半潜式平台关键结构选取及疲劳寿命计算

刘明琛, 窦培林, 刘梦鸽, 赵佳怡, 张 文

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212100)

0 引 言

近年来，海洋油气资源开采逐渐由近海走向深远海。半潜式平台在海洋工程中的应用逐渐走向深水区域，该类平台移动性和稳定性良好，且上部甲板空间大，在深水作业中得到广泛应用[1]。

半潜式平台在深水区油气资源开采方面拥有优势，但平台长期在海上作业，遭受风浪流等各种载荷作用，会遇到一些极端天气的影响，这对半潜式平台的结构强度和安全性要求较高。由于半潜式平台长期在深水区服役，距离岸边远、来回运输慢、设备拆装麻烦等缺点导致平台检修困难，因此在半潜式平台设计之初需要注重对关键连接处及典型节点处的计算和标注，便于后期检修。半潜式在服役期间，难免会出现检修不及时或受损处难以发现等情况，易造成安全事故。

半潜式平台在服役期间遭受各种外部载荷及平台自身载荷，易出现结构破坏或疲劳损伤等问题，需要对其进行整体结构强度分析和关键处的疲劳寿命计算，为平台安全提供保障。王金峰等[2]通过SESAM软件研究某第七代半潜式平台关键节点和关键连接处的疲劳寿命，并提出优化方案。GHOLIZAD等[3]基于有限元分析理论完成某海域自升式平台疲劳分析，并提出一种基于极端工况的疲劳计算方法。谢文会等[4-5]根据断裂力学和谱疲劳分析等理论方法对南海某半潜式平台进行疲劳计算，验证断裂力学在半潜式平台裂纹扩展的适用阶段，为半潜式平台的疲劳强度分析提供理论参考。此外，将南海和墨西哥湾等两种海况进行对比，研究平台的结构响应情况。赵仕伦等[6]参照船级社规范，通过波浪散布图和传递函数计算得到随机疲劳载荷结果，对平台立柱与横撑连接处的裂纹扩展进行研究，计算该处疲劳寿命。

基于南海作业工况，利用SESAM软件对南海某半潜式平台进行简化分析，计算该平台的结构强度，并对关键节点处进行疲劳寿命计算。

1 半潜式平台结构强度计算

1.1 结构模型建立

该平台主要由下部浮体、立柱和上部模块组成，通过SESAM软件中的GeniE模块建立模型，赋予相关设计参数，有限元模型如图1所示，平台主尺度如表1所示。GeniE中的有限元模型最后划分网格尺寸为0.8 m，包括板单元、梁单元和上部平台质量块等，网格划分结果为49 416个单元、45 514个节点。

图1 有限元模型示例

表1 平台主尺度

1.2 边界条件设置

半潜式平台在SESAM/GeniE中建立有限元模型，以平台上层甲板中心(月池正中心)向下33.5 m处为坐标原点，平台垂直方向为坐标系z轴方向，水平方向分别为x轴、y轴方向。为了降低或消除在计算过程中出现六自由度的刚性位移对平台模型的影响，需要选取节点进行约束。模型设置的约束点在下部浮体底部，进行z向的约束，如图2所示。

图2 边界条件约束

1.3 结构强度计算及关键结构选取

半潜式平台发生的疲劳损伤一般出现在结构连接处或焊接节点等部位，因此对平台进行疲劳分析工作量太大，需要对平台进行整体强度计算，筛选应力集中区域，关注关键结构连接处和焊接节点处的应力分布。

在GeniE中将平台导出为T文件，在HydroD中的Wadam模块[7]进行水动力分析，设置波浪载荷为0°～90°浪向、步长为15°，波浪周期为3～25 s、步长为2 s。根据Wadam计算导出的G文件得到平台的一阶波浪力、附加质量和附加阻尼等计算结果[8]。利用Sestra模块[9]对平台进行结构强度计算，计算结果如图3所示。图4为图3(a)中两处关键结构区域的局部放大图。

图3 结构强度计算结果

图4 局部放大图

《海上移动平台入级规范(2020)》[10]要求：在结构强度分析过程中，对于平台可能产生的疲劳裂纹、出现裂纹扩展的任一部位和出现应力集中区域的关键结构均应进行疲劳校核，以确保目标平台满足设计使用年限。对于半潜式平台的关键结构选取，应包含立柱与甲板连接处、甲板焊缝处、柱体与壳体连接处等。此外，在设计载荷过程中应考虑静载工况、静载荷与环境载荷的组合工况。

由静水强度计算结果可得到应力集中出现的区域，关键结构均出现在结构连接处和焊缝节点。由波浪载荷作用计算结果可知：在立柱与下部浮体连接处出现应力集中区域。

目标区域出现在平台上部甲板与导管架连接处、立柱与下部浮体连接处、平台上壳体与立柱连接处。将前两个连接处选为关键结构区域，确定关键节点坐标，便于进行关键结构区域的疲劳分析。后一个连接处出现的应力集中区域应力较小，不进行计算。

2 截面载荷预报

半潜式平台由于在海上长期服役，持续受到波浪载荷作用，因此需进行作业工况下的波浪载荷预报[11]。选取波浪谱为JONSWAP谱，定义概率水平、浪向分布及发生概率，设定有义波高为13.8 m，跨零周期为12 s，浪向为0°～90°，设置步长为15°，利用SESAM软件中的Postresp模块进行波浪载荷的长期预报。

半潜式平台立柱和下部浮体连接处受力情况如表2和图5所示，该处危险截面受力集中，以中横剖面和中纵剖面为例进行运动响应分析和长期载荷预报。

图5 截面受力分析

表2 截面受力情况

在Postresp模块中输入相关参数，对中横剖面和中纵剖面进行计算。运动响应计算结果如图6所示。长期预报计算结果如图7所示。

图6 运动响应计算结果

图7 长期预报计算结果

半潜式平台为对称结构，以0°～90°浪向为研究内容，剩余浪向以此为参考。由图6可知：对于中横剖面和中纵剖面关键处的响应幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)，在设定的7个浪向分布中，对RAO结果影响较大的入射浪向角分别为45°和90°。由图7可知：在波浪载荷长期预报幅值中，对中横剖面和中纵剖面的关键节点应力载荷影响较大的是45°和90°浪向角。设定每个浪向的发生概率相同，计算结果显示入射浪向角度为45°和90°时对关键处的影响最大，说明这两处浪向分布下的节点受力危险，并可能与平台装载情况有关。

3 关键节点疲劳分析

3.1 疲劳谱分析

疲劳谱分析方法在疲劳分析中具有广泛应用，依据平台在海洋中受到的波浪载荷进行计算，得到波浪力作用结果，并将其施加到结构物上，得到响应谱。疲劳分析主要使用SESAM中的Stofat模块[12]完成相关计算，利用S-N曲线的Miner累积损伤理论[13]进行求解，对热点处的疲劳强度进行评估。

根据《船体结构疲劳强度指南(2021)》[14]，目标平台在服役期间的设计寿命应满足：

(1)

式中：D为寿命周期总累积损伤度；TD为设计寿命，a。

疲劳谱分析通过SESAM软件求解应力响应传递函数和应力响应谱，根据随机过程理论[15]可得：

Sσ(ω|HS，TZ，θ)=|H(ω|θ)|2Sη(ω|HS，TZ)

(2)

式中：Sσ(ω|HS，TZ，θ)为应力响应谱；|H(ω|θ)|为应力响应传递函数；Sη(ω|HS，TZ)为波浪谱。

应力响应谱的n阶谱矩经过计算得

(3)

(4)

(5)

式(3)～式(5)中：mn为响应谱n阶谱矩；TZ为跨零周期；σ为短期Rayleigh分布均方差。

根据式(3)～式(5)求解符合瑞利分布的概率密度函数：

(6)

式中：S为应力范围。

考虑目标结构物遭受随机载荷作用产生的交变应力是随机的，因此可求解某个海况条件下的累积疲劳损伤度：

(7)

式中：NL为设计寿命周期的应力循环次数；A、m分别为S-N曲线相关参数。

最后根据各海况条件下的疲劳累积损伤度进行求和，得到寿命周期总累积损伤度D。

3.2 疲劳关键节点确定

将图3中的4处关键区域选为疲劳计算目标区域，对其网格细化且网格大小不超过热点处受力构件的板厚。此外，考虑图3(b)下部浮体和立柱连接处长期位于海水中，易发生表面侵蚀，因此选取其中一处应力较大的连接区域进行疲劳计算。在GeniE中确定目标处的节点坐标，共计5处，如表3所示。

表3 疲劳关键节点坐标

若对整个平台进行疲劳分析则工作量巨大，且计算结果不够精确，因此常采用SESAM软件中的Submod模块处理局部模型，实现整体模型载荷传递，导入Stofat进行疲劳分析。

在GeniE中建立子模型进行整体载荷传递，导出子模型T文件。在Submod模块中新建Job工作文件，将整体模型强度计算结果R3文件与子模型进行边界节点匹配。若在GeniE中设置分组Regular Sets则可进行模型拆分，不再进行Submod模块处理。两者计算结果误差在参考范围内，使用SET分组形式进行局部模型处理。

在模型计算中，根据目标区域的热点坐标使用GeniE将上部平台设置分组Regular Sets，以SET组形式导入Stofat模块进行处理。局部模型如图8所示。

图8 局部模型示例

在分组Regular Sets中对目标区域进行网格细化，疲劳部位的网格大小为t×t[14]，将处理的局部模型进行Wadam二次计算，最后将结果接口文件R3.SIN导入Stofat模块进行疲劳分析。

3.3 疲劳寿命计算

在Stofat模块中计算疲劳时，主要参考文献[16]分析使用的S-N曲线DNVC-I。

半潜式平台设计疲劳寿命为20.0 a，参照文献[14]第3章第3.5节，计算节点在工况中的疲劳累积损伤度为

(8)

式中：ND为20.0 a寿命周期的载荷总循环次数，取值0.65×108；NL为载荷谱回复周期循环次数，取值100；αk为载荷工况时间分配因数；K为S-N曲线参数；SD，k为工况k的应力范围，N/mm2；ξk为工况k的Weibull参数，取1。

节点处的疲劳寿命应计算为

(9)

根据南海海况输入相关参数，对选取的热点部位进行疲劳寿命计算，计算结果如表4所示。

表4 关键节点疲劳寿命计算结果

4 结 语

以作业水深为2 500.0 m的半潜式平台为例，研究平台结构强度和节点处的疲劳寿命，以提高平台的安全性和稳定性，避免或减少经济损失。

基于SESAM软件对半潜式平台在南海作业工况条件下的整体强度进行计算，得到静水工况条件下的结构强度和浪向角为0°～90°的波浪载荷作用下的整体结构强度，根据应力集中区域和关键结构连接处，筛选5处易产生疲劳损伤的关键区域。

半潜式平台在服役期间，中横剖面和中纵剖面界面处遭受载荷集中，属于危险区域，选取其截面计算特征载荷SEC1012、SEC1014、SEC2011、SEC2015的RAO运动响应和长期载荷预报幅值，发现对剖面载荷影响最大的入射浪向角为45°和90°。

对筛选的关键区域进行疲劳分析，确定热点坐标，根据南海作业工况，参考相关规范，确定疲劳分析方法。由Stofat模块的计算结果可知：关键区域HOT1～HOT5的疲劳寿命分别为30.6 a、32.6 a、113.0 a、112.0 a、80.0 a。平台设计寿命期限为20.0 a，因此计算得到的疲劳寿命满足设计要求。通过对比结果发现，关键区域HOT1和HOT2的疲劳损伤更大，疲劳寿命相对较短，应进行定期检修和维护，保证使用安全。