超深水钻井船月池角隅区域疲劳强度及载荷敏感性分析

2020-04-30

船海工程 2020年1期

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

钻井船为满足功能需求，在船中处布置有较大的月池。月池开口的存在破坏了船体结构连续性，其角隅处是应力集中高发区。在海洋环境交变载荷的作用下，开口角隅等应力集中区域结构容易发生疲劳失效，危及船舶结构安全[1-5]。

本文以第七代某工字形开口超深水钻井船为研究对象，该船主甲板开口长44 m，最大宽度超过船宽一半，严重破坏了甲板连续性，导致开口角隅处存在较明显的应力集中现象，是易发生疲劳破坏的关键区域。考虑采用谱分析法对月池开口区域进行疲劳强度评估，并根据谱分析结果分析钻井船开口角隅疲劳载荷特点。

1 目标船及计算载况

1.1 目标船结构特点

目标船为有试采、储油功能的第七代超深水钻井船，船长238 m，型宽43.4 m，型深22.4 m，结构吃水12.5 m，全船结构有限元模型见图1。钻井船月池开口位于船中处，为提高甲板空间利用率，月池主甲板开口为工字形，船底开口为方型，见图2。

图1 钻井船全船结构模型

图2 月池开口区域结构

1.2 疲劳计算载况

钻井船疲劳强度计算考虑迁移、钻井和采油3个载况，设计寿命25年，各载况信息见表1。

表1 钻井船载况信息

2 月池开口区域疲劳谱分析

疲劳破坏常常发生在结构不连续的应力集中区域，目标钻井船月池大开口引起的应力集中区域是本文关注的重点，包括主甲板工字形开口8个角隅和船底方形开口4个角隅。由于角隅较多，且左右舷对称，较为合理的方法是先建立整体结构粗网格模型进行总体强度分析，对所有角隅进行粗网格疲劳强度计算，结合损伤度计算结果和总体强度分析结果筛选疲劳节点，然后建立局部精细网格模型进行疲劳谱分析。

2.1 环境参数

2.2 S-N曲线

疲劳寿命计算采用DNVGL-RP-C203[5]推荐的双直线型S-N曲线。钻井船主甲板开口角隅自由边采用空气中的C曲线，船底开口角隅自由边采用海水中带有阴极保护措施的C曲线，主甲板开口角隅趾端焊接节点采用空气中的D曲线进行疲劳寿命计算，S-N曲线各参数见表2。

表2 S-N曲线参数

2.3 月池开口区域疲劳节点筛选

根据钻井船全船有限元分析结果，对月池主甲板开口和船底开口角隅进行粗网格疲劳谱分析计算，对同类型的节点进行横向对比，筛选需要进行精细网格分析的热点。

式中:a,m为S-N曲线参数；T为设计寿命，s；Γ为gamma函数；ε为带宽系数；f0为应力响应跨零率；σ为应力分布标准差；λ为雨流修正系数；μ为低应力范围修正系数；pi为各海况出现概率；M为波浪散布图中所有海况数之和。

开口角隅处粗网格损伤度见图3。

虽然左右舷结构基本对称，但装载不对称导致静水工况应力分布不对称，进行平均应力修正后右舷主甲板工字型开口角隅疲劳损伤度略高于左舷，因此选择右舷的4个角隅作为后续细化分析的热点，同时靠船艉角隅附近的开口趾端也是典型的应力集中点，故也需要进行细化分析；船底方形开口取损伤度较大的左舷靠艏部角隅作为细化研究热点。热点H1～H6分布见图2。

图3 开口角隅粗网格损伤度云图

2.4 开口角隅热点应力疲劳谱分析

针对筛选出来的6个热点区域，结合结构具体细节，建立单元尺寸不超过t×t(t为板厚)的精细网格模型，见图4。以距离热点t/2和3t/2处的表面主应力为基准，采用线性外推法插值计算热点应力。迁移载况各热点应力传递函数见图5。

目标钻井船设计寿命25年，考虑平均应力和板厚的影响，对热点应力进行相关系数修正。选择相应的S-N曲线，计算得到不同载况下各热点的疲劳累积损伤度D，则热点疲劳寿命为25/D，见表3。

图4 月池开口角隅精细网格模型

图5 迁移载况热点应力传递函数

表3 月池角隅热点疲劳损伤度和寿命

从计算结果可以看出，月池主甲板和船底开口角隅处的疲劳寿命均满足设计要求。迁移载况计算的波浪环境条件比作业工况更为恶劣，因此，迁移载况疲劳损伤度高于作业载况；主甲板开口角隅疲劳寿命均高于船底开口，这是因为出于强度考虑主甲板开口角隅处的板厚增加较多，且船底月池开口角隅计算疲劳的时候考虑了海水的腐蚀作用；工字形开口角隅H2应力范围水平高于其他角隅，因此，该点处疲劳寿命最低。

3 疲劳载荷敏感性分析

3.1 载况敏感性

各热点迁移、钻井、采油载况下损伤度占比见图6。

图6 不同载况的损伤度占比

迁移载况时间占比只有20%，但是由于其遭遇的海况环境更为恶劣，因此，迁移载况下疲劳损伤度远高于其他两作业载况。迁移载况对疲劳损伤度贡献较大的波高范围在4～9 m之间，钻井和采油载况对疲劳损伤度贡献较大的波高范围在2.25～4.75 m之间，两者重心位置、吃水相差不大，波浪载荷下结构应力较为接近，且作业环境和时间占比相同，故疲劳损伤度接近。