半潜式平台关键连接结构节点形式对疲劳强度的影响

王金峰， 王永刚， 周 庆， 刘仁昌， 王 醍

(1. 中远海运重工有限公司 设计研究院， 辽宁 大连 116600；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院， 上海 200011)

0 引 言

深远海中蕴藏着丰富的石油、天然气等资源，随着国内海洋工程设计建造能力的提升，海洋油气资源的勘探、开发向深远海发展成为可能[1]。半潜式钻井平台具有甲板面积大[2]、工作水深适用范围广、在风浪环境中运动性能好等诸多优点。目前第七代半潜式钻井平台作业水深可达3 600 m，其主体结构由甲板盒、立柱、下浮体和撑杆构成。

立柱与甲板盒连接结构是半潜式钻井平台结构的关键区域之一，该结构承受交变的总体载荷导致严重的疲劳问题，因此疲劳强度是立柱与甲板盒连接结构的设计控制因素。立柱与甲板盒连接结构的疲劳设计直接决定了局部节点在复杂海况下维持完好的能力进而影响整体结构承受载荷的极限能力和使用寿命。以往的海洋工程装备重大海损事故也显示，结构的损伤和破坏往往起始或发生于关键区域结构上。因此，立柱与甲板盒连接结构的疲劳设计成为第七代半潜式钻井平台在深海安全作业的重要保障。调研现有半潜式平台设计中立柱与甲板盒连接肘板的结构形式，并根据目标第七代半潜式平台的疲劳分析结果给出多种设计优化方案，对比不同结构节点形式和焊接方式对疲劳强度的影响，给出适用于第七代半潜式钻井平台立柱与甲板盒连接肘板的疲劳强度优化建议。

1 立柱与甲板盒连接结构抗疲劳设计

半潜式钻井平台已发展至第七代，与第六代半潜式钻井平台相比，第七代钻井平台承受的环境载荷更为恶劣，对立柱与甲板盒连接结构的疲劳强度要求更高[3]。调研、整理已有的典型半潜式平台如海洋石油981、GM4000、Ocean500等平台立柱与甲板盒连接结构设计经验，确定第七代钻井平台立柱与甲板盒连接结构的初始设计方案为常见的圆弧形过渡肘板结合周边加厚嵌入板设计。由谱疲劳计算可知，基于第六代钻井平台的初始设计方案的结构形式与尺寸难以满足第七代钻井平台的设计要求。因此，基于初始方案，针对目标平台在立柱外板与甲板盒连接位置，考虑立柱结构过渡位置至甲板盒底板间距及施工方案对肘板尺寸的影响，综合外形尺寸、板厚、材质、趾端形式、连续形式、焊接节点等因素，给出3种适用于第七代半潜式钻井平台立柱与甲板盒连接结构的节点形式，如图1所示。

图1 3种立柱与甲板盒连接肘板结构形式的设计方案

方案1采用与初始方案相同的圆弧形肘板的结构节点形式，考虑到第七代钻井平台作业能力和环境适应能力的提高，增大初始方案的连接结构尺寸与板厚。方案1为初始方案的加强设计，其结构如图2所示。方案2采用带有面板的连接肘板形式，以改善原方案连接肘板自由边的疲劳问题，同时将连接肘板的上下端设计成软趾，改善端部疲劳强度，其结构如图3所示。方案3采用椭圆弧形的过度肘板结构形式，基于方案1增加了肘板长度，使得肘板形状适应连接位置的受力特点，提高连接结构加强效率，同时提升肘板自由边的疲劳强度，其结构如图4所示。

图2 连接肘板设计方案1

图3 连接肘板设计方案2

图4 连接肘板设计方案3

2 不同结构设计方案的谱疲劳分析

2.1 环境条件

采用HydroD软件[4]计算应力谱分析所需的周期性载荷，包含波浪载荷[5]和平台运动引起的惯性力。

在计算节点热点应力时平台工作水深取3 600 m，按作业工况进行计算；根据美国船级社(ABS)规范对应力传递函数计算精度的要求，计算波浪频率区间[6]取0.2～2.0 rad/s、步长为0.05 rad/s，浪向区间取0°～180°、步长为15°，浪向均匀分布；波浪谱选用JONSWAP谱；波浪散布图采用全球海况波浪散布图。

2.2 有限元模型

有限元模型采用板、梁单元建立，有限元模型采用Genie软件建立[7]。关键区域结构的应力谱分析采用子模型方法[8]，在合理考虑子模型边界效应的同时保证子模型范围能够合理反映细化区域的几何形状，保证细化网格至粗网格的光滑过度。

热点附近区域采用4节点壳单元，在建模时不考虑焊缝和焊趾的细节，网格尺寸不大于板厚，并保证细化区域以3个粗网格范围向外保持良好过渡，如图5所示。关键连接结构疲劳分析的子模型范围如图6所示。细化区域以3个强框架间距选取子模型，避免边界影响细化区域应力分布。

图5 3种改进设计方案精细网格有限元模型

图6 整体有限元模型与子模型

2.3 应力传递函数

疲劳谱分析[9]的疲劳载荷的计算都将平台结构作为线性系统，且将波浪视为线性微幅，平台疲劳分析的波浪载荷采用频域法求解，系统输入的波面升高为简谐变化的波浪，节点的应力分量也是简谐变化量，但是合成的主应力的方向随着波浪初相位变化而不确定，主应力不一定简谐变化，因此需要在波浪初相0°～360°搜索满足条件的主应力，最终得到在单位波幅波浪激励下节点热点主应力，即节点的热点应力传递函数，以用于节点热点应力的谱分析。不同方案对应的横向与纵向肘板疲劳热点位置如图7所示。以最大主应力计算的不同连接肘板设计方案热点应力传递函数分别如图8～图13所示。

图7 横向与纵向肘板疲劳热点位置示例

图8 HS29热点应力传递函数

图9 HS31热点应力传递函数

图10 HS07热点应力传递函数

图11 HS09热点应力传递函数

图12 HS04热点应力传递函数

图13 HS06热点应力传递函数

由图8～图13可知，立柱与甲板盒横向连接肘板的传递函数最大值出现在0.75 rad/s频率左右与90°浪向情况下。不同设计方案对传递函数最大值出现的频率与浪向影响较小。

2.4 计算结果分析

根据不同节点结构形式与规范S-N曲线对应关系：打磨后肘板自由边可采用ABS的B级曲线；对于有面板节点形式的肘板腹板边缘，当裂纹垂直于焊缝时采用C级曲线，当裂纹平行于焊缝时采用E级曲线；其他焊接节点采用热点应力E级曲线。不同设计方案热点的疲劳损伤计算结果如表1所示。

表1 不同设计方案热点疲劳损伤计算结果

续表1 疲劳损伤计算结果

由表1可知，初始设计方案的横向肘板自由边与纵向肘板下趾端超出标准要求。方案1通过增大圆弧形肘板尺寸直至结构尺寸达到布置限制对初始方案进行改进：纵向肘板下趾端最大损伤为0.29，满足规范要求；横向肘板自由边损伤为1.10，比初始方案减小35%，当圆弧形结构形式的肘板达到结构布置限制时，其损伤仍不能满足要求。方案2通过增加肘板面板与趾端圆弧过渡对初始方案进行改进，最终全部热点满足要求，方案2为可行方案。方案3通过增大肘板长轴方向臂长至2 450 mm进行改进，此时椭圆弧形肘板自由边损伤为1.00，刚好满足规范要求，方案3也是满足疲劳要求的可行方案。

不同结构形式连接肘板损伤分布如图14所示。由图14可知，由于立柱与甲板盒连接肘板的受力特点，圆弧形肘板损伤最大位置偏向肘板上方，而椭圆弧形肘板最大损伤约出现在椭圆弧的中点位置，说明椭圆弧形肘板形状更适应立柱与甲板盒连接结构的受力特点。在带有面板的方案2中，肘板上的最大疲劳损伤出现在面板与肘板的焊缝位置，同时在上下趾端位置的圆弧处损伤分布也比较集中。

图14 不同结构形式连接肘板损伤分布

2.5 疲劳损伤对海况、浪向的敏感性

结合目标平台疲劳谱分析结果，以方案3自由边计算结果为例，开展浪向与海况的疲劳敏感性分析，判断目标位置疲劳损伤的主要贡献载荷。其中横向、纵向肘板自由边在不同短期海况下的损伤分布如图15和图16所示，考虑结构对称性后不同浪向下的损伤如图17和图18所示。

图15 不同海况下横向肘板损伤分布

图16 不同海况下纵向肘板损伤分布

图17 不同浪向下横向肘板损伤分布

图18 不同浪向下纵向肘板损伤分布

由计算结果可知：对横向肘板自由边贡献较大的海况为波高3.0～7.0 m、周期6.5～9.5 s 的波浪，对纵向肘板自由边贡献较大的海况为波高4.0～7.0 m、周期7.5～9.5 s 的波浪；对横向肘板自由边贡献较大的浪向为90°(迎浪为0°，随浪为180°)，对纵向肘板自由边贡献较大的浪向为135°。

3 结构节点形式与焊接方式对疲劳强度影响

对比连接肘板疲劳危险节点不同结构形式的疲劳损伤计算结果可知，在疲劳损伤刚好满足要求时，有面板形式的肘板(方案2)所需肘板厚度与臂长更小。但有面板形式的肘板设计不利于连接肘板趾端的疲劳强度，计算结果表明采用面板加强(方案2)的趾端疲劳损伤约为圆弧形肘板(方案1)趾端处损伤的3倍。不同连接结构设计方案的疲劳损伤对比如图19所示。

由图19可知，方案3采用椭圆弧形肘板的设计方案，其肘板自由边与趾端的疲劳强度均优于其他方案，同时方案3没有面板加强，因此结构形式简单，是最优方案。

图19 不同连接结构设计方案疲劳损伤对比结果

除连接结构节点形式对疲劳强度有较大影响外，关键区域的焊接方式也直接影响该区域的疲劳性能。半潜式平台结构的焊接方式主要包括无坡口角焊缝、全熔透角焊缝、部分熔透角焊缝等3种。不同焊接方式的应力集中系数差异较大，焊接方式的选取直接影响该区域结构的疲劳性能，根据挪威船级社(DNV)船体结构疲劳分析规范[10]，无坡口角焊缝趾端(见图20)的几何应力集中系数为1.41，全熔透角焊缝趾端(见图21)的几何应力集中系数为1.13。从规范要求角度来看，全熔透焊应力集中系数明显小于无坡口角焊缝趾端的应力集中系数。

图20 无坡口角焊缝规范结构示例

图21 全熔透角焊缝规范结构示例

综上所述，对比不同结构节点形式设计方案的计算结果及不同焊接方式，采用椭圆弧形状的连接结构具有更好的疲劳性能，全熔透焊接方式有利于提高结构的疲劳性能。因此，立柱与甲板盒连接肘板设计采用方案3并采用全熔透焊接方式可明显改善该处结构的疲劳性能，是最适用于第七代半潜式钻井平台立柱与甲板盒连接区域结构的设计方案。

4 结 论

(1) 对于立柱与甲板盒：横向连接肘板疲劳强度对90°浪向最为敏感，横向分离力是该位置结构疲劳设计的主要控制载荷；纵向连接肘板疲劳强度对135°浪向敏感，扭转与纵向剪切是该结构疲劳设计的主要控制载荷，在关键连接结构的设计中可在总强度阶段重点针对这几个浪向的载荷工况进行结构加强与迭代设计。

(2) 在立柱与甲板盒连接结构设计过程中，除保证其疲劳强度外，需要避免连接肘板的下趾端与立柱形状过渡交点位置接近，以免引入额外的应力集中，因此在实际设计中肘板垂向长度不能超过方案1中的2 250 mm，采用方案2与方案3能够有效避免该问题。

(3) 计算发现，带有面板的连接肘板形式能够非常有效地改善原方案肘板自由边位置处的疲劳强度，但面板的引入不利于连接肘板上下两个趾端的疲劳强度。建议在自由边损伤严重不满足要求时采用这种方案。

(4) 对比不同连接结构节点形式，采用椭圆弧形状的肘板能够较好地改善连接结构全部危险热点的疲劳强度，而且该结构方案结构形式简单，焊接量少，避免了焊接带来的缺陷，在立柱与甲板盒连接位置采用该种结构形式结合全熔透焊接型式是最优的设计方案。