王金峰， 王永剛， 周 慶， 劉仁昌， 王 醍

(1. 中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 設(shè)計(jì)研究院， 遼寧 大連 116600；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院， 上海 200011)

0 引 言

深遠(yuǎn)海中蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣等資源，隨著國內(nèi)海洋工程設(shè)計(jì)建造能力的提升，海洋油氣資源的勘探、開發(fā)向深遠(yuǎn)海發(fā)展成為可能[1]。半潛式鉆井平臺(tái)具有甲板面積大[2]、工作水深適用范圍廣、在風(fēng)浪環(huán)境中運(yùn)動(dòng)性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前第七代半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)水深可達(dá)3 600 m，其主體結(jié)構(gòu)由甲板盒、立柱、下浮體和撐桿構(gòu)成。

立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)是半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域之一，該結(jié)構(gòu)承受交變的總體載荷導(dǎo)致嚴(yán)重的疲勞問題，因此疲勞強(qiáng)度是立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制因素。立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)直接決定了局部節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜海況下維持完好的能力進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)承受載荷的極限能力和使用壽命。以往的海洋工程裝備重大海損事故也顯示，結(jié)構(gòu)的損傷和破壞往往起始或發(fā)生于關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)上。因此，立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)成為第七代半潛式鉆井平臺(tái)在深海安全作業(yè)的重要保障。調(diào)研現(xiàn)有半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)中立柱與甲板盒連接肘板的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)目標(biāo)第七代半潛式平臺(tái)的疲勞分析結(jié)果給出多種設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式和焊接方式對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，給出適用于第七代半潛式鉆井平臺(tái)立柱與甲板盒連接肘板的疲勞強(qiáng)度優(yōu)化建議。

1 立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)

半潛式鉆井平臺(tái)已發(fā)展至第七代，與第六代半潛式鉆井平臺(tái)相比，第七代鉆井平臺(tái)承受的環(huán)境載荷更為惡劣，對(duì)立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度要求更高[3]。調(diào)研、整理已有的典型半潛式平臺(tái)如海洋石油981、GM4000、Ocean500等平臺(tái)立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定第七代鉆井平臺(tái)立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)方案為常見的圓弧形過渡肘板結(jié)合周邊加厚嵌入板設(shè)計(jì)。由譜疲勞計(jì)算可知，基于第六代鉆井平臺(tái)的初始設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)形式與尺寸難以滿足第七代鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。因此，基于初始方案，針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)在立柱外板與甲板盒連接位置，考慮立柱結(jié)構(gòu)過渡位置至甲板盒底板間距及施工方案對(duì)肘板尺寸的影響，綜合外形尺寸、板厚、材質(zhì)、趾端形式、連續(xù)形式、焊接節(jié)點(diǎn)等因素，給出3種適用于第七代半潛式鉆井平臺(tái)立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式，如圖1所示。

圖1 3種立柱與甲板盒連接肘板結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)方案

方案1采用與初始方案相同的圓弧形肘板的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式，考慮到第七代鉆井平臺(tái)作業(yè)能力和環(huán)境適應(yīng)能力的提高，增大初始方案的連接結(jié)構(gòu)尺寸與板厚。方案1為初始方案的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。方案2采用帶有面板的連接肘板形式，以改善原方案連接肘板自由邊的疲勞問題，同時(shí)將連接肘板的上下端設(shè)計(jì)成軟趾，改善端部疲勞強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。方案3采用橢圓弧形的過度肘板結(jié)構(gòu)形式，基于方案1增加了肘板長度，使得肘板形狀適應(yīng)連接位置的受力特點(diǎn)，提高連接結(jié)構(gòu)加強(qiáng)效率，同時(shí)提升肘板自由邊的疲勞強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 連接肘板設(shè)計(jì)方案1

圖3 連接肘板設(shè)計(jì)方案2

圖4 連接肘板設(shè)計(jì)方案3

2 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的譜疲勞分析

2.1 環(huán)境條件

采用HydroD軟件[4]計(jì)算應(yīng)力譜分析所需的周期性載荷，包含波浪載荷[5]和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的慣性力。

在計(jì)算節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)平臺(tái)工作水深取3 600 m，按作業(yè)工況進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)美國船級(jí)社(ABS)規(guī)范對(duì)應(yīng)力傳遞函數(shù)計(jì)算精度的要求，計(jì)算波浪頻率區(qū)間[6]取0.2～2.0 rad/s、步長為0.05 rad/s，浪向區(qū)間取0°～180°、步長為15°，浪向均勻分布；波浪譜選用JONSWAP譜；波浪散布圖采用全球海況波浪散布圖。

2.2 有限元模型

有限元模型采用板、梁單元建立，有限元模型采用Genie軟件建立[7]。關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜分析采用子模型方法[8]，在合理考慮子模型邊界效應(yīng)的同時(shí)保證子模型范圍能夠合理反映細(xì)化區(qū)域的幾何形狀，保證細(xì)化網(wǎng)格至粗網(wǎng)格的光滑過度。

熱點(diǎn)附近區(qū)域采用4節(jié)點(diǎn)殼單元，在建模時(shí)不考慮焊縫和焊趾的細(xì)節(jié)，網(wǎng)格尺寸不大于板厚，并保證細(xì)化區(qū)域以3個(gè)粗網(wǎng)格范圍向外保持良好過渡，如圖5所示。關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)疲勞分析的子模型范圍如圖6所示。細(xì)化區(qū)域以3個(gè)強(qiáng)框架間距選取子模型，避免邊界影響細(xì)化區(qū)域應(yīng)力分布。

圖5 3種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案精細(xì)網(wǎng)格有限元模型

圖6 整體有限元模型與子模型

2.3 應(yīng)力傳遞函數(shù)

疲勞譜分析[9]的疲勞載荷的計(jì)算都將平臺(tái)結(jié)構(gòu)作為線性系統(tǒng)，且將波浪視為線性微幅，平臺(tái)疲勞分析的波浪載荷采用頻域法求解，系統(tǒng)輸入的波面升高為簡諧變化的波浪，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分量也是簡諧變化量，但是合成的主應(yīng)力的方向隨著波浪初相位變化而不確定，主應(yīng)力不一定簡諧變化，因此需要在波浪初相0°～360°搜索滿足條件的主應(yīng)力，最終得到在單位波幅波浪激勵(lì)下節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)主應(yīng)力，即節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)，以用于節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力的譜分析。不同方案對(duì)應(yīng)的橫向與縱向肘板疲勞熱點(diǎn)位置如圖7所示。以最大主應(yīng)力計(jì)算的不同連接肘板設(shè)計(jì)方案熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)分別如圖8～圖13所示。

圖7 橫向與縱向肘板疲勞熱點(diǎn)位置示例

圖8 HS29熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖9 HS31熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖10 HS07熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖11 HS09熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖12 HS04熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)

圖13 HS06熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)

由圖8～圖13可知，立柱與甲板盒橫向連接肘板的傳遞函數(shù)最大值出現(xiàn)在0.75 rad/s頻率左右與90°浪向情況下。不同設(shè)計(jì)方案對(duì)傳遞函數(shù)最大值出現(xiàn)的頻率與浪向影響較小。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式與規(guī)范S-N曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系：打磨后肘板自由邊可采用ABS的B級(jí)曲線；對(duì)于有面板節(jié)點(diǎn)形式的肘板腹板邊緣，當(dāng)裂紋垂直于焊縫時(shí)采用C級(jí)曲線，當(dāng)裂紋平行于焊縫時(shí)采用E級(jí)曲線；其他焊接節(jié)點(diǎn)采用熱點(diǎn)應(yīng)力E級(jí)曲線。不同設(shè)計(jì)方案熱點(diǎn)的疲勞損傷計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同設(shè)計(jì)方案熱點(diǎn)疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

續(xù)表1 疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

由表1可知，初始設(shè)計(jì)方案的橫向肘板自由邊與縱向肘板下趾端超出標(biāo)準(zhǔn)要求。方案1通過增大圓弧形肘板尺寸直至結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到布置限制對(duì)初始方案進(jìn)行改進(jìn)：縱向肘板下趾端最大損傷為0.29，滿足規(guī)范要求；橫向肘板自由邊損傷為1.10，比初始方案減小35%，當(dāng)圓弧形結(jié)構(gòu)形式的肘板達(dá)到結(jié)構(gòu)布置限制時(shí)，其損傷仍不能滿足要求。方案2通過增加肘板面板與趾端圓弧過渡對(duì)初始方案進(jìn)行改進(jìn)，最終全部熱點(diǎn)滿足要求，方案2為可行方案。方案3通過增大肘板長軸方向臂長至2 450 mm進(jìn)行改進(jìn)，此時(shí)橢圓弧形肘板自由邊損傷為1.00，剛好滿足規(guī)范要求，方案3也是滿足疲勞要求的可行方案。

不同結(jié)構(gòu)形式連接肘板損傷分布如圖14所示。由圖14可知，由于立柱與甲板盒連接肘板的受力特點(diǎn)，圓弧形肘板損傷最大位置偏向肘板上方，而橢圓弧形肘板最大損傷約出現(xiàn)在橢圓弧的中點(diǎn)位置，說明橢圓弧形肘板形狀更適應(yīng)立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。在帶有面板的方案2中，肘板上的最大疲勞損傷出現(xiàn)在面板與肘板的焊縫位置，同時(shí)在上下趾端位置的圓弧處損傷分布也比較集中。

圖14 不同結(jié)構(gòu)形式連接肘板損傷分布

2.5 疲勞損傷對(duì)海況、浪向的敏感性

結(jié)合目標(biāo)平臺(tái)疲勞譜分析結(jié)果，以方案3自由邊計(jì)算結(jié)果為例，開展浪向與海況的疲勞敏感性分析，判斷目標(biāo)位置疲勞損傷的主要貢獻(xiàn)載荷。其中橫向、縱向肘板自由邊在不同短期海況下的損傷分布如圖15和圖16所示，考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性后不同浪向下的損傷如圖17和圖18所示。

圖15 不同海況下橫向肘板損傷分布

圖16 不同海況下縱向肘板損傷分布

圖17 不同浪向下橫向肘板損傷分布

圖18 不同浪向下縱向肘板損傷分布

由計(jì)算結(jié)果可知：對(duì)橫向肘板自由邊貢獻(xiàn)較大的海況為波高3.0～7.0 m、周期6.5～9.5 s 的波浪，對(duì)縱向肘板自由邊貢獻(xiàn)較大的海況為波高4.0～7.0 m、周期7.5～9.5 s 的波浪；對(duì)橫向肘板自由邊貢獻(xiàn)較大的浪向?yàn)?0°(迎浪為0°，隨浪為180°)，對(duì)縱向肘板自由邊貢獻(xiàn)較大的浪向?yàn)?35°。

3 結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式與焊接方式對(duì)疲勞強(qiáng)度影響

對(duì)比連接肘板疲勞危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)不同結(jié)構(gòu)形式的疲勞損傷計(jì)算結(jié)果可知，在疲勞損傷剛好滿足要求時(shí)，有面板形式的肘板(方案2)所需肘板厚度與臂長更小。但有面板形式的肘板設(shè)計(jì)不利于連接肘板趾端的疲勞強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果表明采用面板加強(qiáng)(方案2)的趾端疲勞損傷約為圓弧形肘板(方案1)趾端處損傷的3倍。不同連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的疲勞損傷對(duì)比如圖19所示。

由圖19可知，方案3采用橢圓弧形肘板的設(shè)計(jì)方案，其肘板自由邊與趾端的疲勞強(qiáng)度均優(yōu)于其他方案，同時(shí)方案3沒有面板加強(qiáng)，因此結(jié)構(gòu)形式簡單，是最優(yōu)方案。

圖19 不同連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案疲勞損傷對(duì)比結(jié)果

除連接結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式對(duì)疲勞強(qiáng)度有較大影響外，關(guān)鍵區(qū)域的焊接方式也直接影響該區(qū)域的疲勞性能。半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的焊接方式主要包括無坡口角焊縫、全熔透角焊縫、部分熔透角焊縫等3種。不同焊接方式的應(yīng)力集中系數(shù)差異較大，焊接方式的選取直接影響該區(qū)域結(jié)構(gòu)的疲勞性能，根據(jù)挪威船級(jí)社(DNV)船體結(jié)構(gòu)疲勞分析規(guī)范[10]，無坡口角焊縫趾端(見圖20)的幾何應(yīng)力集中系數(shù)為1.41，全熔透角焊縫趾端(見圖21)的幾何應(yīng)力集中系數(shù)為1.13。從規(guī)范要求角度來看，全熔透焊應(yīng)力集中系數(shù)明顯小于無坡口角焊縫趾端的應(yīng)力集中系數(shù)。

圖20 無坡口角焊縫規(guī)范結(jié)構(gòu)示例

圖21 全熔透角焊縫規(guī)范結(jié)構(gòu)示例

綜上所述，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果及不同焊接方式，采用橢圓弧形狀的連接結(jié)構(gòu)具有更好的疲勞性能，全熔透焊接方式有利于提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能。因此，立柱與甲板盒連接肘板設(shè)計(jì)采用方案3并采用全熔透焊接方式可明顯改善該處結(jié)構(gòu)的疲勞性能，是最適用于第七代半潛式鉆井平臺(tái)立柱與甲板盒連接區(qū)域結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié) 論

(1) 對(duì)于立柱與甲板盒：橫向連接肘板疲勞強(qiáng)度對(duì)90°浪向最為敏感，橫向分離力是該位置結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的主要控制載荷；縱向連接肘板疲勞強(qiáng)度對(duì)135°浪向敏感，扭轉(zhuǎn)與縱向剪切是該結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的主要控制載荷，在關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中可在總強(qiáng)度階段重點(diǎn)針對(duì)這幾個(gè)浪向的載荷工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)與迭代設(shè)計(jì)。

(2) 在立柱與甲板盒連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，除保證其疲勞強(qiáng)度外，需要避免連接肘板的下趾端與立柱形狀過渡交點(diǎn)位置接近，以免引入額外的應(yīng)力集中，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中肘板垂向長度不能超過方案1中的2 250 mm，采用方案2與方案3能夠有效避免該問題。

(3) 計(jì)算發(fā)現(xiàn)，帶有面板的連接肘板形式能夠非常有效地改善原方案肘板自由邊位置處的疲勞強(qiáng)度，但面板的引入不利于連接肘板上下兩個(gè)趾端的疲勞強(qiáng)度。建議在自由邊損傷嚴(yán)重不滿足要求時(shí)采用這種方案。

(4) 對(duì)比不同連接結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式，采用橢圓弧形狀的肘板能夠較好地改善連接結(jié)構(gòu)全部危險(xiǎn)熱點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度，而且該結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)形式簡單，焊接量少，避免了焊接帶來的缺陷，在立柱與甲板盒連接位置采用該種結(jié)構(gòu)形式結(jié)合全熔透焊接型式是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。