3 000 m深水钻井船月池角隅疲劳强度研究

王 醍 王 璞 林 瞳 钱笠君

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

随着海上油气事业的蓬勃发展，钻井船及相关钻井设备的研究也更深入，并向深远海发展，特别是南海海域的海洋勘探及开采事业更需要深水钻井船的加入。目前，世界上有能力独立自主设计钻井船的公司不超过10家，且主要集中于欧美国家［1］。我国对深水钻井船的设计研究还处于起步阶段，如何能快速突破技术壁垒，到达世界先进设计水平，成为我国船舶设计者的努力方向，同时，深水钻井船的研发受到国家科学基金项目的深度支持。

深水钻井船以其运动性能好、用途广泛、灵活方便等优点成为深海油气资源开发的主力装备。［1］深水钻井船最大的特点是船体中部有规模较大的月池开口，约占全船总长度的1/4～1/5，这使得船中承受总纵弯曲的主要构件大大减少，对船体结构强度极为不利，尤其是月池角隅处，其处于结构发生突变处，应力水平较高，容易产生应力集中。此处也是疲劳研究的热点之一。

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构物的主要破坏形式之一。船舶与海洋结构物在使用过程中，会持续不断地受到波浪力及运动产生的惯性力作用。波浪力和惯性力为不断变化的动态载荷，他们在结构物内部引起交变应力，造成结构的疲劳损伤。［2］

疲劳强度方面的研究相对比较深入，可以参考的研究成果也相对较多。赖明雁［3］采用谱分析疲劳评估方法对深水钻井船横剖面多处疲劳热点进行评估，得到热点处的疲劳损伤度及疲劳寿命。刘相春等人［4］从疲劳载荷特点和结构形式两方面讨论适用于月池结构的疲劳强度评估方法，并探讨了用有限元对局部结构不同处理方法对结果的影响。余小川等人［5］基于设计波法对一艘8 530标准箱大型集装箱船船中货舱区舱口角隅的疲劳强度进行校核，计算了三种典型波浪载荷工况下的角隅热点应力，并确定最大应力范围及位置。

相比于以往疲劳计算中的简化方法，全概率疲劳分析方法考虑的角度较全面，可以较准确地了解疲劳热点的疲劳损伤情况。本文采用全概率疲劳分析方法，通过质量分布对波浪载荷敏感性的研究确定和简化最后的计算工况，对算例船——一艘3 000 m深水钻井船的甲板处和船底板处的月池角隅进行疲劳强度校核，选取适合的S-N曲线，借助DNV船级社的SESAM软件，对月池角隅处疲劳热点的损伤情况及疲劳寿命进行评估。

1 全概率疲劳分析方法

全概率方法又称谱分析方法，它采用更为真实、准确的波浪散布图来描述长期海况，波浪散布图中的各个短期海况（Hs，Tz）采用海浪谱来表达。采用波浪载荷直接预报和结构直接分析方法，可获得结构热点应力的传递函数，并结合海浪谱得到热点应力的响应谱。［6］全概率方法的优点在于理论体系相对完善，计算得到的疲劳寿命更接近实际情况。全概率分析法的基本流程见图1。

图1 全概率分析法的基本流程

全概率疲劳分析方法的基本原理为：

按式（2）计算第n阶谱矩mn：

假定各个短期海况符合Rayleigh分布，则疲劳应力范围的概率密度函数分布形式如式（3）所示：

考虑到实际的应力响应可能是宽带的（Rayleigh分布是窄带的），因此需要进行修正。为此，需要计算应力响应的跨零频率f和带宽参数ε：

根据Miner法则，疲劳累积损伤可由各短期海况的疲劳损伤线性叠加而得，即：

式中：di为各短期海况的应力损伤；J为各短期海况的总数。

假定S-N曲线的形式为N=AS-m，则di可用式（5）表示：

式中：m、A为S-N曲线的参数；T为设计寿命，s；f0i为 应力响应的跨零频率；pi为各个Hs和Tz组合出现的概率；其余意义同上。

叠加波浪散布图中所有的短期海况，可得结构的总体疲劳损伤：

式中：f0为生命期T中的“平均”频率；M则为波浪散布图中所有的短期海况之和。

设NT表示设计寿命内的应力循环次数：

这样，D便可简化表示为：

NT对应最小设计寿命25年的应力循环次数，计算得到的疲劳寿命等于25/D。

2 质量分布对载荷以及疲劳分析的影响

钻井船属于作业型船舶，不属于装载型船舶，各工况间吃水相差不大，大型作业设备的布置及堆放对船舶质量分布的影响较其他类型船舶更大。考虑到不同作业要求的限制，工况设置时一般会对相近排水量条件下配载出许多作业工况，以满足工程实际的要求。因此，有必要探讨质量分布对波浪载荷的敏感性问题，这对此类船舶后续计算工况的筛选很有意义。此外，疲劳计算工作量相对较大，一般不会计算所有工况。如何合理选取计算工况，就成为是否合理评估热点处疲劳强度的关键。

国内外对于波浪载荷的研究较为完善。例如对于LNG船和三体船，其波浪载荷影响因素主要有液舱晃荡和质量分布等，液舱晃荡因素对于波浪载荷的影响可以参见文献［8］，三体船质量分布对波浪载荷的影响参见文献［9］。不过，针对质量分布，不同船型的差异则较大，所以不同船型的可参考性较小。对于本文涉及到的深水钻井船，为更全面地了解该船型波浪载荷的影响因素，继而更加合理地评估热点处的疲劳强度，针对质量分布对波浪载荷的影响也进行了研究。

为研究质量分布对载荷的影响，针对两种典型的质量分布（装载工况）进行载荷对比，这两种质量分布分别为：

（1）工况A。可变载荷相对集中于月池区域（可假定为甲板面隔水管和钻杆基本没有）；

（2）工况B。可变载荷相对均匀的分布于钻井船甲板面上（假定隔水管和钻杆都还堆放在储存区）。

工况A和工况B的基本参数详见表1，两种工况下的全船质量分布曲线见下页图2。

表1 装载工况(钻井 / 作业)

图2 全船质量分布曲线

从表1和图2可以看出，两种工况下的船体排水量和初稳心高完全相同。工况A的设备质量主要集中在月池钻台区域，工况B的设备质量则相对比较分散。分别对两种工况进行波浪载荷短期和长期预报，短期预报海况采用作业海域十年一遇海况。短期预报得到两种工况下，垂向弯矩和垂向剪力的波浪载荷直接预报值，详见图3和图4。

图3 垂向弯矩沿船长分布曲线（短期预报）

图4 垂向剪力沿船长分布曲线（短期预报）

长期预报得到两种工况下垂向弯矩、垂向剪力的波浪载荷直接预报值，详见图5和图6。

图5 垂向弯矩沿船长分布曲线（长期预报）

图6 垂向剪力沿船长分布曲线（长期预报）

从上图中可以看出，在排水量相同的情况下，设备质量分布情况对波浪载荷敏感度影响很小，曲线基本处于重合的状态。因此在设置质量分布时，只需考虑可变载荷最局部强度的影响，对波浪载荷预报结果的影响可以忽略。疲劳计算时，选取吃水差异大的满载和压载工况计算即可，不需逐一计算吃水相近装载不同的载况，以避免增加不必要的计算量。

3 3 000 m深水钻井船全概率疲劳分析

3.1 全船模型建立

谱疲劳计算需要的模型有4个，分别为全船结构模型、全船水动力模型、质量模型和局部精细网格模型。其中全船结构模型（参见下而图7）和质量模型的单元模拟，以及网格尺度、单元属性和腐蚀余量等均参照总强度分析的要求进行；水动力模型即为考虑月池的湿表面模型（参见图8）；局部精细网格模型截取所研究的月池角隅区域，细化节点区域网格尺寸为txt，并满足相关节点细化规范要求，模型垂向范围为主甲板到船底。图9所示为结构计算子模型。

图7 整船结构有限元模型

图8 湿表面模型

图9 结构计算子模型

3.2 校核节点位置

由于主甲板和外底板月池角隅处是由于承受船体梁载荷而导致应力集中的部位，其名义应力幅值最大，因此，一般选取主甲板及外底板处月池角隅的疲劳节点。本文计算最终选择两处节点，即主甲板月池前端角隅靠左舷的节点和外底板月池前端角隅靠左舷的节点，具体热点及编号见图10和图11。

图10 主甲板月池前端角隅处选取热点位置的示意图

图11 外底板月池前端角隅处选取热点位置的示意图

图中A、B、C分别代表主甲板月池前端角隅纵舱壁区域的趾端、圆弧中点以及横舱壁区域的趾端，D、E、F分别代表外底板月池前端角隅纵舱壁区域的趾端、圆弧中点以及横舱壁区域的趾端。

3.3 计算载荷

计算载荷主要包括船舶自身质量载荷、货物质量载荷及静水压力共同作用引起的船体梁静水载荷，船体梁波浪附加载荷，以及船舶运动导致的内部惯性载荷和脉动载荷。

3.4 工况选取

一般情况下，疲劳计算工况选取时，需同时考虑航行工况和作业工况，并根据两种工况实际存在的百分比对结果进行综合评估。其中，作业工况还需考虑对应不同可变载荷的最大吃水工况、中间吃水工况和最小吃水工况，根据其实际存在的百分比综合考虑作业工况的疲劳计算结果。

本文仅对方法性内容进行研究，出于对计算效率的考虑，仅以LC1代表作业工况，LC2作为航行工况进行疲劳强度的评估。并且根据课题要求，两种工况存在的可能性均为50%。各工况具体参数参见表2。

表2 计算工况参数

3.5 环境载荷确定

本算例中，目标船作业工况下的海况条件相对良好，该海域的波浪谱见表3。而对于航行工况，则选取选北大西洋波浪散布图进行计算。两种工况都选取Jowswep谱进行计算。

表3 作业海域波浪谱

通过分析以上数据，可基本确定目标3 000 m深水钻井船需计算的规则波传递函数。

周期的选择：T= 3～25 s，间隔1 s，共选取23个周期。为了观察不同浪向角波浪对船体运动的诱导荷载的影响规律，以浪向角θ= 0° ～ 360°，间隔30°，共选取13个浪向角。浪向角的方向定义为：

沿船长方向指向船首为0°，指向船尾为180°，指向左舷为90°。

3.6 S-N曲线选取

根据 ABS 规范海工规范［7］，选取S-N曲线的ABS-E-CP曲线计算疲劳损伤。由于主甲板处月池角隅暴露在空气环境中，但出于保守考虑，仍采用 ABS-E-CP曲线进行校核，见下页图12。

3.7 疲劳节点损伤评估

按照目标3 000 m深水钻井船的设计寿命为25年，则甲板角隅处疲劳热点和外底板处疲劳热点的疲劳损伤值和疲劳寿命（年）见下页表4。

图12 ABS-（CP） S-N 曲线

表4 甲板角隅在南海南部海域的疲劳损伤

从计算结果可以看出，主甲板和外底板两处月池角隅的6个疲劳热点均满足规范要求。满载工况计算得到的疲劳寿命普遍比压载工况计算值低。其中满载工况下外底板月池角隅中间处疲劳热点损伤情况最为严重，达到0.996，其他处月池角隅疲劳热点疲劳损伤程度相对较低，这与月池角隅中间处疲劳节点选取较为保守的S-N曲线有关。由于主甲板月池角隅处板厚明显高于外底板处月池角隅处板厚，主甲板处月池角隅疲劳损伤情况普遍低于外底板处疲劳损伤情况。建议本算例船对外底板处月池角隅处肘板作适当增厚处理，以延长该处的疲劳寿命。

4 结 论

本文基于全概率疲劳分析方法对3 000 m深水钻井船月池角隅疲劳强度进行研究，旨在探究大尺度月池角隅结构的疲劳损伤情况，最终得到以下主要结论：

（1）全概率疲劳强度分析方法计算得到的疲劳寿命更接近实际情况，有较强的工程实用性；

（2）虽然吃水相近的工况下全船质量分布有些许差异，但不会影响到波浪载荷计算值。因此，选取疲劳强度计算工况时，只需关注各工况吃水的差异，不用考虑局部装载对计算结果的影响。

（3）应根据名义应力值大小及交变应力变化值选取需计算的疲劳热点位置，针对结构具体位置、所处环境条件根据规范要求选取适当的S-N曲线进行校核。校核结果需考虑各工况情况，对计算的疲劳寿命进行平均。

（4）本船外底板处疲劳损伤情况明显比主甲板处疲劳损伤情况严重，这与本船甲板处月池角隅结构设计明显强于外底板处月池角隅结构有关。建议相关船型对外底板处月池角隅适当增加关注。