海洋钻井平台抗冰结构的疲劳分析

刘力吉（渤海装备辽河重工，辽宁　盘锦　124010）

海洋钻井平台抗冰结构的疲劳分析

刘力吉（渤海装备辽河重工，辽宁盘锦124010）

由于陆地油气资源的日趋紧张，海洋蕴含着丰富油气资源，海冰作用对结构的损伤是很严重的，所以对海洋钻井平台抗冰结构的疲劳寿命分析显得十分重要。希望通过本文，对海洋钻井平台冰激疲劳分析方面的研究提供一些可借鉴之处，对抗冰结构的设计和安全评估方面的实际应用提供参考。

疲劳分析；寿命分析

1　模型介绍

由于海洋平台结构比较复杂，附属设施比较多，在建立结构有限元模型过程中一般都要对真实的结构进行一些必要的简化，但是结构的简化必须保证结构和结构动力特性的真实性，即在结构上要保证主体结构几何形状的真实性，在结构动力特性上要保证结构的振动频率和振型的真实性。海洋平台结构的简化主要集中上部质量和桩基的处理上。如果平台上部设备的放置位置和重量已知，可以按照重量的实际分布处理，但在一般情况下，也可以假定平台上部质量均匀分布在整个甲板面积上。对于桩-土相互作用，可以按照有关规范按照等效桩来考虑，等效桩长度取6倍桩径。

冰荷载的大小会直接影响疲劳寿命分析的结果，冰疲劳环境的建立，冰疲劳环境就是冰疲劳环境参数长期的概率分布，因为影响冰情的因素众多，复杂多变，目前难以像波浪环境一样利用短期的观测就可以推断出长期冰参数的概率分布，同时海洋平台的结构也十分复杂，快速准确的计算出冰荷载作用下的热点应力也是十分重要的。

利用ANSYS软件建立其有限元模型，上部用mass21模拟；导管架用实际尺寸由管单元pipe模拟；工字梁用梁单元beam189模拟；入土的部分桩用梁单元pipe16模拟，导管架内的桩用增加导管架厚度近似，桩-土的相互作用由等效桩模拟，阻尼比为0.025，平台实测基频为1.4（图1）。

图1　有限元模型　

对于抗冰平台的冰激振动，振动的能量大部分集中在结构的基频上，在高频上能量分布较少，同时复杂结构高频计算结果精度较差，因此一般在动力响应分析中，只取前几阶

频率就可以保证足够的精度，这里计算取前10阶振型。结构的阻尼比取实测值0.025。

将直立结构稳态振动的冰力函数和随机振动的冰力谱，通过ANSYS疲劳分析软件的瞬态分析和谱分析，作用在节点‘792’，‘796’两个节点，求出结构热点的应力幅值。列举几组，通过软件分析得到应力变化的图谱，通过分析该结构的热点单元为‘809’，节点为‘97’（图2）。

图2　管节点热点位置

2　冰荷载作用在直立结构上的破坏形式

疲劳冰荷载指的是对海洋钻井平台进行疲劳分析时的动冰荷载，对于不同的结构，冰荷载形成的机理和形式是不同的。冰荷载作用在直立结构时，发生挤压破坏；作用在锥体结构时，发生弯曲破坏。

疲劳冰荷载指的是对海洋钻井平台进行疲劳分析时的动冰荷载，对于不同的结构

冰荷载形成的机理和形式是不同的，出现最多的是挤压破坏。挤压破坏可以分为三种，分别为：准静态破坏，自激振动，随机强迫振动。

（1）准静态破坏

低冰速时为准静态破坏，冰速（V＜2cm/s时），在疲劳分析时不考虑。

（2）自激振动

中冰速时为自激振动，冰速（2cm/s＜V≤4cm/s）会发生稳态振动的现象，此时时冰力破碎的频率、相位与结构振动的频率、相位一致，出现频率锁定现象，这样会发生共振现象。有时冰激稳态振动能持续较长的时间，在结构疲劳分析中考虑冰激稳态振动。

（3）随机强迫振动

快冰速时为随机强迫振动，冰速（V≥5cm/s）冰速进一步加快时，结构由稳态振动转变为随机振动。因为直立结构在快速冰力的挤压破坏产生的强迫随机振动，占绝大数工况，所以应在疲劳分析中考虑。

（4）冰厚小于10cm时的平整冰，冰速较慢的冰荷载作用在直立结构上，此时发生弯曲破坏。当冰层较薄，冰的结构不均匀时，冰荷载作用在直立结构上时还会出现屈曲破坏。弯曲破坏和屈曲破坏很相近，发生这两种疲劳破坏时，作用在结构上的冰力周期长，幅值大，冰层较薄，冰的破碎长度也较长，两种破坏形式都有局部挤压破碎过程。

3　结语

冰激振动对海洋平台的寿命影响很大，不可轻视。同时发现，冰激稳态振动是直立结构上发生的最严重的振动情况，对结构的影响最大。由于前人在对冰荷载作用直立结构时的疲劳寿命估计时，忽略了稳态振动的情况，但因时间的关系，本文未考虑锥体结构的疲劳寿命估计，希望本文对以后在海冰情况下，抗冰结构疲劳寿命的估计有所帮助。

海洋开发的潜力巨大，大量的矿藏、油气的开采都离不开海洋平台的运用。我国更是海洋大国，只有我们掌握顶尖的海洋开发技术，我们的资源才会得到合理的开采，因此进一步加强开展海洋平台的相关技术研究是十分必要的。

刘力吉（1989-），男辽宁盘锦人助理工程师本科主要从事海洋钻井平台设计工作。