深水导管架海洋平台随机疲劳寿命可靠性分析

摘要 简述基于谱分析方法的深水导管架海洋平台疲劳寿命可靠性理论,以200 m水深导管架海洋平台为研究对象,将随机波浪载荷的长期分布假设为由应力范围服从Rayleigh分布的短期海况组成。采用有限元方法,通过对深水导管架海洋平台施加时间域规则波来确定传递函数,并以此由波浪谱导出各计算点处的应力谱。根据Miner线性疲劳累积损伤理论及结构可靠性理论,对平台进行疲劳可靠性分析,并与等效Weibull分布方法计算结果进行对比。两种方法的计算结果均表明,导管架过渡段到水面以下第二层之间杆件疲劳可靠性指标相对较小,基于等效Weibull分布方法的计算过程较简洁,但计算结果较谱分析方法偏于保守,建议采用谱分析方法对平台疲劳可靠性进行详细分析。

关键词 深水导管架 疲劳寿命 谱分析 Weibull分布 可靠性指标

中图分类号：{O657.6}文献标识码： A

引言

深水导管架海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施,由于工作水深较大,施工方便等优点,很快得到推广和发展。但是通常深水导管架海洋平台结构形式非常复杂、体积庞大、造价昂贵,特别是与陆地结构相比,其所处的海洋环境更加复杂和恶劣,而且随着水深的增加,平台的动力响应更加明显[1],因此,它所涉及到的疲劳及可靠性问题也更显突出。

国内外关于海洋平台的疲劳及可靠性分析的研究已取得较大进展。Maddox[2-3]等对深水导管架平台结构进行了时间历程和谱疲劳分析,考虑结构动力特性对疲劳寿命计算的影响,但仅将环境载荷看成是由许多平稳、各态历经、狭带的高斯随机过程的短期海况组成。Vughts J H和Kinra RK[4]采用谱分析方法和波浪分布散步图,对固定式导管架平台结构进行基于概率统计的疲劳寿命评估,认为应用谱分析方法对导管架平台结构进行详细的疲劳分析是可行的,比用确定性方法更符合实际情况。Madhavan Pillai TM和Prasad AM[5]基于固定导管架平台检测数据,采用断裂力学理论在时域内对结构疲劳可靠性进行研究。国内的胡毓仁、陈伯真[6]126-301对船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析理论进行详细论述。方华灿、陈国明[7][8]228-291[9]主要针对冰区海上结构物的疲劳可靠性分析做了大量研究。由于我国海洋石油开发目前主要集中在近海海域,因此国内有关导管架海洋平台的研究主要是针对近海海域。

随着我国海洋石油战略的实施,海洋石油开发必然会从浅海向较深水域发展,因此开展深水导管架海洋平台结构的疲劳损伤和寿命预测,对深水域海洋石油的开发具有重要意义。本文针对200 m水深导管架海洋平台,采用谱分析方法模型对平台结构的疲劳可靠性进行分析,并与基于Weibull模型的计算结果进行比较。目前我国深水导管架海洋平台技术研究刚刚起步,本文的工作可以为深水导管架海洋平台的疲劳可靠性分析提供参考。

1 随机疲劳寿命可靠性分析

1.1 波浪谱

从长期而言,波浪过程并不具备平稳性,但对较短的一段时间,可以认为波浪是一个平稳的随机过程。波浪的长期分布可以看作是由许多短期海况序列组成的,在每一短期海况中,波浪是一个均值为零的平稳正态随机过程。根据随机过程理论,平稳随机过程的统计特性可由其功率谱密度完全地确定。在过去几十年里提出很多海浪频谱,这些波浪谱主要是通过观测资料的分析得到。1965年提出的Pierson-Moskowitz谱(P-M谱)在海洋工程中得到广泛应用,适用于外海无限风区的风浪谱。本文采用单参数P-M谱,即ITTC(international towing tankconference)谱进行计算,该波浪谱被国际船模水池会议定为标准海浪谱[6]77-80,单位为m2#s。

SGG(X) =0.78X5exp -3.11X4H2s (1)式中,Hs为有效波高,X为圆频率。

1.2 谱分析

谱分析法利用传递函数通过海洋波浪谱来预测结构中波浪诱导的应力谱。设SGG(X)和SRR(X)分别为平稳正态随机波浪过程G(t)与平稳正态随机交变应力过程R(t)的功率谱密度函数[6]83-85,则SRR(X) = [H(X)]2SGG(X) (2)式中,H(X)为传递函数。选定波浪谱之后,采用时间域作用规则波确定传递函数。令导管架海洋平台结构受一给定波幅和圆频率的规则波作用,根据Morison公式计算作用在导管架结构上的波浪诱导载荷;然后,采用有限元法对导管架平台结构进行动力响应力分析,得到平台结构的应力和位移等响应,将得到的感兴趣部位的响应幅值与波幅相比得到该圆频率下传递函数的值。取一系列不同的圆频率按上述方法计算,即可得到传递函数H(X)关于X的分布规律。

1.3 疲劳应力范围的分布模型

当在某一海况中,交变应力为一均值等于零的窄带平稳正态随机过程,根据随机过程理论可知,应力峰值服从Rayleigh分布。当交变应力过程为窄带时,跨零率等于峰值率,应力每跨越零均值一次即出现一个峰值。这时所有的峰值都是正的,于是可以假设应力范围S与应力峰值y之间的关系S=2y。由此可知应力范围也服从Rayleigh分布,其概率密度函数为f(S) =S4R2sexp -S28R2s0[S

Jn=Q+]0XnSRR(X)dX(n= 0,1,2,,) (6)

在海洋工程结构中交变应力过程往往是宽带的,且应力峰值服从Rice分布,但在宽带情况下,应力范围与应力峰值的关系不易确定,因而应力范围的概率分布也难于确定。文献[10]曾在Rice分布的基础上,对应力范围与应力峰值的关系作出假设,导出应力范围的概率分布,但没有理论依据,且与实际情况有较大的差异。因此,采用文献[11-12]中的方法,认为宽带应力过程的应力范围仍服从Rayleigh分布,并用一个标准差Rs和跨零率f0与原过程相同的窄带过程来近似地代替原来的宽带过程,然后对窄带假定进行雨流修正。

在海洋工程结构疲劳可靠性分析中,为了便于分析和计算,将应力范围的长期分布采用Weibull分布函数描述,这样可以得到封闭形式的解析解。为了与谱分析计算结果进行对比,将基于等效Weibull分布的计算两种方法计算结果均表明导管架过渡段到水面以下第二层之间杆件的疲劳可靠性指标较其他部位的偏小。基于等效Weibull分布方法可以由应力范围的长期分布直接求出海况的长期应力参数,因此其计算过程比谱分析法简洁。基于等效Weibull分布方法计算结果相对于谱分析方法计算结果偏于保守,仅适用于对平台的疲劳寿命进行先期处理。谱分析方法将海浪作为随机过程处理,因此具有较高的计算精度,建议平台关键部位采用谱分析方法计算。

结论

1)随机应力谱在对应于波浪谱峰值和平台结构基本频率处出现峰值。当较小的波高出现时,虽然在波浪谱峰值处对应的应力谱峰值较小,但在平台固有频率处出现较大峰值,说明波高较小的海况,波浪周期与平台固有频率相近,容易产生共振,是降低平台疲劳寿命的主要原因。

2)导管架过渡段到水面以下第二层之间杆件交变应力的幅值较大,其疲劳可靠性与其他部位相比,可靠性指标偏小。

3)基于等效Weibull分布方法计算简洁,但与谱分析方法计算结果相比偏于保守,仅适合平台疲劳疲劳可靠性的先期处理,建议采用谱分析方法对平台进行详细的疲劳分析。

考文献(References)

[1] 胡毓仁,陈伯真.船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析[M].北京:人民交通出版社, 1996: 77 -213.

[2] 方华灿,吴小薇.海洋石油平台结构系统的疲劳寿命预测[J].机械强度, 2002, 24(1): 101-103.

[3] 方华灿,陈国明.冰区海上结构物的可靠性分析[M].北京:石油工业出版社, 2000: 228-291.

4] 刘 健,陈国明,黄东升.海洋平台结构系统的冰激疲劳可靠性分析[J].机械强度, 2005, 27(6): 835-839.