di为结构在第i个工况产生的疲劳损伤；n为疲劳损伤计算的工况数。

2 工程实例计算

以基于GustoMSC-OCEAN500船型的半潜式海洋生活平台为例，该平台配备DP 3动态定位和锚泊定位双定位系统，10点的系泊系统可连接到预先敷设的离岸系泊系统。平台配备的导缆器数量为12套(每个立柱3套)，实际安装的导缆器数量为10套(艉部立柱各3套，艏部立柱各2套)。系泊系统布置如图2所示，图示箭头方向为船首方向。

图2 系泊系统布置图

2.1 载荷条件

以100 m水深为例，锚泊定位的最大可作业环境条件如表1所示。

表1 作业环境条件

表2 低频和波频载荷结果

图3 有限元模型

2.2 有限元模型

以艉部/左舷立柱导缆器基座为例，应用SESAM/GeniE软件建立该导缆器基座及其所在立柱结构的有限元模型，如图3所示。所关注的疲劳校核区域细化网格尺寸为t×t(t为该区域板厚)，边界条件施加于立柱上下端结构自由边缘。

根据导缆器基座强度计算结果，针对高应力区域以及最可能发生疲劳破坏的结构几何突变处，确定7个典型位置进行疲劳分析，如图4所示，其中，A、D和E为“十”字交叉处外板焊缝，B和F为水平对接焊缝，C和G为水平肘板趾端。

图4 疲劳分析典型位置

2.3 疲劳损伤分析

根据DNV GL-RP-C203规范[2]，在进行疲劳评估时，不同区域(空气中或有腐蚀保护的海水中)以及不同的结构型式要选取对应的S-N曲线进行疲劳校核。针对具体的结构型式：C曲线可用于母材自由边缘的疲劳评估(下标“c”表示结构处于有阴极保护的海水中)，D曲线用于对接焊缝的疲劳评估，E曲线用于肘板趾端及“十”字交叉处外板焊缝焊趾的疲劳评估。S-N曲线及相关参数如表3所示。

表3 S-N曲线相关参数

根据设计规格书，平台设计使用年限为20 a，设计疲劳因子为1.0，根据规范查表得到疲劳损伤许用利用率η=1.0。

根据DNV GL-RP-C203[2]，热点应力计算可采用方法A和方法B进行推导。对于使用板壳单元建模且不包含焊缝的模型：方法A从距离交线(焊趾)0.5t和1.5t(t为板厚)处读取应力，通过线性插值得到交线处的热点应力；方法B从距离交线0.5t处读取应力，再乘以1.12倍的比例因数得到有效热点应力。在实际计算时选用方法B，所读取的名义应力已考虑1.12倍的比例因数。

根据DNV GL-RP-C203规范[2]，对于板厚大于参考板厚(25 mm)的情况，108循环次数(20 a使用寿命)的许用最大应力范围为

(10)

式中：tref为参考厚度；t为裂纹最可能扩展穿透的板厚；k为厚度指数，可通过规范查表得到。

考虑板厚效应，基于有限元分析结果，根据前文所述的基本理论及相关公式编制计算表格，对A～G位置进行累积疲劳损伤分析(假定所考虑的36个浪向是等概率出现的)。其中，位置A疲劳损伤结果如表4所示，所有位置疲劳分析结果统计如表5所示。

表4 A位置累积疲劳损伤

表5 各典型位置疲劳损伤汇总

根据计算结果，位置A和位置G的累积疲劳损伤均大于许用值1.0。根据DNV GL-RP-C203规范[2]，通过对局部焊缝趾端进行打磨，最多可提高2倍的疲劳寿命，即经过焊缝打磨后A位置焊缝和G位置焊缝的疲劳损伤最低可分别降至0.839和0.652，疲劳评估结果满足规范要求。

3 结 论

针对半潜式海洋生活平台导缆器基座结构疲劳问题，利用组合谱方法，考虑由低频响应和波频响应引起的疲劳损伤的组合，对海洋生活平台导缆器基座结构进行疲劳分析，得出以下结论：

(1) 如果在张力过程中有显著的波频和低频分量，并且低频部分不可忽略，运用组合谱方法既可方便地对结构进行疲劳评估，又能得到较为保守的计算结果。

(2) 在系泊定位时，低频和波频载荷会使平台产生疲劳损伤。通过设计合理的系泊布置方案，改善平台在波浪中的运动性能，降低波浪载荷对结构疲劳的影响，从而提高结构疲劳寿命。

(3) 结构开孔处和角隅处等结构几何突变的部位易产生应力集中，也是疲劳敏感区域，在设计时应注意该区域结构圆滑过渡，该位置的疲劳问题应予以特别关注。