半潜式钻井平台k型节点疲劳分析_张凡

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1、半潜式钻井平台K型节点疲劳分析张凡，胡嘉骏，蒋彩霞（中国船舶科学研究中心，江苏，无锡214082）摘要:对随机波浪载荷作用下半潜式平台K型节点的疲劳寿命评估方法作了简要的论述。采用SESAME软件计算某平台的疲劳载荷，通过MSC/NASTRAN软件计算该平台的K型节点处的应力集中系数，按照规范公式得到节点处等效应力，结合S-N曲线和Miner的损伤原理，得到DNV规范中T曲线和API规范中X曲线下的疲劳寿命，T曲线的结果比X曲线更保守，最大应力出现在鞍点和冠点。关键词半潜式钻井平台、K型节点、疲劳分析、应力集中系数、疲劳

2、载荷中图分类号：U661文献标识码：A1概述与陆地结构相比，海洋平台结构所处的海洋环境十分复杂和恶劣，时常遭受风、海浪、海流和海冰的作用，同时还受到地震的威胁。在此环境条件下，环境腐蚀、海生物附着、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳和裂纹扩展的损伤累积等不利因素都将导致平台结构构件和整体抗力的衰减，影响结构的服役安全度和耐久性。“亚历山大.基尔兰”号半潜式平台的失事是一个很典型的例子。事故后的分析表明，平台破坏的主要原因是焊接在平台的撑管上的声纳基座与撑管的连接焊缝质量很差，在该焊接处产生了一条长达70mm的裂纹，这个

3、现象后来在正在建造的其它同一类型几个平台中发现。在使用过程中，该处裂纹迅速扩展，从而使平台的D-6撑管(焊有声纳的)发生疲劳断裂开始的，接着支撑整个立柱的其它五根撑管也因过载而断裂，导致D立柱彻底破坏而掉入大海。在“亚历山大.基尔兰”号半潜式平台失事后劳氏船级社进行的对北海现役平台的全面检测中，又发现多个半潜式平台的撑管结构出现了疲劳裂纹。因此，在设计半潜式海洋平台时，对于撑管来讲，起决定性作用的不再是极限强度理论，而是疲劳强度理论，也就是说，首先要根据极限强度理论确定出撑管的壁厚，再依照疲劳强度理论对局部区域进行必要的

4、校核。本文针对半潜式钻井平台主结构特殊区域K型节点进行疲劳分析。首先确定疲劳载荷；其次特殊区域的应力分析；最后进行疲劳校核。2K型节点疲劳分析2.1疲劳载荷半潜式钻井船受到的水动力载荷主要有三种：拖拽力、惯性力和衍射力。在钻井船的生命周期中，风暴自存状态的时间极短，所以在进行疲劳分析时，取工作状态的环境条件。由于平均应力相对较小，对疲劳损伤的影响可以忽略。进行结构疲劳分析时，只考虑循环应力范围的作用。对于本钻井船，只有波浪载荷会产生显著的循环应力，其他载荷产生的应力在疲劳分析中不再考虑[4]。波浪载荷计算采用Moriso

5、n方程和势流理论相结合的方法。2.2K型节点应力分析对管节点的应力分析主要是采用理论分析法、试验分析法及无量纲分析法。1)理论分析法:包括解析法和有限元法。作者简介：张凡(1982–)，女，硕士，主要从事船舶与海洋工程结构物的波浪载荷及疲劳强度研究。2162)试验分析法:由于管节点问题的复杂性，所以试验分析法一直是结构分析的一个重要手段。3)无量纲分析法:由于实际海洋工程结构物中的管节点类型很多，在设计工作中不可能对每一节点在多种载荷作用下都用前面两种方法分析，而要求有基于一定参数基础上的无量纲分析法，得到决定节点的几何

6、应力集中系数的表达式。在海洋平台的指导性文件中通常采用热点应力法。这种方法又仅限于焊趾处破坏。当不考虑真实焊趾几何形状和在焊趾处局部切口引起的非线性应力峰值时，用通常线性板壳单元计算所得的热点应力实际上是焊接部位的名义应力。因为无论用预先指定的热点位置(或其邻近位置)或用近焊趾的两点应力按线性外推求出的热点应力，它们都是平均表达在焊接附近区域的应力。2.3S-N曲线疲劳校核准则2.3.1S-N曲线在实际疲劳设计中，把焊接节点分为几个类别，每个类别的节点都有其对应的S—N曲线）（图1）。焊接节点的疲劳强度在某种程度上取决于

7、板的厚度。这种影响是因为焊趾的局部几何形状相对于相邻板的厚度而产生的，它还取决于厚度范围内的应力梯度。造成厚度效应的原因是应力变化使得对厚度而言的设计S-N曲线的读数大于参照厚度板上的读数，需要对管壁的厚度进行修正，修正公式如下：k−⎡⎛⎞⎤tlgNa=−Δlgmlg⎢σ⎜⎟⎥(1)⎢⎜⎟t⎥⎣⎝⎠ref⎦式中，t—参照厚度，非管状节点焊接连接的参照厚度为25mm，管节点的参照厚度为ref32mm。螺栓的参照厚度为25mm。t一最可能发生裂纹的厚度。当厚度小于参照厚度时，取tt=。refk—疲劳强度的厚度指数。单面焊的管

8、状对接焊缝为0.1；在轴线方向上承受变化应力的螺栓为0.4。图1在大气中及在海水中并有阴极保护的管节点的S-N曲线Fig.1FatigueS-NCurvesfortubularjointsinairandinseawaterwithcathodicprotection2172.3.2疲劳累积损伤实际应用中，一般是将某