基于实测应变的现役导管架平台疲劳损伤分析

王德洋， 王火平， 王维刚

(1. 中海石油深海开发有限公司， 广东 深圳 518054；2. 东北石油大学， 黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

海上结构的应用可追溯到20世纪30年代的墨西哥湾，后来又在20世纪60年代扩展至北海，海上结构在油气勘探和生产中发挥重要作用，近年来已扩展至风力发电行业。鉴于对自然资源需求的不断增长及对环境保护意识的提高，充分了解这些结构所处的环境及性能演变非常重要。

海上结构一般安装于恶劣环境中，并承受功能和环境载荷(如风、浪和流)作用。由于环境载荷的动态性质，结构承受一定范围的应力，即使其低于材料的屈服应力，也会由疲劳导致海上平台寿命缩短。常见的疲劳分析方法可参考相关设计标准或规范，如中国船级社(CCS)GD-09—2013规范[1]、挪威船级社(DNV)DNV GL-RP-C203[2]规范、美国船级社(ABS)规范[3]。HAVIGH等[4]对适用于海上结构的确定性和频谱疲劳分析方法进行修订。一些学者[5-7]对海上风力发电机、半潜式平台等海上结构进行基于监测数据的疲劳分析。

基于监测的导管架平台疲劳寿命计算步骤如下：从结构安全监测系统中提取结构应变的原始测量数据，对其进行预处理以消除异常值和噪声；通过乘以材料的弹性模量，将应变时间历程转换为应力时间历程；使用雨流计数算法确定应力范围和循环次数；通过统计分析得出环境载荷下的应力谱；使用S-N曲线方法和Palmgren-Miner准则来计算结构部件的疲劳寿命。

本文以南海某现役导管架平台为研究对象，在关键位置安装应变传感器，获得结构实测的应变数据，并使用当前的设计标准分析导管架平台的疲劳损伤。

1 监测对象及系统

1.1 监测对象

选择南海某现役导管架平台作为监测对象，如图1所示。该平台作业地点位于香港南东约220 km的南海，由桩基础、导管架、甲板组块等3部分组成，其中：桩基础为16根裙桩、导管架为8桩腿结构；甲板组块由4层组成、面积为61.0 m×58.5 m。该平台设计水深为146 m，平台长、宽、高分别为85.954 m、68.275 m、187.715 m。

图1 南海某现役导管架平台

1.2 监测系统

应变监测系统主要由应变传感器、前置放大器、应变采集仪、存储服务器组成。应变传感器采用电阻式，并在数据采集前端连接应变放大器，以利于数据的长距离传输。

1.3 测点位置选择

通过对导管架结构进行建模并进行静力学分析，可获得结构的应力分布状态，选取结构高应力区域作为传感器布置参考位置。根据计算结果及现场实际情况，选取蜘蛛甲板B4节点外斜撑和蜘蛛甲板A1节点水平斜撑两处作为监测区域，各区域上测点布置如图2所示。根据应力集中影响区域，将距焊趾3倍斜撑直径截面确定为被监测截面，安装传感器以采集各测点的应变值，其中距B4节点焊趾3 m截面处均匀布置4个应变传感器，编号为1号～4号，距A1节点焊趾2 m截面处均匀布置4个应变传感器，编号为5号～8号。2个截面的传感器布置如图3所示(S1～S4为应变传感器安装位置)，在支管外表面被监测截面位置的极性角φ=0°、90°、180°和270°处各布置1个应变传感器，采集该位置被监测截面上的正应变。

图2 导管架平台传感器布置

图3 斜撑上传感器安装示例

2 应力谱统计分析

2.1 应力集中系数确定

采用数值模型计算应力集中系数，基于多尺度模型计算各测点的应力分布。图4和图5分别为蜘蛛甲板B4节点和A1节点轴向正应力分布图。根据所测量截面的正应力和所提取节点焊缝热点处的正应力，得到节点处的应力集中系数。表1为蜘蛛甲板B4节点和A1节点的应力集中系数。

图4 蜘蛛甲板B4节点正应力分布

图5 蜘蛛甲板A1节点正应力分布

表1 基于数值计算的管节点应力集中因数

2.2 各测点应力幅值与循环次数

取2020年8月27日18点应变监测数据，采样频率为20 Hz，采样时间为3 880 s，采样样本为77 610个。将得到的应力数据经雨流计数法[8]处理，得到蜘蛛甲板B4节点和A1节点2个监测区域各测点的应力循环幅值S与相应循环次数N，如图6～图8所示。

图6 1号～4号测点S与lg N对应关系

图7 5号～8号测点S与lg N对应关系

图8 B4和A1热点S与lg N对应关系

由图6～图8可知：导管架平台各测点的S-lgN曲线存在明显差异，说明各测点对波浪载荷的结构响应差异较大；随应力幅值增加，各测点疲劳循环次数呈指数式下降，当下降至某个范围时，曲线趋于平缓，即高应力幅的发生频次维持在一个较低的水平；在B4监测区域的4个测点中，1号测点的应力幅值较大，达3.3 MPa，4号测点的应力幅值最小；在A1监测区域的4个测点中，6号测点的应力幅值较大，达1.939 5 MPa；与A1热点相比，当循环应力幅值相同时，B4热点的疲劳循环次数更多，说明B4疲劳寿命比A1短。

3 疲劳累计损伤计算

3.1 S-N曲线与Palmgren-Miner线性累计损伤原则

选取DNV GL-RP海上钢结构疲劳设计规范中推荐的S-N曲线，其表达式为

(1)

累积疲劳损伤可根据Palmgren-Miner规则进行计算，表达式为

(2)

式中：D为总累积损伤；ni为通过雨流循环计数法确定的结构承受应力幅值Si的循环次数；Ni为由所选择S-N曲线确定的应力幅值Si下的失效循环数。

在所有应力循环Si作用下，结构的疲劳寿命L为

(3)

式中：T为总循环次数对应的作用时间。

3.2 疲劳损伤度与疲劳寿命计算

由式(1)和式(2)可得到蜘蛛甲板B4和A1两个监测区域8个监测点的疲劳损伤度，考虑2 d监测数据，由式(4)可得8个测点和2个热点(分别为表2中B4节点和A1节点)的疲劳寿命，结果如表2和表3所示。

表2 蜘蛛甲板B4区域测点的疲劳计算结果

表3 蜘蛛甲板A1区域测点的疲劳计算结果

由于短期的应变监测数据不能客观地反应平台真实的疲劳寿命，为此首先统计监测日期内的波浪散布图，然后利用SACS计算实测海况下的疲劳寿命，同时计算设计海况下的疲劳寿命，可得到寿命缩小倍数，接下来利用雨流计数法及S-N曲线得到短期实测应变下的疲劳寿命，最后除以寿命缩小倍数得到监测位置的推算寿命，结果如表4所示。由表4可知，B4节点的推算寿命为314 a，低于设计海况下的448 a，表明根据实测数据推算的寿命更能真实反映平台的使用状况。A1节点的推算寿命为279 531 a，说明该节点的疲劳强度较高，完全能够满足平台安全性能要求。

表4 平台监测位置节点的推算寿命

4 结 论

以南海某现役导管架平台为监测对象，在平台蜘蛛甲板2个区域安装电阻应变传感器，对实测应变数据采用雨流法计算应力谱，最后采用DNV推荐的管节点S-N曲线及Palmgren-Miner累积损伤准则对导管架平台进行疲劳损伤分析，得到结论如下：

(1) 利用电阻应变传感器及前置放大器测量导管架结构的应力幅值变化，通过数据分析证明该测量方法是可行的，测得的数据可用于后续的疲劳寿命预测。

(2) 导管架平台B4管节点的疲劳寿命为314 a，远低于B4管节点的疲劳寿命，且与数值计算的疲劳寿命分布规律相符。

(3) 受测量条件限制，测点选取位置与平台最危险热点位置仍有差异，基于测点估算的疲劳寿命，反演到平台最危险位置的疲劳寿命是需解决的问题。