陶 雷　王潤(rùn)思　楊 勇　強(qiáng)永華

(1. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610500；2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500;3. 中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司深圳分公司， 廣東 珠海 519000；4. 中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部， 廣東 深圳 518067)

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基于損傷累積效應(yīng)的半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法

陶 雷1,2王潤(rùn)思1,2楊 勇3強(qiáng)永華4

(1. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610500；2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500;3. 中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司深圳分公司， 廣東 珠海 519000；4. 中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部， 廣東 深圳 518067)

采用簡(jiǎn)化法對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)的疲勞損傷和應(yīng)力范圍進(jìn)行分析，并通過(guò)平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞譜閉合分析得到波浪譜的短期分布密度函數(shù)，根據(jù)Miner線(xiàn)性累積疲勞損傷準(zhǔn)則求解平臺(tái)整體疲勞損傷。研究半潛式鉆井平臺(tái)在極端海況下的疲勞損傷對(duì)其疲勞壽命的影響，以及歷史疲勞損傷對(duì)在用半潛式鉆井平臺(tái)的剩余壽命產(chǎn)生的影響，并提出基于歷史損傷累積效應(yīng)和極端海洋環(huán)境載荷作用的半潛式鉆井平臺(tái)剩余壽命分析方法。

半潛式平臺(tái)； 歷史損傷； 疲勞壽命； 可靠性； 累積效應(yīng)

隨著全球經(jīng)濟(jì)對(duì)能源需求與日俱增，海洋石油開(kāi)采的重點(diǎn)方向已從淺海開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)向深水或超深水海域開(kāi)采[1]。作為海洋石油勘探開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)和依托的鉆井平臺(tái)，經(jīng)歷了從淺海固定導(dǎo)管架平臺(tái)到深水半潛式平臺(tái)的跨越式發(fā)展。半潛式鉆井平臺(tái)已成為深水鉆井平臺(tái)發(fā)展的重要發(fā)展方向[2]。目前，第6代半潛式鉆井平臺(tái)已能適應(yīng)水深2 550 ～ 3 600m的極惡劣海洋環(huán)境，可通過(guò)動(dòng)力定位裝置來(lái)抵抗作業(yè)過(guò)程中來(lái)自海洋環(huán)境中風(fēng)、浪、流的反復(fù)加載和沖擊作用。因此，深水鉆井平臺(tái)面臨的最大挑戰(zhàn)是如何在惡劣海況環(huán)境下保證平臺(tái)正常作業(yè)的安全性和可靠性。

半潛式鉆井平臺(tái)安全評(píng)估有基于強(qiáng)度破壞和基于疲勞破壞2種方式，其中疲勞破壞是指由于疲勞損傷經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期累積引起的結(jié)構(gòu)失效。無(wú)論導(dǎo)致平臺(tái)疲勞損傷的交變載荷是來(lái)源于海洋環(huán)境的連續(xù)作用，還是來(lái)源于平臺(tái)設(shè)備的間歇沖擊作用，其損傷程度都取決于交變載荷總的循環(huán)次數(shù)，而不取決于某一次作用下的連續(xù)循環(huán)次數(shù)。因此，分析半潛式鉆井平臺(tái)的疲勞壽命時(shí)，需要考慮已服役年限內(nèi)的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的疲勞損傷，累積并計(jì)入到平臺(tái)總的疲勞損傷分析中，以此來(lái)提高結(jié)構(gòu)剩余壽命的計(jì)算預(yù)測(cè)精度。

1　鉆井平臺(tái)疲勞壽命分析研究現(xiàn)狀

目前，海洋工程界學(xué)者主要應(yīng)用S-N曲線(xiàn)法、斷裂力學(xué)法和疲勞可靠性分析法來(lái)進(jìn)行海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞分析和設(shè)計(jì)。

國(guó)外相關(guān)研究中，Marshall和Bea最先將結(jié)構(gòu)可靠性理論在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)分析中進(jìn)行運(yùn)用[3-4]。Ang等人基于可靠性理論對(duì)浮式結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)和疲勞壽命可靠性進(jìn)行研究，用概率理論對(duì)疲勞失效中疲勞壽命計(jì)算模型關(guān)鍵參數(shù)的不確定性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估[5]。Pillai發(fā)現(xiàn)了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞可靠性推導(dǎo)過(guò)程中的“第一次越界問(wèn)題”，提出利用反映服役期間平臺(tái)安全性的疲勞可靠性累積曲線(xiàn)和有限參數(shù)來(lái)解決[6]。Moan等人基于斷裂力學(xué)和損傷理論制定了考慮檢測(cè)和修理影響條件下的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞可靠性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[7]。Ramsarnooj等人提出一種基于線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)的疲勞設(shè)計(jì)新方法，對(duì)等幅值循環(huán)載荷作用下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究[8]。

在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究中，胡毓仁等人提出了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)疲勞可靠性分析的一階二次矩方法，并對(duì)疲勞載荷和疲勞強(qiáng)度的概率模型，疲勞壽命的可靠性預(yù)測(cè)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)疲勞和模糊疲勞的可靠性分析等進(jìn)行研究[9-10]。方華燦等人建立了新的模糊疲勞可靠性分析模型，提出了平臺(tái)服役期間構(gòu)件動(dòng)態(tài)模糊疲勞可靠度的計(jì)算方法[11-12]。余建星等人根據(jù)Miner線(xiàn)性累積損傷原理，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)理論、結(jié)構(gòu)的疲勞損傷機(jī)理和失效樹(shù)理論，提出了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)疲勞可靠性評(píng)價(jià)的誤差截?cái)喾治龇霸O(shè)計(jì)壽命期間的疲勞可靠性分析方法[13-15]。謝昕等人基于蒙特卡洛法對(duì)半潛式平臺(tái)極限強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，加進(jìn)了極限強(qiáng)度等不確定性的考慮因素，認(rèn)為變量的不確定性對(duì)半潛式平臺(tái)極限強(qiáng)度影響較大[16]。

2　半潛式鉆井平臺(tái)歷史損傷累積分析

極端海洋環(huán)境載荷是指發(fā)生概率較小且持續(xù)時(shí)間較短、強(qiáng)度極大的環(huán)境載荷，一般用于海洋波浪散布圖中。半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)的使用壽命一般為20a左右，因此平臺(tái)在服役期內(nèi)遇到此類(lèi)極端海洋載荷的概率很??；即使遇到也只會(huì)持續(xù)較短時(shí)間，其所引起的疲勞損傷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷累積貢獻(xiàn)較小，一般可以忽略?，F(xiàn)有半潛式鉆井平臺(tái)的疲勞壽命一般不考慮這類(lèi)“偶發(fā)”性載荷所引發(fā)的疲勞損傷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。

近些年，由于全球氣候變化頻繁，世界各大海域極端海況出現(xiàn)的概率逐年增加。我國(guó)國(guó)家海洋局年度海洋災(zāi)害公報(bào)公布的數(shù)據(jù)顯示：我國(guó)東海和南海海域每年都有臺(tái)風(fēng)發(fā)生，南海發(fā)生4m以上波高海浪的時(shí)間達(dá)169d以上，發(fā)生概率約為46.3%；2004年至2008年間南海連續(xù)5年有波高10m以上的海浪出現(xiàn)，最大波高一度高達(dá)14m[17]。上述數(shù)據(jù)表明，極端海洋工況已經(jīng)不再是多年一遇的偶發(fā)現(xiàn)象，現(xiàn)在幾乎成為一年一遇的頻發(fā)環(huán)境工況。此種條件下的極端海況已經(jīng)成為鉆井平臺(tái)在服役期間所面臨的一種極端海洋環(huán)境載荷。

在對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行分析時(shí)，可采用簡(jiǎn)化疲勞評(píng)定方法對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)疲勞進(jìn)行篩選[18]。由于該方法對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的判斷偏保守，所以可有效確定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)敏感位置，也能較好地完成鉆井平臺(tái)的疲勞結(jié)構(gòu)檢測(cè)和安全性評(píng)價(jià)。采用簡(jiǎn)化法對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)疲勞進(jìn)行評(píng)定時(shí)，疲勞應(yīng)力范圍的累積分布函數(shù)一般用兩段式的weibull分布函數(shù)表示：

(1)

式中：S —— 應(yīng)力隨機(jī)變化范圍；

δ ——weibull尺度參數(shù)；

γ ——weibull形狀參數(shù)，γ可從半潛式鉆井平臺(tái)重要節(jié)點(diǎn)位置的應(yīng)力譜分析中得到。

weibull尺度參數(shù)δ的分布函數(shù)為：

(2)

式中：NR—— 參考時(shí)間段的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；

SR—— 疲勞應(yīng)力范圍超出平均循環(huán)次數(shù)NR的值。

采用雙段式S-N曲線(xiàn)表示半潛式鉆井平臺(tái)的疲勞累積損傷D為：

(3)

式中：NT—— 設(shè)計(jì)壽命的循環(huán)次數(shù)；

δ —— 尺度參數(shù)；

C、 A —— 由疲勞試驗(yàn)確定的疲勞強(qiáng)度系數(shù)；

m、 r —— 疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

(4)

(5)

(6)

式中：SQ——S-N曲線(xiàn)產(chǎn)生變化時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力范圍；

e、 t —— 積分變換的中間變量。

(7)

(8)

對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞譜閉合分析中，應(yīng)力范圍可以通過(guò)基于譜分析的瑞利分布得到的波浪譜短期分布函數(shù)表示。同時(shí)在短期分布函數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞損失過(guò)程中，需要用Wirsching模型進(jìn)行雨流修正，再使用Miner線(xiàn)性累積疲勞損傷準(zhǔn)則對(duì)平臺(tái)整體疲勞損傷D進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于波浪譜的短期應(yīng)力分布使用中低等海況下的n階譜矩mn和瑞利分布密度函數(shù)g(S)來(lái)表示，Wirsching模型的雨流修正需要通過(guò)帶寬系數(shù)ε和零上切頻率函數(shù)f進(jìn)行計(jì)算 ：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：θ —— 波浪入射角；

ε —— 帶寬系數(shù)；

f —— 零上切頻率函數(shù)；

ω —— 波浪頻率；

HS—— 波高；

TZ—— 周期；

S —— 變化范圍；

m0、m2、m4—— 譜矩；

J —— 不同應(yīng)力幅值下的載荷數(shù)目；

ni—— 某一幅值條件下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；

Ni—— 等幅值條件載荷作用下結(jié)構(gòu)失效的循環(huán)次數(shù)。

第i種海況條件下的S-N曲線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)短期損傷為：

(14)

將各海況條件下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)短期疲勞損傷求和，可以得到半潛式鉆井平臺(tái)總的累積疲勞損傷D：

(15)

式中：T —— 鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命；

NT—— 鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)的載荷循環(huán)總次數(shù)；

f0i—— 應(yīng)力響應(yīng)的零上切頻率；

gi—— 第i種海況下的概率密度分布函數(shù)；

pi—— 聯(lián)合概率；

S —— 應(yīng)力變化范圍的確定數(shù)值。

對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)受極端海洋環(huán)境載荷所引起的疲勞損傷，考慮半潛式鉆井平臺(tái)在上述極端海況載荷作用下的疲勞壽命分析，提出一種計(jì)算此類(lèi)平臺(tái)疲勞壽命的計(jì)算方法 ：

(16)

式中：Nf—— 半潛式鉆井平臺(tái)疲勞壽命；

D1—— 依據(jù)平臺(tái)海域波浪散布圖計(jì)算的半潛式鉆井平臺(tái)疲勞損傷；

D2—— 平臺(tái)海域波浪散布圖以外每年極端海況下計(jì)算的疲勞損傷；

D3—— 平臺(tái)在非極端海況下的疲勞損傷；

f1—— 與D1相互對(duì)應(yīng)的疲勞安全系數(shù)；

f2—— 與D2相互對(duì)應(yīng)的疲勞安全系數(shù)；

f3—— 與D3相互對(duì)應(yīng)的疲勞安全系數(shù)；

n3—— 與D3相互對(duì)應(yīng)的相關(guān)海域海況累積發(fā)生的時(shí)間。

3　損傷累積效應(yīng)的疲勞壽命影響分析

結(jié)構(gòu)疲勞可分為裂紋萌生與裂紋擴(kuò)展2種表現(xiàn)形式。一般裂紋萌生為結(jié)構(gòu)疲勞的主要表現(xiàn)，如果結(jié)構(gòu)局部部位已出現(xiàn)裂紋的萌生現(xiàn)象，其發(fā)生擴(kuò)展到導(dǎo)致該局部部位所在的構(gòu)件發(fā)生斷裂的時(shí)間則很短。特別是對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)這類(lèi)具有焊接點(diǎn)部分的薄壁構(gòu)件，其從裂紋產(chǎn)生到導(dǎo)致部件形成穿透性裂紋的時(shí)間與整體鉆井平臺(tái)的疲勞壽命時(shí)間相比較是可以忽略不計(jì)的；因此，Miner線(xiàn)性累積疲勞損傷準(zhǔn)則可視為裂紋萌生的過(guò)程。依據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)和疲勞損傷累積準(zhǔn)則，認(rèn)為材料的疲勞損傷與結(jié)構(gòu)所受到的循環(huán)載荷作用的連續(xù)性無(wú)關(guān)。對(duì)于幅值和頻率相同的循環(huán)載荷，無(wú)論是間歇式作用還是連續(xù)性作用，材料本身達(dá)到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)是相同的，這也是在進(jìn)行相關(guān)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中可以進(jìn)行停頓的主要原因。

對(duì)處于正常工作狀態(tài)的半潛式鉆井平臺(tái)，即使在平臺(tái)的相關(guān)結(jié)構(gòu)中尚未發(fā)現(xiàn)有裂紋，但是正常服役期間的鉆井平臺(tái)疲勞損傷仍然存在。在對(duì)該類(lèi)鉆井平臺(tái)的疲勞壽命分析過(guò)程中，需要考慮服役期間已經(jīng)形成的疲勞損傷效應(yīng)，需將這部分“歷史疲勞損傷”累積到總的鉆井平臺(tái)疲勞損傷中進(jìn)行分析計(jì)算。如果僅僅考慮當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀態(tài)中由于海洋腐蝕和機(jī)械性損傷造成的疲勞來(lái)進(jìn)行鉆井平臺(tái)整體疲勞壽命分析是不合理的，而簡(jiǎn)單扣除總體疲勞壽命中已服役年限的處理方法也是不合理的。其原因在于，歷史疲勞損傷可依據(jù)海洋環(huán)境條件的相關(guān)歷史記錄進(jìn)行“確定性”分析，其中也包括由于極端海況條件而引起的疲勞損傷。

基于上述分析，結(jié)合由于海洋極端載荷引起的疲勞損傷效應(yīng)及考慮歷史疲勞損傷的累積效應(yīng)，得到半潛式鉆井平臺(tái)剩余壽命的預(yù)測(cè)公式 ：

(17)

式中：Nr—— 半潛式鉆井平臺(tái)剩余壽命；

D4—— 依據(jù)平臺(tái)海域波浪散布圖和每年極端海況條件計(jì)算的半潛式鉆井平臺(tái)疲勞損傷；D5—— 平臺(tái)在非極端海況下計(jì)算的疲勞損傷；

f4—— 與D4相互對(duì)應(yīng)的疲勞安全系數(shù)；

f5—— 與D5相互對(duì)應(yīng)的疲勞安全系數(shù)；

n4—— 半潛式鉆井平臺(tái)已服役年限；

n5—— 與D5相互對(duì)應(yīng)的相關(guān)海域海況發(fā)生時(shí)間。

4　結(jié)　語(yǔ)

在國(guó)家海洋局發(fā)布的相關(guān)年度海洋災(zāi)害公報(bào)的基礎(chǔ)上，分析了近年頻發(fā)的“極端海況”引起的疲勞損傷對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)疲勞壽命的影響。

采用簡(jiǎn)化法對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)的疲勞損傷和應(yīng)力范圍進(jìn)行了分析，并在平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞譜閉合分析中得到波浪譜的短期分布密度函數(shù)，采用Miner線(xiàn)性累積疲勞損傷準(zhǔn)則求解平臺(tái)整體疲勞損傷。

研究了平臺(tái)服役期間的疲勞損傷歷史對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)疲勞壽命預(yù)測(cè)的影響，提出了考慮極端海洋環(huán)境載荷和歷史疲勞損傷的平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。

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TheStructureFatigueAnalysisofSemi-SubmersiblePlatformBasedonDamageAccumulationEffect

TAO Lei1,2WANG Runsi1,2YANG Yong3JIANG Yonghua4

(1. School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China; 3.ShenzhenBranchCorporation,ChinaNationalOffshoreOilCorporation,ZhuhaiGuangdong519000,China; 4.DrillingDivision,ChinaOilfieldServicesLimited,ShenzhenGuangdong518067,China)

Inthispaperweusethesimplifiedmethodtoanalyzethefatiguedamageandstressrangeofsemi-submersibledrillingplatform,andgettheshortwavespectrumdensityfunctioninthefatiguespectrumclosedanalysisofplatformstructure;awholetotalfatiguedamageontheplatformisobtainedbyusingMinerlinearcumulativefatiguedamagecriteria.Basedonthestudyonthefatiguedamageeffectofsemi-submersibledrillingplatformtoitsfatiguelifeinextremeseaconditions,andanalysisoftheeffectsofthehistoricalfatiguedamageproducedtotheremaininglifeofthesemi-submersibledrillingplatforminuse,weproposedaresearchmethodtocalculatetheresiduallifeofsemi-submersibledrillingplatformbasedonhistoricaldamagecumulativeeffectandextremeoceanenvironmentload.

semi-submersibleplatform;historyofinjury;fatiguelife;reliability;cumulativeeffect

2015-12-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的深海鉆井升沉補(bǔ)償裝置機(jī)理研究” (51274171)

陶雷(1991 — )，男，重慶開(kāi)縣人，西南石油大學(xué)在讀博士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ笊钏こ膛c安全、非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)。

TE951

A

1673-1980(2016)04-0089-04