半潜式平台关键结构选取及疲劳寿命计算.pdf

第52 卷第1期2024年2 月文章编号：10 0 0-38 7 8(2 0 2 4)0 1-0 0 2 8-0 7造船技术Zaochuan JishuDOI:10.12225/j.issn.1000-3878.2024.01.20240105半潜式平台关键结构选取及疲劳寿命计算Vol.52 No.1Feb.,2024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2 12 10 0）摘要：以南海某半潜式平台为研究对象，基于SESAM软件建立有限元模型，计算平台整体结构强度，筛选应力集中区域作为疲劳计算的关键区域。选取截面特征载荷，计算剖面载荷处的运动响应和长期预报幅值。在GeniE模块中，用SET分组的形式建立局部模型代替Submod模块使用的子模型计算，并对关键区域细化网格。在Stofat模块中计算节点处的疲劳损伤，根据SN曲线计算疲劳寿命。结果表明，在平台关键区域1和区域2 的节点疲劳损伤较大、寿命较短。因此，在半潜式平台服役期间，需要对关键结构部位进行定期检修和维护，以保证平台可正常运营。关键词：半潜式平台；结构强度；疲劳寿命；SESAM中图分类号：U661.43文献标志码：AKey Structure Selection and Fatigue Life Calculationof Semi-Submersible PlatformLIU Mingchen,DOU Peilin*,LIU Mengge,ZHAO Jiayi,ZHANG Wen(School of Naval Architecture&Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,Jiangsu,China)Abstract:Taken a semi-submersible platform in the South China Sea as the research object,a finiteelement model is established based on the SESAM software,the overall structural strength of the platform iscalculated,and the stress concentration areas are selected as the key areas for fatigue calculation.The sectioncharacteristic loads are selected,and the motion response and the long-term prediction amplitude at the sectionloads are calculated.In the GeniE module,the local model is established with the SET grouping to replace thesubmodel calculation used by the Submod module,and the grid in the key areas is refined.The fatigue damagesat the nodes are calculated in the Stofat module,and the fatigue life is calculated according to the SN curve.The results show that the fatigue damages of nodes in Key Area 1 and Key Area 2 of the platform are greaterand their lives are shorter.Therefore,during the service of the semi-submersible platform,it is necessary toconduct the regular overhaul and maintenance of key structural parts to ensure the normal operation ofthe platform.Key words:semi-submersible platform;structural strength;fatigue life;SESAM水区域，该类平台移动性和稳定性良好，且上部甲0 引言板空间大，在深水作业中得到广泛应用1。近年来，海洋油气资源开采逐渐由近海走向深半潜式平台在深水区油气资源开采方面拥有优远海。半潜式平台在海洋工程中的应用逐渐走向深势，但平台长期在海上作业，遭受风浪流等各种载基金项目：江苏省研究生科研实践创新项目“圆筒型FPSO运动抑制装置结构强度分析与优化设计”（编号：SJCX22_1960）作者简介：刘明琛（19 9 8 一），男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋结构物设计制造*通信作者：窦培林（19 6 4一），男，教授，研究方向为船舶与海洋工程装备建造工艺技术及力学问题刘明琛，等：半潜式平台关键结构选取及疲劳寿命计算荷作用，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、45514个节点。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33.5m处为坐标原点，平台垂直方向为坐标系之轴方向，水平方向分别为轴、轴方向。为了降29图1有限元模型示例表1平台主尺度项目作业水深/m吃水/m排水量/t平台总质量/t总长/m总宽/m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，进行之向的约束，如图2 所示。节点约束1节点约束3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 9 0 浪向、步长为15，波浪周期为325 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。参数2.500.020.0288252603991.676.0节点约束230造船技术第52 卷第1期单位：Pa单位：PaAbove关键区域23.75526107关键区域43.414181073.0731X1072.732021072.39094X1072.04986X1071.708781071.36771071.02662X1076.855391063.4445910633791.6-Below单PaAho全.59 52 6 x1073.414181073.0731X1072.732021072.390941072.04986X1071.70878X1071.3677X1021.02662X1076.8553910%3.44459X10E37916-Above438579398710关键区域335884031897027910023923119936115949111962179751.639881.812.0543.Below（a）静水强度计算结果（b）波浪载荷作用计算结果图3结构强度计算结果2.0-491.70878101.36771071.02662X1076.8553910%3.444591033791.6Below（a）立柱与甲板连接处海上移动平台入级规范（2 0 2 0）10 1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（b）上部甲板焊缝处图4局部放大图平、浪向分布及发生概率，设定有义波高为13.8m，跨零周期为12 s，浪向为0 9 0，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，以中横部面和中纵剖面为例进行运动响应分析和长期载荷预报。表2 截面受力情况特征载荷所在截面SEC2011中纵剖面SEC2015中纵剖面SEC1012中横剖面SEC1014中横剖面在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。半潜式平台为对称结构，以0 9 0 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，R A O)，在设定的7个浪向分布中，对RAO结果影响较大的人射浪受力情况纵向剪切力纵向扭转横向分离力垂向弯矩刘明琛，等：半潜式平台关键结构选取及疲劳寿命计算313.0X106：浪向角0 2.5106中横剖面2.01061.51061.0X10%5.0105中纵剖面0图5截面受力分析0向角分别为45和9 0。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9 0 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9 0 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SN曲线的Miner累积浪向角15一浪向角30 一浪向角45浪角6 0 0+浪向角7 5浪尚角9 0 51015周期/s(a)SEC10126.0X1075.51075.01074.51074.0107V转3.51073.01072.51072.0X1071.51071.01075.0X10%0-5.0X106022282025：浪向角0 浪尚角15+浪尚角30 一浪尚角45?浪尚角6 0 一浪向角7 5浪角9 0 510152025周期/s(b)SEC1014浪向角0 浪尚角15一浪尚角30 0浪尚角45一浪向角6 0 一浪向角7 5浪尚角9 0 一损伤理论131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（2 0 2 1)141，目标平台在服役期间的设计寿命应满足：D20式中：D为寿命周期总累积损伤度；Tp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：S.(|Hs,Tz,0)=H(w|0)2S,(w|Hs,Tz)(2)式中：S（|Hs,Tz,）为应力响应谱；H(l)l为应力响应传递函数；S（|H s,T z）为波浪谱。应力响应谱的n阶谱矩经过计算得wS。(w|H s,T z,)d amn=Tz=2元/m2mo0=/mo式（3）式（5）中：mn为响应谱n阶谱矩；Tz6541X100(1)5.0X1074.5X1074.01073.51073.01072.51072.01071.51071.01075.010%0-5.01060(3)图6 运动响应计算结果(4)为跨零周期；为短期Rayleigh分布均方差。(5)根据式（3）式（5）求解符合瑞利分布的概率密度函数：51015周期/s(c)SEC2011浪向角0 浪向角15+浪尚角30 0一浪尚角45+浪向角6 0 一浪尚角7 5浪尚角9 0 51015周期/s(d)SEC20152025202532N/!1.61071.41071.21071.01078.0X106斗6.0X10%4.010%2.0X10%0-2.0X10610-10-2 10-310-410-510-10-710-810-97X10806X108(N/斗5X1084X1083X10%2X1081X1080-1X10810-110-210-310-410-510-10-7 10-81092.0X10701.81071.61071.41071.21071.0X1078.0X10%6.0X1064.010%2.0X1060-2.010%10-10-210-310-410-510-10-710-8109(c)SEC20115X1080(/4X1083X1082X1081X108%0-1X10810-110-210-310-410-510610-710-810-9图7长期预报计算结果SS2g(S)4o2exp式中：S为应力范围。造船技术第52 卷第1期2.2107考虑目标结构物遭受随机载荷作用产生的交变02.0X1071.8X107应力是随机的，因此可求解某个海况条件下的累积4500全包括超越概率(a)SEC1012?600全包括超越概率(b)SEC1014450圣包括超越概率圣包括超越概率(d)SEC201580疲劳损伤度：diNAJ。SodS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疲劳关键节点坐标编号组成坐标/my坐标/m&坐标/m热点27.36HOT1t/2t/2热点HOT2t/2t/2热点HOT3t/2t/2热点HOT4t/2t/2热点HOT5t/23t/2注：t为板厚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(6)递，导人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(7)20.9133.5-27.3620.51-27.3619.7127.36-20.9127.36-20.5127.3619.71-14.369.50-14.36一9.9 0-14.36-10.7014.369.5014.369.9014.3610.7020.3627.3620.3627.7620.36-28.5633.5333.533.533.5333.533.533.5333.533.533.5333.5000刘明琛，等：半潜式平台关键结构选取及疲劳寿命计算文件，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tXt14，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导人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2 0.0 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NDkDkK(InN)m/s,u:F(式中：ND为2 0.0 a寿命周期的载荷总循环次数，取值0.6 5X10%；NL 为载荷谱回复周期循环次数，取值10 0；k为载荷工况时间分配因数；K为S-N曲线参数；Sp.为工况k 的应力范围，N/mm；s为工况k 的Weibull参数，取1。节点处的疲劳寿命应计算为T=0D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。4结语以作业水深为2 50 0.0 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33表4关键节点疲劳寿命计算结果编号组成热点HOT1t/23t/2热点HOT2t/23t/2热点HOT3t/23t/2热点HOT4t/23t/2热点HOT5t/23t/2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 9 0 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、SEC 10 14、SEC 2 0 11、SB.k(8)k(9)年损伤度3.27X10-21.43X10-21.59X10-33.07X10-21.81X10-26.38X10-38.87X10-37.33X10-34.93X10-38.94X10-37.46X10-35.13X10-31.26X10-21.92X10-33.08X10-3SEC2015的RAO运动响应和长期载荷预报幅值，发现对面载荷影响最大的人射浪向角为45和9 0 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HOT1H O T 5 的疲劳寿命分别为30.6 a、32.6a、113.0 a、112.0 a、8 0.0 a。平台设计寿命期限为2 0.0 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。参考文献1王梦颖，梁瑜.深水半潜式平台疲劳强度分析J.石油和化工设备，2 0 18,2 1（9）31-33.2 王金峰，王永刚，周庆，等.半潜式平台关键连接结构疲劳寿命/a30.669.9629.032.655.3157.0113.0136.0203.0112.0134.0195.080.0521.0325.034节点形式对疲劳强度的影响J.中国海洋平台，2021,36(5):1-7.3 G H O L IZA D A,G O L A FSH A NI A A,A K R A M I V.Structural reliability of offshore platforms consideringfatigue damage and different failure scenarios J.Ocean Engineering,2012,46(1):1-8.4谢文会，谢彬，赵晶瑞，等.半潜式平台结构疲劳特征研究J.舰船科学技术，2 0 2 0，42（7）：131-135.5谢文会，谢彬，李阳，等.深水半潜式钻井平台断裂力学疲劳寿命分析J.船海工程，2 0 19，48（1）：12 7-12 9.6 走赵仕伦，陈超核，姜永，等，计及板厚腐蚀的半潜式平台疲劳裂纹扩展评估J。哈尔滨工程大学学报，2019,40(8):1406-1413.7 D NV.SESA M u s e r m a n u a l;w a v e a n a l y s i s b ydiffraction and morison theoryZ.2005.8禾嵇春艳，郭建廷,吴帅，等.基于SESAM软件的张力腿平台疲劳强度分析J.舰船科学技术，2 0 16，38造船技术第52 卷第1期(9):39-43.9 DNV GL.SESAM user manual:SESTRA 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International Conference onIndustrial Engineering and Engineering Management(IEEM).2016.8 H W A NG S Y,K IM M S,L EE J H.T h e r m a l s t r e s sanalysis of process piping system installed on LNGvessel subject to hull design loads J.Journal ofMarine Science and Engineering,2020,8(11):926.9 J CHOI Y,AHN J,JO C,et al.Prismatic pressure vesselwith stiffened-plate structures for fuel storage inLNG-fueled ship JJ.OceanEngineering,2020,196:106829.10WU X N,LU H F,HUANG K,et al.Frequencyspectrum method-based stress analysis for oil pipelinesin earthquake disaster areasJ.PLoS One,2015,10(2):e0115299.11LIU W,LIU Y S,YUE Z F.Dynamic reliability ofaircraft hydraulic pipelines under random pressurepulsation and vibration EB/OL.https:/www.emerald.1108/15736101011095154/full/html#：:t e x t =T h e%20mean%20square%20deviations%200f%20pulsations%20and%20vibration,the%20security%20specification%20of%20the%20hydraulic%20power%20unit.12中国船级社.钢质海船人级规范M.北京：人民交通出版社，2 0 2 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