圆筒桩腿自升式平台的疲劳谱分析

刘 静，傅 强，张国栋，尹秀凤

（中集海洋工程研究院，山东烟台 264000）

圆筒桩腿自升式平台的疲劳谱分析

刘 静，傅 强，张国栋，尹秀凤

（中集海洋工程研究院，山东烟台 264000）

应用SACS软件计算圆筒桩腿自升式平台对波浪载荷的整体响应，并评估出疲劳敏感区域，再通过Abaqus软件建立疲劳敏感区域的有限元子模型，通过多层线性简化对疲劳载荷进行预处理，将平台的整体响应反映到子模型中，为疲劳谱分析直接搭建起合理的应力幅传递函数，而非应力传递函数，大幅简化计算过程，节省计算时间，并应用自编程序完成疲劳敏感区域的疲劳谱分析后处理，得到疲劳寿命。应用该方法完成的烟台中集来福士海洋工程有限公司的某在建圆筒桩腿自升式生产平台的疲劳分析报告已通过ABS船级社审核。

自升式平台；圆筒桩腿；疲劳谱分析；应力幅传递函数

0 引言

自升式平台作为移动式海上平台，在海洋油气开发中有着广泛的应用。对于自升式平台，疲劳问题主要体现在随机波浪载荷作用下产生的随机交变应力对平台桩腿造成疲劳损伤[1]。疲劳“谱分析”是一种线性分析方法，应力传递函数的建立是疲劳谱分析方法的基础[1]。对于圆筒形桩腿自升式平台而言，疲劳敏感区域的应力与平台整体响应之间关系复杂，很难通过直接方法得到二者之间的关系，应力传递函数搭建困难，因此非常有必要探索一种

快速搭建应力传递函数的方法，以便快速可靠地评估平台疲劳强度。

本文通过自升式平台整体分析软件，计算出平台对波浪载荷的整体响应，并应用子模型方法将平台整体响应反映的疲劳敏感区域，通过多层合理的线性假设，快速搭建起合理的应力幅传递函数，而非应力传递函数，简化计算过程，缩短计算时间，为疲劳谱分析建立基础。并通过实例验证了该方法的可行性和正确性，得到ABS船级社的认可。

1 圆筒桩腿自升式平台参数

中集来福士海洋工程有限公司某在建自升式生产平台设计为长方体船型，主船体前后左右对称，尺寸为75 m×50 m×7 m，四根圆筒形桩腿支撑主船体，每根桩腿长112 m、直径4.5 m，桩腿前后左右间距为47 m×42 m。平台主要功能是搭载天然气压缩模块，压缩油田伴生气并注回油井，增大油压，提高产油率，并且节能降耗、绿色环保。此圆筒桩腿自升式生产平台的效果图如图1所示。

图1 圆筒桩腿自升式生产平台

此平台为墨西哥湾某油田量身设计建造，平台到达该油田压桩站位后将连续工作8年～12年，无需移动或者频繁升降平台，平台主要结构的设计疲劳寿命为25年。因此对此平台的疲劳计算只考虑站位作业工况，其他拖航、预压载、升降等工况操作次数极少，只做强度计算即可，无需疲劳计算。

2 平台整体响应计算

2.1 平台整体响应模型

对圆筒形桩腿自升式平台在站位作业工况下的疲劳计算，首先利用结构分析软件SACS计算平台在波浪作用下的整体响应。

平台的SACS模型如图2所示，主船体和固桩架简化为箱型梁框架结构[2]，由四根圆筒形桩腿支撑，在桩腿底部模拟海底基础作用采用弹性支撑，圆筒形桩腿直径4.5 m，船艏方向为零度方向，逆时针旋转为正向。

图2 平台整体模型

整体模型建立过程中要考虑水深、气隙、入泥深度、桩腿水动力参数等因素，SACS整体模型计算参数如表1所示。考虑海生物和雷诺数影响，计算得每条桩腿的拖拽系数为 1.11，惯性力系数为1.47[3]。

表1 SACS整体模型计算参数

2.2 疲劳载荷定义

疲劳损伤破坏是自升式平台结构失稳的主要原因之一，平台在作业海域承受复杂的环境载荷，包括风、浪、流、冰、地震等多种载荷，但波浪载荷作为一种随机交变载荷是引起疲劳主要原因，其他载荷可作为静态载荷处理[1,2]，假设其对疲劳损伤没有贡献。

计算平台整体响应，只考虑对疲劳有主要贡献的重量载荷和波浪载荷。平台提升重量是12 700 t，四根桩腿重量为4 300 t，桩靴重量为460 t，由于重量载荷引起的一阶P-Δ效应通过SACS软件自行计算[4]。对于波浪载荷，在SACS软件中选用以Stokes五阶波理论为基础，使用莫里森公式计算不同浪向的波浪载荷。

参考国内外自升式平台设计经验可知，波浪载荷产生的循环倾覆力矩是导致平台疲劳敏感区产生疲劳应力的主要原因。在模型中360°方向每隔30°取一浪向，共取12个浪向，按照等频率间隔原则从1.0 s～33 s中取17个波浪周期，共需计算204个波浪。对每个波浪间隔5°相位对波浪载荷进行搜索，搜索出在泥面处产生最大倾覆力矩（Max.OTM）和最小倾覆力矩（Min.OTM）时的两个相位，定义为一组工况，共定义204组408个工况，每组工况对应一个波浪载荷幅值。

2.3 疲劳敏感区域

对于圆筒形桩腿自升式平台而言，疲劳敏感区主要集中在桩腿上部与固桩架相连的区域、桩腿底部及桩靴区域。本论文主要通过项目设计实例详细阐述上述疲劳敏感区域的疲劳谱分析方法。

该项目中两个疲劳敏感区域，即桩腿上部与固桩架相连的区域、桩腿底部及桩靴区域，其有限元子模型如图3和图4所示。

图3 桩腿上部与固桩架相连的区域子模型

图4 桩腿底部及桩靴区域子模型

3 线性化假设

结构疲劳损伤程度的大小主要与应力变化范围（即应力幅值）和作用次数有关[1]。为简化计算过程，缩短计算时间，在足以保证平台疲劳计算准确性的基础上进行一系列线性化假设，可直接建立某一特定波浪频率下从波高到结构应力幅值的传递函数，将计算量大大缩减。作用在结构上的波浪载荷幅值与波高存在非线性关系，但如果以某中等波高为基准，对波浪载荷幅值与波高关系进行线性逼近，其精确程度足以满足疲劳校核要求[5,6]，因此在此平台波浪载荷计算时以某一特定波高为基准，线性逼近实际的波浪载荷幅值和波高关系曲线。

结构内力与载荷呈线性关系，波浪载荷的动态放大也线性反映到结构内力上，因此每组波浪工况对应一组结构内力幅值，此内力幅值作为后续疲劳子模型计算的载荷输入，即可计算出对应每个波浪的结构应力幅值。下面以0°浪向某一特定波高和频率的波浪为例，详细说明计算过程。

4 工况计算样例

在平台整体SACS中，定义0°方向某一特定波高和频率的Stokes波，设置相位计算步长为5°，共计算72个相位，搜索在泥面位置产生最大和最小倾覆力矩的相位，并将输出最大倾覆力矩和最小倾覆力矩的两个相位作为两个工况分别结算，得到一组平台整体响应。同样方法，按照12个浪向和17个波浪周期组合，定义408个工况，得到204组平台整体响应，覆盖平台所有站位作业海况[6]。

平台整体响应计算完成后，对疲劳敏感局部区域建立有限元子模型，并从平台整体响应中提取结构内力，经自编程序预处理后作为载荷幅值输入子模型，计算可得到疲劳应力幅值。而不是按照通常的疲劳计算方法，先根据交变载荷计算出交变应力，再根据交变应力计算出应力幅值，然后按照S-N曲线评估结构疲劳。在一系列合理的线性化假设基础上，通过自编程序对载荷进行预处理，使子模型的计算工况减半，对疲劳计算过程大大简化，同时也能保证疲劳评估结果的精确度和可靠度。

从平台整体响应计算结果中分别提取节点008M和节点0072位置的内力，经自编程序预处理

后作为疲劳载荷幅值施加到有限元子模型中。从平台整体SACS模型中提取0°方向某一特定波高和频率的Stokes波作用下的一组工况计算结果，节点0072位置的内力和预处理过程如表2所示，将包含动态放大影响的内力幅值作为载荷施加到桩腿底部及桩靴区域的有限元子模型中，计算得到该波浪作用下的疲劳应力幅值。

表2 节点0072内力及预处理过程

同理计算桩腿上部与固桩架相连的区域的疲劳应力幅值，把204组平台整体响应用同样方法都反映到有限元子模型后可得到204个热点应力幅值。由于计算工况较多，建议计算过程中对有限元软件进行简单开发，使其自动读入工况，自动提取每个工况下的热点应力幅值，提高程序化操作，节省时间。

得到热点应力幅值后，按照ABS的“Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures”规范中的疲劳谱分析方法（Spectral-based Fatigue Assessment Method）评估平台的疲劳寿命。ABS的疲劳谱分析方法是一种评估结构疲劳破坏或者疲劳寿命的直接方法，波浪是产生疲劳的主因，其他载荷因素可忽略。这种方法适用于波高—波浪载荷—结构响应依次呈线性关系的情况，对疲劳的评估建立在应力传递函数基础之上，应力传递函数表征结构在单位波高波浪作用下某位置的应力与波浪频率和浪向之间的关系，即上述所做工作。

接下来的谱分析过程中采用PM波浪能量谱，桩腿底部及桩靴子模型的热点应力区域选用海水以下阴极保护的E疲劳曲线，桩腿上部与固桩架相连子模型中的热点应力区域选用空气中的C疲劳曲线，作业海域波浪散布如表3所示。

表3 作业海域波浪散布

计算得桩腿底部及桩靴的最低疲劳寿命为299.7年，桩腿上部与固桩架相连区域的疲劳寿命为35.8年，详细结果如表4所示。

5 结论

通过SACS软件，计算出平台在204个频率和浪向组合工况下的整体响应，并通过有限元子模型得到疲劳敏感区域对应的应力幅值，建立起应力幅

值与频率和浪向的关系，并通过自编后处理程序完成圆筒桩腿自升式平台的疲劳谱分析。此方法主要有以下优点：1）只从平台整体模型中提取波浪响应，对疲劳敏感区域建立详细的有限元子模型进行疲劳强度计算，减少对平台整体模型操作的工作量，并有效保证了疲劳敏感区域疲劳应力的准确性；2）此方法建立起来的是应力幅值传递函数，而非应力传递函数，相当于提前对疲劳载荷进行了预处理，对疲劳计算结果无影响，在搭建应力幅传递函数过程中，合理进行线性化假设，简化过程的同时也保证了计算精度，节省计算时间。应用该方法计算的实际项目桩腿疲劳分析报告已通过ABS船级社审核。

表4 疲劳计算结果

[1]胡毓仁, 陈伯真.船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析[M].上海: 人民交通出版社, 1996.

[2]ABS.ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2012.

[3]The Society of Naval Architects and Marine Engineers.Technical & Research Bulletin 5-5A Guidelines for Sites Specific Analysis of Mobile Jack-up Units[Z].2002.

[4]SACS Manual Version 7.0 Revision 1[Z].2010.

[5]竺艳蓉.海洋工程波浪力学[M].天津: 天津大学出版社, 1991.

[6]ABS.ABS Guide for the Fatigue Analysis of Offshore Structures[S].2012.

Spectral-based Fatigue Analysis for Jack-up Platform with Cylindrical Legs

Liu Jing, Fu Qiang, Zhang Guo-dong, Yin Xiu-feng
(Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd., Shandong Yantai 264000, China)

The paper calculates the global response of the jack-up with cylindrical legs on wave loads using SACS software, which evaluates the fatigue sensitive locations.Then the sub-models of fatigue sensitive locations are built by Abaqus software.Through the pre-processing of fatigue load by several liner assumptions, the global response of the jack-up platform is reflected in the sub-models.The reasonable stress range transfer function rather than stress transfer function for the spectral-based fatigue analysis method is directly completed so that the calculation process is greatly simplified and the calculation time is shortened.At last, the post-process of spectral-based fatigue analysis of the fatigue sensitive locations is finished by the self-programmed software.The fatigue life is gained.The fatigue analysis report for a jack-up platform under building in Yantai CIMC Raffles based on the method is finished and got approved by ABS.

jack-up platform; cylindrical leg; spectral-based fatigue analysis; stress range transfer function

674.38

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.013

刘静（1983—），女，硕士，研究方向：自升式平台的强度计算。