基于裂纹扩展原理的深水半潜平台疲劳寿命分析

李良碧, 朱红娟， 李增华, 陈明璐, 嵇春艳

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212003) (2.江苏现代造船技术有限公司, 江苏 镇江 212003)

深水半潜平台长期服役在恶劣的海洋环境中,受到各种载荷的交互作用(如风载荷、海流、波浪载荷、使用载荷和冰载荷等),并且半潜平台是一种大型焊接结构,制造过程中不可避免存在各种类似裂纹的缺陷,这些裂纹(或缺陷)的产生使得疲劳失效成为海洋石油平台破坏的一种主要形式,它们的出现威胁着平台的安全和继续作业．

S-N曲线方法是传统的疲劳强度分析方法,此方法只适用于评估无初始裂纹(或缺陷)结构的疲劳寿命．可靠性分析方法则把不确定因素用随机变量或随机过程来描述,但是在工程实际中,由于缺乏充分的数据统计资料,使得疲劳载荷概率模型的建立存在很大的分散性,阻碍了此方法在工程中的应用．而断裂力学是一门新兴的强度学科,此方法适用于分析含初始裂纹(或缺陷)结构裂纹扩展至失稳状态的疲劳寿命．文献[1]用断裂力学理论研究了时域内固定导管架平台结构的疲劳可靠性；文献[2]对海水环境条件下加筋钢质管节点的疲劳裂纹扩展作了研究；文献[3-4]对半潜式钻井平台典型节点进行了谱疲劳分析；文献[5]对老龄化的自升式平台疲劳可靠性进行了分析；文献[6]对疲劳累积损伤下导管架平台加强管节点的可靠性进行了分析．这些文献对半潜平台疲劳强度的研究大都采用S-N曲线方法和疲劳可靠性方法,而采用断裂力学方法对半潜平台进行疲劳寿命研究的较少．将疲劳分析建立在结构本身存在类裂纹这一客观事实的基础上是保证构件安全的重要途径.因此,文中基于断裂力学方法研究深水半潜平台结构的疲劳寿命．

1 断裂力学分析方法

断裂力学是研究带裂纹材料的强度和裂纹在材料中扩展规律的学科,提出了按照裂纹扩展经验规律来预测裂纹扩展寿命的新方法．海洋平台由于受加工制造、焊接等多种因素的影响,易造成结构内微小裂纹的产生,随着使用年限的增加,这些微小裂纹又扩展成近似半椭圆形的初始表面裂纹．半椭圆形裂纹可能沿长度和深度2个方向发展,疲劳分析中关注的是沿深度方向即沿结构厚度方向的扩展,可采用Paris公式计算．

Paris公式表征了裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子ΔK之间的关系,其中N表示循环次数,a表示裂纹的深度．其关系式如下:

(1)

式中：C为Paris系数;m为裂纹扩展数决定的指数；ΔK为应力强度因子,其表达式为:

(2)

式中：Y(a)为几何影响因子;S为名义应力范围．

疲劳寿命预测的目的是找到失效时的循环次数与给定寿命的裂纹尺寸之间的关系．真实的缺陷被假设为有尖端的裂纹，循环次数N由初始裂纹尺寸ai扩展到裂纹深度a所决定,其表达式由式(1，2)推导为:

(3)

式中：a通常取板厚或管壁厚的值.给定循环次数N,可求出初始裂纹扩展到的深度；给定裂纹的临界深度ac时,可求出导致结构失效的载荷循环次数;参数C和m是与实验条件(环境、频率、温度和应力比等)有关的材料常数，文中C取值为1.07 e-11,m取值为2,Y(a)取值为1．其中ai可通过制造阶段的无损检测(NDE)方法得到．

在设计阶段,如果没有其它可靠的数据,一般认为当缺陷达到深度方向0.15 mm、长度方向0.5 mm时,就定义为疲劳初始裂纹[7]．

2 深水半潜平台疲劳寿命分析

2.1 建立平台总体有限元模型

文中进行疲劳寿命分析的平台是一双下浮体、四立柱、每两根立柱之间有两根水平横向撑杆的深水半潜式平台．该平台长114 m,宽74.4 m,型深38.6 m,设计作业水深3 000 m．平台总体有限元模型(图1)由板单元、梁单元及质量元组成,包括平台主要结构、舱壁及梁等主要构件．

图1 平台的有限元模型Fig.1 Finite element model of platform

2.2 平台总体强度分析

在半潜式海洋平台受到的各种环境载荷中,只有波浪载荷会产生明显的循环应力,其它载荷产生的应力在疲劳分析中暂不考虑[8]．设目标平台服役海域为中国南海海域,根据长期统计资料,此海域波高0～4 m、周期5～10 s的波浪出现的概率较高,约为89%;波高5～9 m、周期5～10 s的波浪出现的概率较小,约为4.5%;波高10 m以上的波浪出现的概率极小．对平台结构在不同波高和周期下的波浪载荷总体响应进行计算，计算结果显示：在平台立柱与横撑相连处(图1)有较大的局部应力产生．

2.3 平台疲劳热点部位选取

由平台总体强度分析结果可知, 立柱与横撑连接处是应力较大的区域,而且是平台关键的连接部位,很容易产生疲劳损伤,所以应将其做为关键节点,进行疲劳寿命分析．

2.4 建立关键节点有限元精细模型和热点应力计算

在不影响关键节点疲劳热点应力计算精度的前提下,从总体有限元模型中提取关键节点进行建模和应力分析．由于建立总体模型时一般会将结构进行简化,如对弱结构(小的纵骨)作为相当厚度计及到板厚中，因此在建立关键节点的有限元模型时,必须建立精细的局部有限元模型进行分析，所以文中对整体建模时简化的纵骨采用梁单元来模拟,并添加省略的小肘板等．对关键节点模型进行了有限元网格重新划分,并将平台整体有限元分析中的位移值做为关键节点局部模型有限元分析的边界条件．因此关键节点局部模型边界处的网格应与整体模型相同部位的网格保持一致,以确保其边界处的节点相一致．图2为平台关键节点的精细有限元模型．

图2 关键节点精细有限元模型Fig.2 Fine finite element model of the key joint

在不同工况条件下(即不同波高和不同周期的波浪载荷)对平台进行该关键节点有限元应力计算．图3标注了关键节点6个疲劳热点的大致位置．表1为平台关键节点热点应力部分工况的计算结果,其中波高1.5 m、周期为6 s(工况2)的应力分布如图4．由工况2的应力计算结果可知,关键节点的高应力区位于两侧横撑与立柱连接处的焊接部位,也就是结构不连续部位．

图3 关键节点疲劳热点分布Fig.3 Fatigue hot spot distribution of the key joint

图4 关键节点工况的应力分布Fig.4 Stress distribution of the key joint for case two

由文献[9-10]可知,应用S-N曲线方法对该关键节点进行疲劳分析时,节点4(图3)为疲劳寿命最短的部位,并且疲劳热点部位极易产生裂纹扩展,因此,在运用断裂力学方法对该关键节点进行疲劳寿命分析时,取节点4的热点应力分析结果进行疲劳裂纹扩展分析是合理的．

表1 关键节点热点应力结果Table 1 Hot spot stress of the key joint Pa

2.5 基于断裂力学的疲劳寿命分析

文中在关键节点的危险点4号节点处(图3)定义一表面初始裂纹,裂纹长度为0.5 mm,裂纹深度h为0.15 mm．以裂纹所在区域壳板厚度为临界尺寸[7],当平台关键节点表面裂纹的深度扩展到壳板厚度25.5 mm,即贯穿时,认为平台关键节点已遭到疲劳损坏．

根据式(3),编制基于裂纹扩展原理的疲劳寿命计算程序,得到随服役年限(每5年计算1次)增加的裂纹扩展情况和疲劳寿命(表2，图5).

表2 随服役年限的裂纹扩展Table 2 Crack propagation with different service years

图5 初始裂纹随服役年限增加的深度变化Fig.5 Depth change of the initial crack with the increase of service life

由于板厚为25.5 mm,从表2可看出,当平台服役年限为35 a时,平台才接近损坏．因此,依据ABS设计规范,该平台满足平台服役年限为20 a的使用要求．

3 结论

1) 立柱与横撑连接处作为半潜式平台重要连接部位,位于波浪载荷的传递路径上,承受较大的交变载荷,是易发生疲劳破坏的部位;

2) 由基于裂纹扩展原理计算的深水半潜平台关键节点的疲劳寿命为35 a,因此,依据ABS设计规范,该平台满足平台服役年限为20 a的使用要求;

3) 半潜平台立柱与横撑连接处长期受到波浪载荷和海水的腐蚀作用,所以应当是日常检修和维护的重点部位．

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