考虑短期海况的海洋平台疲劳可靠性研究

摘要

我国自建国以来,相继发现了大庆油田、中原油田等一系列陆上大型油田,与此同时,位于东营近海海域的部分海上油田也相继被发现并开采。随着我国经济的发展,近年来我国对于能源的需求越来越大,而陆上油田经过几十年的勘探开发,其剩余油气储量已经很低,因此对于海上油气田的开发显得格外重要。目前,我国的海洋石油开发主要集中在渤海、东海等浅海海域,主要结构形式为导管架式海洋平台。这种平台适用于水深几米至几百米不等的水域。这种结构形式主要由圆形构件通过焊接连接而成,在随机海洋环境荷载的作用下,这些管节点会产生疲劳损伤,甚至发生疲劳破坏,对人员生命及财产安全造成极大的影响。在我国及世界范围内有不少平台由于疲劳损伤导致事故发生的先例。因此,对海洋平台的疲劳寿命及其可靠性评估显得非常重要。
　　 在疲劳寿命计算过程中,应力集中现象不可回避。由于焊缝形状及自身存在的缺陷,在焊缝处会不可避免的出现应力集中现象,这种现象导致各管节点的热点应力远远高于其他区域的应力,使得热点附近的疲劳损伤远远大于其他区域。因此,基于应力集中现象对疲劳寿命及其可靠性评估结果影响的重要性,在计算过程中准确地计算热点应力是非常有必要的。目前,设计人员在针对导管架式海洋平台疲劳性能的评估中通常考虑其疲劳寿命,这种计算方法基于确定性理论,所得结果为一确定的结果。然而在疲劳寿命计算过程中存在许多不确定性因素,诸如波浪力计算的简化、热点应力理论结果与实际结果的差异等都会使得结构的疲劳寿命结果也具有很大的不确定性。因此,用一种考虑到各种不确定性因素的计算方法评估结构的疲劳寿命是更加合理的。
　　 在对结构进行疲劳寿命及其可靠度的分析过程中,目前主要考虑的环境工况是波浪的长期工况或者仅仅考虑某种严重工况(如冰荷载)的作用。然而,在实际情况下,平台在服役期内遭遇极端荷载的可能性是很大的。在我国渤海海域,波高超过4米的灾害性巨浪每年都会出现。因此,这类曾被认为是极端海况的环境工况已成为一种在平台服役期内时常发生的短期海况。基于以上原因,在对海洋平台进行疲劳寿命及其可靠度分析过程中考虑这种短期海况是更加合理的方法。
　　 本文提出了考虑短期海况的导管架平台疲劳寿命预测方法,以渤海某导管架式海洋平台为研究对象,利用ANSYS软件建立了该平台的数值模型,对该平台进行了动态响应分析,得出导管架结构各主要管节点附近单元的名义应力时程；根据规范给出的应力集中系数参数公式法,计算得出各主要管节点的三种不同形式的应力集中系数；在此基础上,计算得出了管节点附近单元的热点应力；根据Miner累积损伤法则及雨流计数法,对导管架各主要管节点附近构件的疲劳寿命及其可靠性进行了分析,并重点研究了短期海况前期累积损伤对于疲劳寿命及其可靠度结果的影响。结果显示,短期海况对导管架式海洋平台的疲劳寿命具有较大影响,前期累积损伤对平台剩余疲劳寿命的影响非常明显。因此在预测平台结构的疲劳寿命时考虑短期海况和前期累积损伤的作用是非常有必要的,而短期海况对平台结构的疲劳可靠度具有一定影响,但并不是影响海洋平台疲劳可靠度计算结果最关键的因素,前期累积损伤对可靠度的结果影响较大。