半潜平台立柱与浮筒中部不同形式连接节点疲劳寿命分析

傅 强，王洪庆，张国栋，孙立强，李德江，李 磊

(烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)

半潜平台立柱与浮筒中部不同形式连接节点疲劳寿命分析

傅 强，王洪庆，张国栋，孙立强，李德江，李 磊

(烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)

为了研究半潜式平台的立柱与浮筒中纵舱壁连接节点出现焊缝开裂这种疲劳失效现象，利用简化疲劳方法以及三维细化有限元模型，对目前主流平台中所采用两种不同的立柱与浮筒中纵舱壁连接节点形式进行了疲劳寿命评估与分析。首先从结构刚度分配角度，平均应力效应角度分析疲劳裂纹产生的原因；然后利用疲劳分析结果评估不同连接节点对整个平台结构可靠性的影响；最后，基于结构力学性能和刚度匹配角度分析两种节点形式的优劣，确定最优节点设计方案。

半潜式平台；疲劳寿命；连接节点；平均应力；可靠性

Abstract: To make a comprehensive understanding of fatigue failure phenomenon at the middle connection between column and pontoon in semi-submersible units， a fatigue analysis is carried out of two types of connections between column and pontoon by using a simplified fatigue and fine mesh finite element method. Firstly, the reason of crack is found based on structure stiffness distribution and mean stress influence; then, the whole semi-submersible unit structure reliability influenced by different type of connections is evaluated; and at last, the comparison is made of two connection types based on structure mechanics feature, finding out the optimized connections based on the fatigue life of two types.

Keywords: semi-submersible units; fatigue life; connection; mean stress; reliability

半潜式钻井平台是一种深水油气开发设备，长期在恶劣海况中工作，其结构每时每刻都承受着波浪等载荷。由于半潜平台结构形式复杂，甲板与立柱，立柱与浮筒，立柱与横撑之间存在多处刚度突变的设计，导致这些连接处出现应力集中，因此这些关键节点位置的结构主要失效形式为疲劳断裂。设计一种合理的节点形式，降低这些刚度突变处连接节点的应力集中，使应力合理的在结构间传递，是提高整个平台结构疲劳可靠性的关键；准确评估这些关键节点的疲劳寿命，是准确评价整个平台结构疲劳可靠性的重要课题。

目前,国内学者针对半潜平台关键节点做了大量地研究，张剑波[1]在研究半潜式平台的极限强度时，研究了半潜平台中典型管节点的极限强度问题。崔磊等[2]利用裂纹扩展对半潜平台立柱与横撑节点的疲劳强度进行了研究，总结了深水半潜式平台结构疲劳裂纹扩展分析的流程。马网扣等[3]针对半潜式钻井平台节点疲劳强度，利用谱分析方法进行研究，还考虑了有效主应力方向的选取范围。刘刚等[4]针对BINGO9000半潜式钻井平台典型管节点进行了疲劳分析，认为管件弯曲是引起应力集中的主要因素，设计时应考虑抗弯刚度的增加。目前，国内学者主要针对疲劳算法以及平台管节点疲劳强度分析进行研究，少有人针对浮筒立柱这种大构件中部连接节点进行详细研究。据了解，在过往的半潜式钻井平台立柱与浮筒中纵舱壁连接处出现过焊接开裂现象。针对此问题，对目前主流的两种立柱与浮筒连接节点的结构形式进行分析。由于立柱与浮筒连接的结构形式复杂，能否准确地模拟节点位置的刚度，准确捕捉节点位置的热点应力，是保证正确评估结构疲劳寿命的关键因素。利用子模型技术结合细化三维有限元模型准确模拟节点位置的应力集中现象；利用简化疲劳方法重点分析和比较两种当前主流设计中立柱与浮筒中纵舱壁连接节点结构形式以及疲劳寿命的差异。

1 海洋工程结构简化疲劳评估方法

海洋工程结构简化疲劳方法是一种基于海洋结构物应力长期分布特点推导出的一种快速评估海洋工程结构疲劳强度的方法[5-6]。工程经验表明，双参数Weibull分布能够很好地模拟波浪的长期分布特点，并且认为结构应力响应的长期分布也服从双参数Weibull分布。根据统计分析Weibull分布的形状参数和尺度参数；通过设计年限，参考应力回复周期的概率水平，得到许用应力范围。借助简化疲劳结果，对各个方案关键焊缝位置的疲劳寿命进行对比分析，以此评价各方案节点结构形式的优缺点。

1.1 疲劳许用应力-简化疲劳方法

该平台分析中，波浪长期分布选取Weibull分布，形状系数取γ=1.0；设计寿命为20 a，即应力的概率水平为NR=108；m，r,A,C为S-N曲线参数；FDF为疲劳设计系数，取FDF=1； 许用应力范围见方程(1)，详细过程请参考文献[6]。

其中，Γ( )为伽玛函数;m，r，A,C为S-N曲线系数；FDF为疲劳设计系数；δ为Weibull分布尺度函数；γ为Weibull分布形状参数。

由S-N曲线方程N=AΔσ-m可知，疲劳寿命与应力幅值之间存在m次方的关系。根据简化疲劳计算结果简单的估算疲劳寿命值：

(2)

其中，Lact为结构的实际疲劳寿命，Ldesign=20a；SFEM模型提取的最大主应力值；m为S-N曲线参数，保守考虑m=3.0。

图1 疲劳极限曲线Fig. 1 Fatigue limit curve

1.2 模型应力的读取与平均应力修正

在海工疲劳规范中，只针对非焊接结构内的平均应力提出了修正。但是对于焊接结构内部存在平均应力时，却没有明确说明。利用古特曼(GOODMAN)曲线以及Gerber曲线分析对计算应力进行修正，来说明平均应力对节点结构寿命的影响。

古特曼曲线假设疲劳极限线是经过对称循环变应力的疲劳极限A点和静强度极限B的一条直线(如图1所示)，直线方程如式(3)。Gerber曲线假设疲劳极限线为疲劳极限A点和静强度极限B点的抛物线，抛物线方程如式(4)。

其中，σm为平均应力；σb为极限强度，一般取屈服强度；σ-1疲劳极限；σa应力幅值。

2 立柱与浮筒中部连接节点形式

选取目前主流设计中两种典型的立柱与浮筒中纵舱壁(立柱与浮筒中部连接节点，简称连接节点)位置的连接节点结构形式。节点位置如图2所示，节点详细描述如下：

节点结构形式一：见图3(a)，该设计方案在中纵舱壁位置的连接节点位置没有布置肘板。认为应力由立柱中纵舱壁直接传递给浮筒中纵舱壁，立柱与浮筒的相对变形应力集中点集中在立柱外板位置，不会发生在立柱中纵舱壁位置。同时，该方案保持立柱外板连续，浮筒甲板等水平构件断开。

节点结构形式二：见图3(b)，该设计方案认为中纵舱壁处在立柱与浮筒发生相对变形时会产生应力集中，故在形式一的基础之上布置一个软趾肘板，目的是保证立柱中纵舱壁与浮筒的中纵舱壁在端部合理过渡，消除连接端部位置的硬点。同时该方案保持浮筒甲板连续，立柱外板等竖向构件断开。

图2 立柱与浮筒典型连接节点位置Fig. 2 Location of typical connection between column and pontoon

3 疲劳载荷计算

3.1 总体模型的简化疲劳载荷

半潜平台在操作工况下，波浪引起动载荷是造成半潜平台结构疲劳失效的主要原因。利用设计波法针对半潜平台结构对波浪载荷响应特点的分析，基于南海波浪的长期分布特点，选取对结构产生最不利影响的波浪与浪向[7]。利用SESAM程序包中的WADAM模块搜索该半潜平台结构疲劳响应最严重的设计波。利用计算半潜平台总体结构在不同设计波载荷下的响应，为节点局部分析提供边界载荷。考虑结构的对称性，只选择0°到180°内的波浪，波浪要素如表1所示。

表1 某半潜平台针对南海海况校核疲劳强度的设计波列表 0°到180°Tab. 1 Design wave list based on South China Sea state of a semi-submersible and headings between 0° to 180°

4 计算模型与边界条件

4.1 计算模型

模型范围为截取四分之一的立柱与浮筒，节点位置附近网格大小采用t×t(t为板厚)，最大网格为350 mm×350 mm，如图4与图5所示，杨氏模量为2.06 GPa，泊松比0.3，材料为屈服强度355 MPa的高强度钢。

图4 连接节点结构形式一有限元模型网格Fig. 4 Meshes of type 1 connection

图5 连接节点结构形式二有限元模型网格Fig. 5 Meshes of type 2 connection

4.2 边界条件与载荷

边界条件通过子模型技术，将平台总体结构的变形或者位移边界，通过节点对节点，同时依据单元自身形状函数做为插值函数，将总体模型变形合理地匹配到局部模型的边界处。边界条件通过SESAM软件的SUBMOD模块，将总体结构位移结果转化为局部分析模型的边界，作为位移载荷。同时考虑局部海水波浪的动压力与整体模型运动产生的惯性力。

5 结果与分析

5.1 计算结果

从应力结果可以清晰看出(如表2所示)，方案一中立柱中纵舱壁与浮筒中纵舱壁连接位置出现高应力区，并且高应力区沿着立柱与浮筒甲板焊缝方向以立柱中纵舱壁为起点向两侧扩散，如图6所示。方案二高应力区出现在肘板的自由边，且肘板自由边的应力峰值小于方案一中硬点处应力峰值。肘板根部没有出现高应力点，如图7所示。

表2 不同方案主应力峰值大小和出现位置Tab. 2 Peak stress location of different connection types

图6 最大主应力分布云图-方案一(无肘板方案)Fig. 6 Max principal stress plot of connection type 1 (without bracket)

图7 最大主应力分布云图-方案二(加肘板方案)Fig. 7 Max principal stress plot of connection type 2 (with bracket)

5.2 应力结果分析

方案一产生应力集中的原因：立柱的中纵舱壁的纵向尺度与整个立柱纵向尺度相同，所以立柱纵向抗弯刚度主要由纵向外板和中纵舱壁组成。在中纵舱壁位置和立柱外板与浮筒连接的节点位置为刚度突变点，当立柱与浮筒发生相对变形时，会产生应力集中。因此，应力分布云图中，在中纵舱壁与浮筒连接节点位置会出现高应力区。针对结构刚度分布特点，方案二在纵舱壁处设置肘板，降低该点的应力集中程度。从方案二应力分布云图中可以看出，在中纵舱壁处安装肘板，对降低该点的应力集中程度起到关键作用。

图8 方案二主应力方向分布图(图中带箭头方向为主应力方向)Fig. 8 Direction plot of max princiapl stress ( principal stress direction along the arrowhead)

6 疲劳寿命分析

两种方案节点形式的关键焊缝位置疲劳寿命评估结果，如表3和表 4所示。从疲劳计算结果可知，方案二节点位置的疲劳寿命大约为方案一的40倍，方案一节点位置疲劳寿命小于一年。结合DNV规范提供的疲劳失效概率数据， 若采用方案一，平台总体结构一年内发生结构失效的概率高达60%[8]，见表5。故，立柱与浮筒中纵舱壁连接节点也应作为设计的关键节点，应避免节点应力集中，保证节点的疲劳寿命。

此外，两种方案中立柱外板和浮筒甲板连续性的布置不同，如图9。T型焊接节点疲劳特性为，连续构件疲劳寿命大约是断开构件的1.5倍。此外，在波浪载荷的作用下，浮筒以立柱为支点，发生中拱和中垂以及扭转等变形，文中所述节点位于浮筒梁上表面的支点位置，无论中拱中垂其将在浮筒甲板处产生的拉应力；立柱外板主要传递平台惯性载荷，其主要承受压应力。因此保证浮筒甲板的连续性，可以有效提高该节点疲劳强度。从结构设计角度，该区域应力水平很高，板厚设计往往相对较厚，在设计时候应该避免板厚方向存在较大拉应力，这样能够避免沿板厚方向发生层状撕裂，也可以避免Z向钢的用量，所以保持浮筒连续一般为首选。

图9 连接点处舱壁连续性方案示意Fig. 9 Sketch of structure continuous design of bulkhead

方案节点关键焊缝SN曲线选取[8]热点处应力幅值/MPa许用应力幅值/MPa平均应力/MPaGOODMAN应力修正/MPaGERBER应力修正/MPa预估疲劳寿命/aGOODMAN修正后寿命/aGERBER修正后寿命/a加肘板节点方案肘板与立柱外板焊缝肘板与浮筒甲板焊缝肘板自由边立柱外板与浮筒甲板焊缝D9612111117.25120.8844.9640.27044.80D10212111117.25120.8836.3632.57136.24C15516911163.76168.8327.124.24526.97E2610811104.65107.892921.52616.742911.69F26961193.0295.901934.51732.711928.02无肘板节点方案立柱外板与浮筒甲板焊缝E12610816103.13107.7811.669.9211.57F126961691.6795.807.7216.577.66

表4 节点处外表面疲劳寿命评估Tab. 4 Fatigue life of connection outside surface

表5 不同方案节点失效概率以及对平台整体可靠性影响的比较Tab. 5 Comparison of whole semi-submersible units structure reliability of different connections

7 结 语

重点研究了当前主流设计中两种不同立柱与浮筒中纵舱壁连接节点方案的应力分布和疲劳寿命问题。可以得到如下结论：

1) 立柱与浮筒中纵舱壁处连接节点疲劳失效将直接导致整个平台结构无法正常工作，在设计中要将其作为关键节点来处理。方案一中节点结构存在明显的刚度突变，在承受弯矩或剪力的节点位置，避免使用方案一这种节点方案。

2) 在立柱与浮筒中纵舱壁位置的连接节点安装肘板，能够成功地消除由于刚度突变造成的应力集中，提高节点结构疲劳寿命。此外，通过分析主应力方向的分布可知，改变刚度分配，是改变应力传递路径和调整主应力方向与敏感焊缝之间位置关系的有效手段。

3) 合理布置T型节点处构件的连续性，保持强力构件的连续是一种提高疲劳强度的有效办法。

[1] 张剑波.半潜式钻井船典型节点疲劳可靠性分析[J].船舶工程, 2006, 28(1): 36-40. (ZHANG Jianbo. Fatigue reliability analysis of typical joint in a semi-submersible drilling ship[J].Ship Engineer, 2006, 28(1): 36-40.(in Chinese))

[2] 崔磊，何勇.基于裂纹扩展的深水半潜式平台疲劳寿命分析[J].船舶力学, 2013,11:1318-1327.(CUI Lei, HE Yong. Crack propagation-based fatigue life analysis for deepwater semi-submersible platform[J]. Journal of Ship Mechanics, 2013,11:1318-1326. (in Chinese))

[3] 马网扣，王志青，张海彬.深水半潜式钻井平台节点疲劳寿命谱分析研究[J].海洋工程, 2008, 26(3):1-8. (MA Wangkou, WANG Zhiqing, ZHANG Haibin. Study on spectrum-based fatigue life direct calculation for spots of deep-water semi-submerged drilling unit[J]. The Ocean Engineering, 2008, 26(3):1-8. (in Chinese))

[4] 刘刚,郑云龙. BINGO9000半潜式钻井平台疲劳强度分析[J].船舶力学, 2002,6(4)：54-63. (LIU Gang, ZHENG Yunlong. Fatigue strength analysis of BING09000 semisubmersible drilling rig[J].Journal of Ship Mechanics, 2002,6(4)：54-63. (in Chinese))

[5] 胡毓仁,陈伯真. 船舶与海洋工程结构疲劳可靠性分析[M].北京：人民交通出版社，1996. (HU Yuren，CHEN Bozhen. Fatigue reliability analysis of marine and offshore structure[M]. Beijing: People’s Transportation Press，1996. (in Chinese))

[6] ABS, Guide for the fatigue assessment of offshore structures[S]. 2004.

[7] ABS, Mobile offshore drilling units[S]. 2014.

[8] DNV-RP-C203, Fatigue design of offshore steel structures[S]. 2012.

[9] 谢文会，谢彬. 深水半潜式钻井平台典型节点强度研究[J].中国海上油气, 2010, 8(22): 265-269. (XIE Wenhui, XIE Bin. Local strength analysis for typical joints of deepwater semi-submersible rig[J]. China Offshore Oil and Gas, 2010, 8(22): 265-269. (in Chinese))

[10] 刘建成，顾永宁，王自力, 等.浮式生产储油船船体疲劳计算[J]. 海洋工程, 2001, 19(2):50-55. (LIU Jiancheng, GU Yongning, WANG Zili, et al. Fitigue assessment of FPSO[J]. The Ocean Engineering, 2001, 19(2):50-55. (in Chinese))

[11] 刘华祥,王璞.半潜式钻井平台结构设计要点简述[J].中国海洋平台,2011:1-5. (LIU Huaxiang, WANG Pu. Structure design outlines of semi-submersible drilling unit[J]. China Offshore Platform, 2011:1-5. (in Chinese))

[12] DNV-RP-C205, Environmental conditions and environmental loads[S].2010.

[13] DNV-RP-C103,Column-stabilised units[S].2012.

[14] 马延德，张松涛， 刘伟伟.大型半潜式钻井平台安全关键技术研究[J].中国造船, 2003(2):53-60. (MA Yande, ZHANG Songtao, LIU Weiwei. Study of key safety technologies on large size semi-submersible rigs[J]. Shipbuilding of China, 2003(2):53-60. (in Chinese))

[15] 余建星，于洪洁，胡云昌，等. 半潜式海洋平台结构的疲劳失效概率计算研究[J]. 海洋工程, 1994, 12(2):32-39. (YU Jianxing, YU Hongjie, HU Yunchang，et al. Study on the failure probability of fatigue in semi-submersible platform structure[J]. The Ocean Engineering, 1994, 12(2):32-39. (in Chinese))

[16] 刘海霞，肖熙.半潜式平台结构强度分析中的波浪载荷计算[J].中国海洋平台, 2003(2):1-4. (LIU Haixia, XIAO Xi. The wave load calculation in the analysis of structural strength of a semi-submersible[J]. China Offshore Platform, 2003(2):1-4. (in Chinese))

Fatigue life analysis on different detailed connections types at the middle intersection between column and pontoon of semi-submersible units

FU Qiang， WANG Hongqing, ZHANG Guodong, SUN Liqiang, LI Dejiang, LI Lei

(CIMC-Raffles, Yantai 264000, China)

1005-9865(2016)04-0085-08

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.012

2015-09-30

傅 强(1978-)，男，山西人，工程师，从事海洋工程总体及结构方向研究。E-mail：qiang.fu@cimc-raffles.com