浮力塔式平台结构疲劳损伤分析

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【摘要】本文针对2012年刚刚建成的世界上第一座浮力塔式平台，对其平台结构的疲劳损伤进行分析。采用线性疲劳累计损伤理论，并基于WAMIT和SACS软件，分析确定此平台的疲劳损伤满足设计要求。

【关键词】浮力塔式海洋平台 疲劳损伤分析 WAMIT SACS

全球经济飞速发展，油气资源的需求不断增加，极大的推动了油气资源开采技术的发展。海洋平台作为油气资源开采的常用设施，需求量也在不断的增加。浮力塔式海洋平台是近年来新兴发展起来的新型油气开采平台，它的设计不同于传统的固定式海洋平台，其性能介于固定式和浮体海洋平台之间，本文针对世界上第一座浮力塔式海洋平台对其结构做疲劳损伤分析。

1 概述

世界上第一座浮力塔式平台建成于2012年，于秘鲁西北海域作业。作业区域水深为53.3m。平台底部有一8.4m直径9m长的吸力盘结构，入泥8m用以支撑上部的浮力塔式平台结构。其效果图见下图。

浮力塔式平台常年处于复杂的环境条件中，且浮力塔本身对于环境的响应相对固定平台更加的敏感，环境条件的交变直接导致平台结构会随浮力塔发生运动。这完全不同于固定式平台，故固定式平台常用的简易疲劳算法并不适用于浮力塔式平台。

本文采用详细疲劳谱分析方法，利用WAMIT和SACS软件完成对此浮力塔式平台的疲劳损伤分析。所有分析满足API RP 2A要求。

WAMIT：广泛应用于浮式海洋结构的运动性能分析，可以得出浮式结构在任意环境条件下的运动RAO。

SACS：是当今海洋工程界结构设计分析中应用最为广泛的设计分析软件。该程序的疲劳分析模块融合了美国API规范，能够完成海洋平台结构的疲劳损伤与寿命计算。

在海洋平台结构系统疲劳分析过程中，疲劳损伤的计算对象是管节点。本文的分析也只针对该平台结构的管节点进行疲劳损伤分析。

本分析分两步进行：第一步：WAMIT分析得出浮力塔式平台在不同环境载荷下的运动响应。第二步：WAMIT得出的运动响应结合此海域的实际波浪能量谱即为此海域长期内预期出现的全部海况的集合。为了结构分析的目的，这种集合可以集中为波浪能量谱和具有出现概率的物理参数来表达的代表性海况。

然后应用谱分析的方法来确定每一海况的应力响应并同时考虑平台的运动响应。此步骤在SACS分析过程中实现。

2 WAMIT计算浮力塔式平台运动响应

利用WAMIT的6自由度分析得到加速度的RAO数据，其表示浮力塔式平台相对泥面以上24.4m位置的加速度数据。其中A g*sin（θRAO）为附加水平加速度，θRAO为相对各轴的转角RAO。

计算中考虑0，45，90，135，225，270 和 315度8个浪向，分别得出平台在这8个浪向下，周期在4～34秒范围内的Surge，Sway，Heave，Roll，Pitch 和 Yaw的运动数据和相位角。

我们可以得出在任意时刻t的加速度为：Amplitude x cos（ ωt + 相位角），其中ω为角频率（rad/s）。

3 SACS分析平台疲劳损伤

上一节中得出各个浪向下浮力塔式平台运动的加速度RAO后，可以将上部平台结构独立出来单独计算疲劳损伤。并需要将上述数据以如下格式输入的上部平台结构的SACS模型中。

所有平台载荷在计算过程中均需已重量形式考虑，本平台载荷见下表1所示：

平台设计寿命为20年，安全系数为2，S-N曲线采用API RP 2A规范中的X’曲线（图2）。平台结构疲劳计算模型如图3～4所示。

根据平台井口的布置，针对不同井口位置计算组块平台的疲劳损伤。本文中考虑4个最极端井口位置进行计算。总的疲劳损伤等于各个井口位置的疲劳损伤之和，疲劳寿命等于设计疲劳寿命除以总疲劳损伤。

根据API规范的到公式（1）

∑Di = ∑SFi * di < 1.0 （式1）

其中：

di =每个井口位置的疲劳损伤

SFi = 2.0 （疲劳损伤计算安全系数）

通过分析，平台结构在设计寿命期间是安全的，疲劳损伤值大于0.5的节点数据。

计算结果表明：平台结构与下部浮力塔直接相连的四根主立柱与其他杆件焊接处易发生疲劳破坏；平台结构疲劳损伤最严重的地方发生在此四根立柱的最下部节点处，损伤程度高达0.949，但未超过设计使用寿命内允许的疲劳损伤。

4 结论

（1）采用WAMIT与SACS两种软件相结合的方法对该浮力塔式平台结构进行疲劳损伤分析的方法，充分利用了WAMIT对于浮式结构性能分析的强大功能，同时规避了SACS本身关于浮式平台运动计算的局限性，分析过程更为严密，结果更可靠。

（2）计算实例表明，该浮力塔式平台结构在设计寿命期间内是安全的。

参考文献

[1] 邓洪洲，孙秦，杨庆雄。海洋平台结构系统疲劳可靠性分析方法.中国造船，1995-4

[2] 邓洪洲，孙秦.海上平台结构疲劳与疲劳可靠

性分析程序设计.计算力学学报，1994，14 （4）[3] 方华灿.海洋石油钢结构的疲劳寿命。石油

工业出版社，1990

作者简介

张绍营，男，硕士，毕业于北京石油大学（华东），现从事钻井工程相关工作。