基于SACS的在役平台谱疲劳分析

付殿福，侯金林，李俊男，张 晖，刘 明，张 超

(1.中海油研究总院，北京100027;2.中国舰船研究院，北京100192)

0 引 言

导管架平台作为近海油气资源开发的基础性设施具有较好的使用性及经济性，但由于所处海洋环境复杂恶劣，在较长的服役期内长期承受波浪力的作用，在这种交变载荷作用下，平台的疲劳寿命显得异常重要［1］。

近年来国内海域建造于20 世纪90 年代海上平台经历了20 多年的服役期，陆续达到设计年限;但由于部分老油田仍具开采价值，以及周边新区块开发项目的接入，要求这些即将达到设计年限的平台继续服役，因此需对服役期满的平台进行延寿评估。本文目标平台的延寿评估工作是源于南海惠州/西江区块的新发现油田，经经济专业核算该油田规模不具备独立开发的条件，宜通过依托附近油田进行高效高速开发，因此需依托本文目标平台进行开发。

本文以南海西江某平台的延寿评估为基础，简要介绍基于谱分析理论使用SACS 程序进行海洋平台疲劳分析的方法，重点阐述在役平台延寿评估过程中值得注意的问题，并提出一些对服役期满平台进行寿命挖潜的常用实践方法。

1 波浪谱疲劳分析基本原理

通常针对某一具体工程，可能有多种有效的疲劳计算方法，但当波高和波浪产生的荷载间存在一定线性关系并且结构响应与外部荷载存在线性关系时，谱疲劳分析则为最恰当的方法［2］。

1.1 波浪力计算

对导管架平台而言，波浪载荷主要作用的结构主要是“小尺度构件”，这些构件的D/L ≤0.2 (D为构件直径，L 为波长)。对于这类“小尺度结构”，波浪的拖曳力和惯性力是主要分量。作用在平台桩腿构件上的波浪载荷可按Morison 公式计算［3］:

式中:F 为单位长度杆件所受波浪力;ρ 为海水密度;D 为柱体直径;U 为水质点速度;为水质点加速度;CD为阻尼系数;CM为惯性系数。

1.2 传递函数

由于海洋波浪是导致疲劳的主要因素，因此谱疲劳分析的首要任务是确定应力范围的传递函数

传递函数是表征结构某处在某一波浪频率ω 和方向角θ 时，单位波高产生的应力范围σ。在特定疲劳情况(波浪方向)下，各种不同波高但波陡相同的波作用在结构上，由此生成传递函数。使用分析程序计算不同波位置下的应力，并获得最大和最小应力之差即应力幅值，进而得到所有波的单位振幅的应力范围与相应频率的关系即传递函数，如图1 所示。

图1 传递函数Fig.1 Transfer function

1.3 海浪谱

到目前为止，在船舶及海洋工程中常用的波浪谱有Pierson-Moskovitz 谱(P -M 谱)和北海波浪联合研究计划谱(JONSWAP 谱)［4］。P -M 谱是根据北大西洋上1955 -1960 年的观测资料于1964 年首先提出的，经过后人的应用和修改，目前常用的双参数P-M 谱表达式为

式中:ωp为谱峰圆频率;ωp= 2π/TP;TZ为平均跨零周期。

双参数的P-M 谱不仅适用于充分发展的海浪而且也适用于成长中的海浪或由涌浪组成的海浪。

1.4 Miner 线性累积损伤法则

Miner 线性累积损伤法则是目前工程设计中广泛使用的疲劳损伤法则。该法则认为:一个给定的应力水平所消耗的疲劳寿命是该应力水平作用的循环次数与该应力水平作用到破坏所允许的次数比，并把该比值称为“损伤比”［1］。构件在应力水平Si(N)下经受ni次循环的损伤为Di= ni/Ni，若在m 个应力水平Si下，经受ni次循环，则可定义其总损伤为:

式中:D 为累积疲劳损伤;n(Si)为应力水平(Si)下的实际循环次数;N(Si)为应力水平(Si)下的疲劳破坏循环次数;k 为安全系数。

2 实例分析流程

2.1 建立分析模型

使用SACS 程序建立导管架平台的三维模型。甲板上如果有钻机、生活楼等结构应对其进行足够详细的模拟，以其捕捉动力效应。

因在役平台在服役期内几乎每年都会有一定的改造，评估中所使用的结构模型中应包含目标平台历次改造信息及最新检测信息。实例平台结构模型如图2 所示。

图2 疲劳分析模型Fig.2 Fatigue model

2.2 疲劳分析参数

本算例中所使用的疲劳分析输入参数如表1所示。

表1 疲劳分析基本参数Tab.1 Basic parameters of fatigue analysis

2.3 疲劳分析流程

使用SACS 程序对目标平台进行疲劳分析的具体流程如图3 所示。

图3 SACS 程序疲劳分析流程Fig.3 Fatigue analysis flowchart based on SACS

“疲劳损伤中心”是指波浪在哪个波高和周期左右邻近的范围内使结构产生了最大的疲劳损伤(占的比例最大)。大部分的疲劳损伤由中低海况引起，因此损伤中心应该是波浪散布数据中概率较高的中低海况波浪。本文使用SACS 程序计算得到中心损伤波参数，波高:H = 5.50 m，周期:T = 6.04 s。

获得中心损伤波参数后，使用该波浪参数生成4个方向的波浪激力，如表2 所示。为精确获得导管架平台固有频率，应使用SACS 程序进行桩-土耦合分析，不建议采用6 倍桩径处固定来模拟［5］。通过桩基础线性化进而获得桩基础的刚度矩阵。

表2 桩基线性化的激励工况Tab.2 Pile linearization excitation conditions

在工程中，具有实际意义的只有几个低阶固有频率及相应的振型［6］。通过特征值分析计算了导管架30 阶模态，计算得到平台结构前3 阶固有频率分别为2.68 s，2.66 s，1.87 s。

利用SACS 程序的WAVE RESPONSE 模块生成所选16 浪向的传递函数，为节省计算耗时，本例中选取对应16 个传递函数的33 个不同周期的波浪来模拟传递函数，用以进行疲劳分析。

疲劳寿命计算中考虑到平台的延长服役期限20年，固将设计寿命定为40 年。该平台设计建造于20 世纪90 年代，因此先选用API - X Prime Curve With Thickness Correction (AXP)曲线来校核疲劳寿命，对于具有较短寿命的节点，结合该平台建造实际情况选用有焊接外形控制的API - X Curve With Thickness Correction (AXX)曲线重新校核疲劳寿命。

2.4 疲劳分析结果

表3 列出了该平台疲劳分析结果，发现所有节点均满足延长服役期的寿命(40 年×2 倍安全系数)要求。

表3 疲劳分析结果汇总Tab.3 Fatigue analysis result

3 结 语

1)使用SACS 程序可较为快捷的对在役平台进行谱疲劳寿命分析，本导管架平台的评估结果表明其疲劳寿命满足本项目依托要求，目标平台可作为项目依托平台。

2)通过分析发现该平台疲劳寿命较短的节点均位于导管架处于泥面处的最底层水平层。通过其他项目的疲劳分析发现一般导管架平台重要的疲劳节点大都位于最底层水平层处，日常生产维护中应重点关注此部分节点。

3)评估实践中的在役平台挖掘疲劳寿命潜力常用方法

①对在役平台进行疲劳评估时，使用新版规范通常难以通过评估。一般建议使用原设计规范标准进行评估，相对容易通过评估。使用规范时应注意所用规范应系统的封闭。

②部分在役平台服役期内通常进行一定的改造，同时平台上部组块质量对平台固有频率有较大影响，进而对平台疲劳寿命有较大影响。直接使用最终改造状态的荷载对平台进行的疲劳分析常难以获得较好的疲劳寿命。又因现行疲劳分析中的疲劳损伤是基于线性叠加理论，固可考虑分不同改造阶段进行疲劳损伤的分阶段计算，再将各阶段损伤结果进行线性叠加，计算出累积损伤进而求得最终的疲劳寿命。这种方法对于发掘平台结构疲劳寿命潜能有较大帮助。

［1］王浚璞，艾志久，李旭志，等．基于SACS 的海洋平台疲劳可靠性分析［J］．石油矿场机械，2008，37(9):24－27．WANG Jun-pu，AI Zhi-jiu，LI Xu-zhi，et al．Fatigue reliability analysis of off shore engineering based on SACS［J］．Oil Field Equipment，2008，37(9):24－27．

［2］海洋工程结构物疲劳强度评估指南［S］．中国船级社，2013．

［3］Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms －working stress design［Z］．API RP 2A－WSD，21st，Dec 2000，IDT．

［4］胡毓仁，李庆典，陈伯真．船舶与海洋工程结构疲劳可靠性分析［M］．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2009:67．

［5］修宗祥，杨秀娟，闫相祯，等． 基于谱分析法的深水导管架平台疲劳寿命可靠性分析［J］． 中国海上油气，2010，22(2):59 －64．XIU Zong-xiang，YANG Xiu-juan，YAN Xiang-zhen，et al．Fatigue reliability analysis of deep water jacket platform based on spectral method［J］．China Offshore Oil and Gas，2010，22(2):59 －64．

［6］周广利，白若阳．导管架平台的动力分析［J］．中国海洋平台，2006，21(1):45 －48．ZHOU Guang-li，BAI Ruo-yang． Dynamic analysis for jacket platform［J］．China Offshore Platform，2006，21(1):45－48．