海洋平台吊机基座疲劳问题分析研究

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(中集海洋工程研究院，烟台 264000)

海洋平台吊机基座疲劳问题分析研究

崔进，张谭龙，张国栋，孙超，王洪庆，张工，李德江

(中集海洋工程研究院，烟台264000)

对海洋平台吊机基座的疲劳问题进行分析研究。在研究现有疲劳分析方法的基础上，总结出一种基于疲劳损伤度的疲劳分析法。以不同工作载荷的分布周期和环境加速度为输入条件，分别运用S-N曲线法和简化疲劳算法计算出工作载荷疲劳损伤度和环境载荷疲劳损伤度，得到总的疲劳损伤度，以此判断疲劳强度是否满足要求。在缺少常规疲劳信息的情况下，可应用本方法找出疲劳损伤度最大的位置，并提出相应的改善措施，研究结果可为其他结构物的疲劳分析提供参考。

海洋平台；吊机基座；疲劳强度；S-N曲线；疲劳损伤

0 引 言

1 疲劳分析概述

疲劳是指船体或者其他结构物在长期低频交变载荷的循环作用下，在局部尺寸突变或缺陷处，形成局部高应力区，从而萌生细微的破损裂纹，随着循环次数的不断增加，裂纹进一步扩展，结构有效承载面积不断减小，应力亦随之增大。当遇到冲击或振动等偶然因素时，结构会突然断裂，即发生疲劳破坏。

结构物在交变应力的作用下，其工作应力虽低于材料的屈服极限，但经过一定数量的应力循环之后，即使是塑性较好的材料，也会突然断裂，而且断裂前也无明显的塑性变形，表现为脆性断裂[3]。因此，疲劳破坏所产生的后果是十分严重的，在设计阶段进行疲劳分析具有重要的实际意义。

1.1载荷

在疲劳分析中，主要是周期性的交变载荷对结构的疲劳寿命产生影响。对于吊机基座，影响疲劳寿命的主要载荷有：工作载荷和环境载荷。工作载荷即吊机在不同吊重工况下承受的循环交变载荷；环境载荷即在环境加速度下由船体运动产生的惯性载荷。由于吊机的自重只产生恒定的应力，对疲劳没有影响，所以在本文的疲劳分析中不考虑结构的自重[4]。

1.2典型位置

怠速时，点火提前角度一般为上止点前5°～10°，对应的曲轴转角为17°～25°，燃烧所用时间大约为3.5～5.2ms。

除了载荷之外，疲劳分析还需要确定容易发生疲劳破坏的位置。对于吊机基座(见图1)容易发生疲劳破坏的典型位置[5]有：肘板趾端；转角或过渡位置；开孔位置；吊机基座与甲板连接位置。如图1所示。

图1 吊机疲劳分析的典型位置

1.3吊臂方向

海洋平台吊机一般可以实现360°旋转，根据不同的起吊情况，吊臂可能处于任一位置。在疲劳分析中，一般选取4个吊臂方向位置计算疲劳应力幅值，即：船艏方向、船艉方向、左舷方向和右舷方向。

2 疲劳分析方法

为了综合评估2种不同载荷产生的疲劳损伤，本文应用S-N曲线法计算工作载荷产生的疲劳损伤度，应用简化疲劳算法计算环境载荷产生的疲劳损伤度，然后应用疲劳线性累积损伤理论将两者累加，得到总的疲劳损伤度。

2.1Palmgren-Miner线性累积损伤理论

疲劳累积损伤根据Palmgren-Miner线性累积损伤理论计算。在这一理论中，对每种要考虑的载荷分别计算疲劳损伤度，然后累加在一起，计算得到总的疲劳损伤度[6]为

式中：D为结构中某计算位置的总疲劳累积损伤；m为结构服役期中疲劳分析需要考虑的载荷数；Di为第i种载荷对某计算位置产生的疲劳损伤度。

按照现有海洋平台的规范要求，当总的疲劳损伤度D>1时，一般认为结构会发生疲劳破坏。所以，在海洋工程结构物的疲劳设计与疲劳校核时应满足D<1。

2.2工作载荷的疲劳损伤度

工作载荷产生的疲劳损伤度主要采用S-N曲线法计算。根据相关规范，考虑厚度影响修正后的S-N曲线[6]为

式中：loga为S-N曲线在logN轴上的截距；m为S-N曲线斜率的负倒数；t为结构的板厚(当t小于tref时，取t=tref)；tref为基准板厚(对于非管焊接节点取25 mm)；k为厚度修正系数。

当工作载荷为Pi时，通过有限元分析得到该工作载荷下的应力幅值为Si，根据相应的S-N曲线得到失效时的循环次数为Ni，计算出疲劳损伤度为

式中：ni为吊机工作载荷为Pi时实际的循环数；Ni为许用循环次数。

2.3环境载荷的疲劳损伤度

本文采用简化疲劳分析法计算环境载荷产生的疲劳损伤度，在简化疲劳分析中，用双参数的Weibull分布模拟应力范围的长期分布，疲劳损伤度[7]为

式中：v0为平均跨零周期；Td为设计疲劳寿命；q为Weibull尺度参数；h为Weibull形状参数。

其中，Weibull尺度参数由应力幅值水平Δσ0和应力循环数n0决定，计算公式为

对于给定的Weibull形状参数，可以通过查阅海洋工程规范确定不同S-N曲线下的许用应力幅值[Δσ]，即疲劳损伤度为1时对应的应力幅值。

计算出环境载荷下各位置的实际应力幅值后，将实际应力幅值和许用应力幅值分别代入公式(4)，并将计算得到的2个疲劳损伤度相比，因为许用应力幅值对应的疲劳损伤度为1，那么该比值就是环境载荷所产生的疲劳损伤度[8]，即

3 实例应用

以北海某半潜式钻井平台的20 t甲板吊为实例，应用Abaqus软件建立该吊机基座及其平台主体支撑结构的有限元模型[9]，分别提取20 t和11 t 2种工作载荷和环境载荷下的应力结果，进而计算各自的疲劳损伤度。

根据疲劳分析典型位置的选取原则，选取10个典型位置进行疲劳分析，如图2所示。其中：位置6和10属于肘板母材，因此选取的S-N曲线为C曲线，其他位置选取E曲线。选取的S-N曲线的相关参数见表1。

图2 10个典型疲劳分析位置

SN曲线mlogakC312．5920．15E312．0100．20

为了在疲劳分析的位置能够提取较为准确的应力，对疲劳分析位置的区域进行细化，细化网格尺寸为t×t(t为该区域的板厚)[10]。本算例中，已细化的有限元模型如图3所示。

图3 吊机基座及支撑结构有限元模型

该甲板吊在实际工作状态下共有2种工作载荷，分别为20 t和11 t，各占疲劳循环总周期的10%和90%。该吊机设计循环周期数n= 200 000，因此20 t工作载荷下的循环周期为20 000，11 t工作载荷下的循环周期为18 000。基于有限元模型的结果，通过读取热点应力[11]的数值，计算2种工作载荷下各疲劳分析位置的最大主应力和最小主应力，两者的差值即为应力幅值。

基于应力幅值，对应各自的S-N曲线，根据式(1)即可求出许用循环周期，进而得到2种工作载荷下的疲劳损伤度D1和D2，如表2所示。

表2 两种工作载荷产生的应力幅值和疲劳损伤度

本文应用NAUTICUS软件，通过输入海洋平台的主尺度信息以及吊机在全船的位置信息，即可输出吊机所处位置的环境加速度。基于环境加速度数值，得到4种工况下的环境加速度载荷，见表3。将环境载荷单独施加到有限元模型中，同样基于有限元分析结果，通过读取10个典型位置处的热点应力，计算出环境载荷下各疲劳分析位置的最大主应力和最小主应力，二者的差值即应力幅值。

表3 不同工况下环境加速度载荷 m/s2

该平台设计寿命为20年(即6.3×108s)。工作海域平均波浪周期为6.3 s，那么在波浪载荷下疲劳周期为108。由文献[7]可知，不同S-N曲线和不同Weibull形状参数下，108疲劳周期所对应的许用应力幅值见表4。

根据相关资料，本算例中Weibull形状参数取1.042，通过插值，得到C曲线下的许用应力幅值为356.07 MPa，E曲线下的许用应力幅值为227.76 MPa。因为许用应力幅值对应的疲劳损伤度为1，将有限元模型中提取的应力幅值与许用应力幅值相除，根据式(6)得到环境载荷造成的疲劳损伤度D3，计算结果见表5。

表5 环境载荷下疲劳损伤度D3

将环境载荷下的疲劳损伤度D3与工作载荷下的疲劳损伤度D1和D2相加，即可得到总疲劳损伤度D=D1+D2+D3，见表6。

表6 总疲劳损伤度D

从表6中可以看出:所有位置的总疲劳损伤度都小于1，因此该吊机基座的疲劳强度满足使用要求。位置9肘板趾端处的疲劳损伤度最大，最易发生疲劳破坏，建议在实际建造施工时对此处进行焊缝外形控制以及打磨处理，以提高疲劳强度。

4 结 论

本文结合疲劳损伤度理论和实际算例，对海洋平台吊机基座的疲劳分析开展研究，得到主要结论如下：(1) 疲劳载荷主要分为工作载荷和环境载荷，运用S-N曲线法可得到工作载荷造成的疲劳损伤度，运用简化疲劳法可得到环境载荷造成的疲劳损伤度；

(2) 吊机在实际操作中存在多种工况，不同工作载荷对应有不同的使用周期，通过计算疲劳损伤度可以表征不同工作载荷的疲劳影响程度；

(3) 通过实际算例应用可知，吊机基座在肘板趾端处易发生疲劳破坏，在施工阶段应采取打磨处理等措施，以改善此处的疲劳寿命。

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FatigueAnalysisMethodforOffshoreCranePedestal

CUI Jin, ZHANG Tanlong, ZHANG Guodong, SUN Chao, WANG Hongqing, ZHANG Gong, LI Dejiang

(CIMC Ocean Engineering Research Institute, Yantai 264000, Shandong, China)

Research on fatigue analysis method for the offshore crane pedestal is carried out. With different working load cycles as input conditions, the fatigue damage induced by different working load can be calculated base onS-Ncurve, and the fatigue damage induced by environmental load can be calculated base on simplified fatigue algorithm, then the total fatigue damage can be obtained by addition operation to determine whether fatigue strength meet the requirements. In the case without the conventional fatigue load information, the new method can be applied to implement fatigue strength assessment for offshore crane pedestal, and it also has certain reference value for fatigue analysis of other structure.

offshore platform;crane pedestal; fatigue strength;S-Ncurve; fatigue damage

U663

A

2017-03-02

山东省自主创新及成果转化专项项目“极地冰区半潜式钻井平台关键技术研发及产业化” (2014CGZH1202)

崔 进(1989-)，男，助理工程师

1001-4500(2017)05-0062-06