基于谱分析法的深水海洋平台疲劳寿命分析
海洋工程结构的腐蚀疲劳寿命评估方法研究-概述说明以及解释
海洋工程结构的腐蚀疲劳寿命评估方法研究-概述说明以及解释1.引言引言部分1.1 概述近几十年来，随着海洋工程的快速发展，海洋工程结构的腐蚀疲劳问题已成为影响海洋工程安全可靠运行的重要因素之一。
腐蚀疲劳是指结构在强烈海洋环境中受到腐蚀作用，导致其力学性能逐渐下降，并在实际载荷作用下发展出疲劳裂纹的现象。
由于海洋环境的复杂性和严酷性，腐蚀疲劳问题对海洋工程结构的安全性和可靠性产生了严重威胁，因此对海洋工程结构的腐蚀疲劳寿命进行准确评估具有重要意义。
1.2 文章结构本文分为六个主要部分。
首先是引言部分，介绍了研究的背景、意义以及论文的结构。
其次，文献综述部分对目前关于海洋工程结构腐蚀疲劳寿命评估方法的研究进行了系统总结和分析，包括常用的试验方法、模型及其优缺点。
然后，本文提出了一种基于xxx原理的海洋工程结构腐蚀疲劳寿命评估方法，包括xxx的理论基础、建模方法和计算流程。
接着，我们通过实验验证了该方法的准确性和可靠性，并与现有方法进行了对比。
最后，本文总结了研究成果，讨论了该方法存在的不足和未来的研究方向。
1.3 目的本文的目的是通过对海洋工程结构的腐蚀疲劳寿命评估方法进行研究，提供一种准确、可靠、适用于实际工程应用的评估方法，为海洋工程结构的设计、检测和维护提供科学依据。
通过对现有的腐蚀疲劳评估方法的总结和分析，本文旨在解决目前方法存在的不足之处，并提出一种更加准确可靠的评估方法。
本文的研究成果将有助于提高海洋工程结构的安全性和可靠性，减少事故风险，促进海洋工程的可持续发展。
2.正文2.1 腐蚀疲劳的定义和机理腐蚀疲劳是指海洋工程结构在受到海水腐蚀的同时，还要承受波浪和风力等外界载荷作用下的疲劳破坏。
腐蚀疲劳的发生会对海洋工程结构的安全性能和使用寿命造成严重影响。
因此，对于腐蚀疲劳的评估方法的研究具有重要意义。
腐蚀疲劳的机理主要包括海水腐蚀作用、载荷作用及其交互作用。
首先，海水腐蚀会使得结构材料的强度和韧性下降，破坏其原有的防护层，进一步加速结构的腐蚀速度。
半潜平台结构疲劳寿命评估方法比较
中各 短期海 况 总 数 ； 为带 宽 系 数 ； ｍ， Ａ（ ８ ）为 雨
流修 正 系数 。计算 雨 流修正 系数 的经 验公 式为
Ａ ＝０ ＋ （ １—０ （ ） １—８ 。 ）。 （） ５
２ 谱 方 法计 算 结构 疲 劳 寿命
冯 国 庆 对 疲 劳 强 度 评 估 中 的 谱 方 法 流 程 进 行 ８
＝ １２ ０ ｚ ．８ Ｔ。 （） ３
２ １ Ｓ Ｎ曲线计 算疲 劳寿 命 ． — 对 于 特定 海 区作 业 的海 洋平 台 ，其 服 役 期 间 所
遭 遇海 况 的长期 分布 可 由该 海 区 的波 浪散 布 图确 定 。 根据 Ｍｉｅ 法 则 ，总 的疲 劳 应 力 参 数 可 由各 短 期 海 ｎｒ 况 的疲劳 应力参 数 线 性 叠 加 而得 。考 虑雨 流修 正 和 低应 力 范围修 正后 ， 构疲 劳应 力参 数可 表达 为 ¨ 结
分 布 的均方差 ；Ｆ为伽 马 函数 ；ｏ为各个 短期 海况 的 ｆ
应 力 响应跨零 频 率 ； ｙ 为各 个 有义 波高 Ｈ Ｓ和 过零 周 期 组合 （ 短期 海况 ） 出现 的概 率 ； ｋ为 波 浪散 布 图
图 ２ 热 点 应 力 幅值 传 递 函数
Ｆｉ． Ｔｒ ｎ ｆ ｒｆ ｃｉ ｎ ｆｓｒ ｓ ｍ ｐ ｉ ｅ ａ ｏ —ｐ ｔ ｇ２ ａ ｓｅ ｕｎ ｔｏ ｓｏ ｔｅ ｓ ａ ｌｔ ｔｈ ｔｓ ｏ ｓ ｕｄ
ｓ ｕ ｔｒｓ Ｍｏｅ ｖ ｒ ｈ ａｉｕ ｔ ｓ ａ ｇ ｓａ ｐ ｃｆ ｔ ｃｕ ａ ｏｎ ｒ ｒｄｃｅ ｉ ｐ ｃｒ ｍ ｎ ｔ ｃｕ ｅ ． ｒｏ ｅ ，ｔｅ ｆｔ ｅ ｓｒ ｓｒｎ ｅ ｔｓ ｅ ｉ ｃ ｓ ｕ ｔｒｌｊｉｔａｅ ｐｅ ｉｔｄ ｗ ｔ ｓｅ ｔ ｒ ｇ ｅ ｉ ｒ ｈ ｕ ａｄ
海洋平台的极限强度分析方法探析
海洋平台的极限强度分析方法探析1 概述能源是人类社会发展的物质基础。
随着经济的快速发展，石油的需求量日益提高，同时陆地石油不断减少，海洋石油开发成为热点。
平台工作水深不断增加，传统海洋平台运动性能和定位方式难以满足要求。
固定式平台因自重和造价等因素也不能适应深海环境，所以研发新型的适应深海的浮式海洋平台。
分析、设计、制造能适应多种水深、多种工作环境的海洋平台十分必要。
近年来国内外学者对平台的设计研究较多，而对平台的结构强度及可靠性分析不够，而且多数研究仅限于简单板、加筋板或固定式平台结构，对平台结构的复杂的节点结构、关键的横撑构件等极限强度研究不够。
本文将利用船体有限元分析方法，根据相关资料采用大型通用有限元软件对平台的整体结构进行有限元模拟，按照结构的实际情况确定有限元网格的规模和单元的类型，建立结构有限元模型。
2 环境载荷对于工作地点在大海中的海洋石油平台经受的外界环境载荷主要包括风、波浪、海流、冰以及地震海啸等，本文主要考虑风、波浪和海流三大主要环境载荷。
2.1 风载荷海洋结构物设计过程中，风载荷对稳性、定位系统和局部结构强度等的影响必须考虑。
目前工程界对脉动风的描述，一般有稳定部分和变动部分。
海工界经常使用的是NPD谱和API谱。
2.2 海流载荷海流存在于距离海平面的一定深度，因此对于水下构件以及海底构件会产生力的作用，同时影响着平台方位的选择以及船舶靠岸等。
潮汐流和风浪流是海流两种类型，前者是由于天体运动形成的引潮力引起的，后者是由于气象、水文等因素引起的。
余流的主要组成部分是风海流。
对于海洋平台所受的风和流载荷，通常是通过风动试验来取得其载荷的大小。
2.3 波浪载荷海洋结构物在波浪作用下产生的作用效应有：（1）拖曳力作用，这是由于流体不是理想流体而引起的粘滞效应；（2）惯性力作用，这是由于附加质量效应引起的；（3）散射效应，由于入射波受到结构物阻碍引起的；（4）自由表面效应。
结构物界面的特征尺寸和波长是影响波浪载荷对于结构物作用的重要影响因素。
基于疲劳可靠性优化设计的深水导管架平台多级模糊选型
ｒｍｅｅｓ ｈ ａ ｔｒ ｗ ｉｈｈ ｄｅ／ｅｓｏ ｈ ｙ ｅｓ ｌｃｉｎｏ ｅ ｐｗ ｔｒ ａ ｋ ｔ ｌｔ ｒ ｗ ｒ ｏ ｒｈ ｎｉｅｙｃ ｎ ｉｅｅ ． ａ ｔｒ ，ｔｅｆｃｏｓ ｈｃ ａ ｌ ｔ ｎ ｔｅｔｐ ｅｅ ｔ ｆｄ ｅ ａｅ ｃ ｅ ａｆ ｍ ｅｅｃ ｍｐｅ ｅ ｓｖｌ ｏ ｓｄ ｒｄ ｂ ｏ ｊ ｐ ｏ
糊 因素 ， 有 利 于 对 深 水 导管 架平 台设 计 方 案 做 出合 理 的评 价 。 更
关键词 ： 深水导管架平台 ； 优化设计 ； 谱分析 ； 三级模糊优选 ； 疲劳可靠性指标
中图 分 类 号 ：Ｅ５ Ｔ ４ 文 献标 志 码 ： Ａ ［ｉ１ ．９ ９ｊｉ ｎ １７ —０ ５ ２ １． ２０ ０ Ｉ ：０ ３６ ／． ｓ．６３５０ ．００ ０ ．２ ｆ １ ｓ
１ｚ ｄ． Ｔｈ ｏ ｒｉ ｉｉｌｄ ｓｇ ｃ ｅ ｓ ｗｉｈ ｄｉ ｅ ｅ ｔ ｃｕｒ ｙ ｅ ｒ ｏ ｓ ｄ Ｔｈ ｐ ｉ ｌｓｒ ｃｕ ｅ ｄ ｓｇ ａ ａ ｔｒ ｙｅ ｅ ｆｕ ｎ ｔ ｅ ｉｎ ｓ ｈ ｍｅ ｔ ｆ ｒｎｔｓｒ ｔ ｅ ｔｐ ｓ ｗｅｅ ｐｒｐｏ ｅ ａ ｆ ｕ ｅ ｏ ｔｍａ ｔｕ ｔｒ ｅ ｉｎ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ
基 于 疲劳 可靠性 优 化 设 计 的深 水 导 管架 平 台多级模 糊选 型
杨 秀 娟 ， 宗祥 修 ，闫相 祯 冯 永 训 ，
（ ． 国石 油 大 学 储 运 与 建 筑 工 程 学 院 山 东 东 营 ２ ７ ６ ； ． 利 工 程 设 计 咨 询 公 司 山 东 东 营 ２ ７２ ） １中 ５０ １ ２ 胜 ５ ０ ６
选 方法 对 优 化 后 的 方 案进 行 模 糊 优 选 ， 以 ２０ｍ 水 深 导 管架 海 洋 平 台作 为 实 例进 行 分 析 。结 果 表 明 ， 传 统 分析 并 ０ 与
海洋工程结构物疲劳强度评估指南
第1节 第2节 第3节 第4节 第5节
概述 ................................................................................................................... 1 定义 ................................................................................................................... 1 S-N 曲线方法 ...................................................................................................2 断裂力学方法 ................................................................................................... 3 结构节点类型 ................................................................................................... 3
第 4 章 疲劳安全系数 .............................................................................................33
第 1 节 一般规定.........................................................................................................33
海洋平台设计与分析考核试卷
B.塑性
C.弹性
D.强度
11.以下哪个软件在海洋平台结构分析中应用较为广泛？（）
A. AutoCAD
B. ANSYS
C. CATIA
D. MATLAB
12.海洋平台设计中，以下哪个因素对平台结构振动影响最大？（）
A.波浪载荷
B.海流速度
C.结构刚度
D.结构质量
13.以下哪种类型的海洋平台主要用于海洋观测和研究？（）
6.为了提高海洋平台的抗腐蚀性能，可以采用______和______等方法。
7.海洋平台设计中，______和______是评估结构疲劳寿命的两个重要因素。
8.适用于边际油田开发的海洋平台类型包括______和______。
9.海洋平台设计中，______软件常用于进行结构动力响应分析。
10.在海洋平台的环境适应性设计中，需要考虑的海洋环境因素主要有______、______和______。
A.材料性能
B.结构设计
C.海洋环境
D.人为操作
2.以下哪些类型的海洋平台属于浮式平台？（）
A. FPSO
B.自升式平台
C.半潜式平台
D.钻井船
3.海洋平台设计中，以下哪些参数与波浪载荷相关？（）
A.波高
B.波周期
C.波向
D.海流速度
4.以下哪些方法可以用于提高海洋平台的抗腐蚀性能？（）
A.涂层保护
A.固定式平台
B.浮式平台
C.群岛式平台
D.潜水式平台
2.以下哪项因素对海洋平台的设计影响最大？（）
A.海水深度
B.海流速度
C.气象条件
D.地质条件
3.海洋平台设计中，以下哪个参数是描述平台稳性的重要指标？（）
FPSO的船舶疲劳与结构损伤评估研究
FPSO的船舶疲劳与结构损伤评估研究FPSO是Floating Production, Storage and Offloading的缩写，指的是浮式生产、存储和卸油装置。
作为海洋油田开发的重要设施之一，FPSO承载着海上生产平台、储油设备和油船的功能，同时还需要承受海洋环境的各种影响。
在长时间运行的过程中，FPSO的结构会遭受疲劳和损伤，因此对FPSO的船舶疲劳与结构损伤进行评估研究是非常必要的。
首先，为了准确评估FPSO的船舶疲劳和结构损伤，需要对其工作环境和荷载进行全面的分析。
FPSO在海洋环境中受到的波浪、风力、海流等外部环境因素的作用，以及油气生产和储存过程中的负荷变化，都会对其结构产生影响。
因此，在评估过程中需要考虑FPSO的工作区域和天气条件，以及实际运营中的荷载情况。
其次，针对FPSO的结构特点，需要采用适合的评估方法和工具进行分析。
由于FPSO结构复杂，一般由多个部分组装而成，因此在评估过程中需要考虑各个部分的连接和相互作用。
同时，由于FPSO长时间处于海上运行，评估方法还需要考虑疲劳寿命、裂纹扩展等因素。
为了评估FPSO的船舶疲劳和结构损伤，可以采用有限元分析（FEA）和疲劳分析两种主要方法。
有限元分析可以通过模型分析FPSO结构在不同荷载作用下的应力和变形情况，从而判断其结构的安全性和稳定性。
疲劳分析则通过对结构的周期荷载历程进行分析，计算结构在多次循环荷载下的应力和应变变化，从而预测结构的疲劳寿命。
在评估FPSO的船舶疲劳和结构损伤时，还需要考虑到外部环境因素和操作及维护等因素的影响。
例如，FPSO在海洋环境中的抗风、抗浪性能、避免润滑剂泄漏等安全性要求，以及正常操作和定期维护等措施的采用，都会对其疲劳和结构损伤产生影响。
因此，在评估过程中需要综合考虑这些因素，制定相应的安全措施和维修计划，保证FPSO的正常运营和安全性。
综上所述，FPSO的船舶疲劳与结构损伤评估研究对于确保FPSO的安全运营和延长使用寿命具有重要意义。
深水多跨海底悬空管道的疲劳分析
深水多跨海底悬空管道的疲劳分析
余志兵，孙国民，戚晓明，高嵩
（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）
摘要：介绍基于疲劳分析准则的多跨海管自由悬跨评估方法，采用有限元分析软件Abaqus,结合管-
土相互作用参数，建立多跨海管数值计算模型，提出悬空管道模态分析方法，并基于Palmgren-Miner线性
(5)
式中：Fa为轴向抗力；foat为涂层有效系数，对聚
合物，一般取0.6。 轴向摩擦系数冷=Fa/Qs。 (3) 侧向抗力 侧向抗力包括被动土抗力和被动库仑摩擦阻力。 被动土抗力计算式为
被动库仑摩擦阻力计算式为
F' = N
(7)
式中：〃c = tan+,其中+为内摩擦角。
侧向抗力Fr=Fp +F'。
于一0.5，即 Seff/PE〉一0. 5。
上述条件适用于单跨(孤立跨)，即悬跨的静 态和动态特性不受相邻悬跨的影响。相反，在多跨 中每个悬跨的静态和动态特性受到相邻悬跨的影 响，即这些自由悬跨是相互作用的。上述推荐公式 显然不适用。针对多跨问题，DNV-RP-F105规范 建议采用近似的响应表达式或精确的有限元法进行 自由悬跨分析，以获得应力幅值和固有频率。
4工程算例
4.1输入参数 以中国南海某油气田采用的单层管道为例进行
多跨模态分析和疲劳评估。该管道为单层管，外防 腐涂层为3层聚乙烯，厚度为3. 1 mm，密度为 940 kg/m3 ；管道总长度为27 km，设计寿命为 25 a。管道输送介质为油和水，密度为293 kg/m3 ； 管道内腐蚀裕量为3 mm。管道结构相关设计参数 如表1 所示)
第36 卷第3 期 2021年06月
文章编号：1001-4500（2021）03-0058-04
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基于谱分析法的深水海洋平台疲劳寿命分析作者：关放李开宇
来源：《名城绘》2017年第06期
摘要：导管架平台在服役期间受到海洋复杂载荷的作用而易产生节点疲劳破坏。
由于交变应力的随机性，本文采用随机波浪谱和线性疲劳累积损伤理论对导管架式海洋平台在波浪荷载作用下的疲劳进行计算。
波浪载荷则使用Morison方程计算，并结合所计算的关键节点的热点应力函数及P-M波浪谱得出疲劳累积损伤。
本次分析同时考虑波浪长期随机性对结构疲劳强度的影响。
本文根据此理论使用SACS软件对南海海域某导管架平台进行了计算，所计算的疲劳寿命可为该海洋平台结构设计提供参考。
关键词：海洋平臺；谱分析法；疲劳损伤
目前工程界对海洋平台疲劳分析方法主要有简化疲劳分析方法、谱分析方法以及确定性方法。
一般简化疲劳分析方法主要是基于疲劳应力的Weibull分布假设，用经验推荐的形状参数和计算得到的尺度参数代入拟合出该Weibull分布从而进行疲劳计算。
谱分析法则是通过计算结构响应，结合波浪谱和波浪概率分布来计算应力长期分布，更为精确和直接，同时计算量也更大。
确定性方法主要基于经验曲线进行疲劳寿命估算，精确性也不及谱分析法。
海上平台作为海洋石油和天然气资源开发的基础设施，处于一个非常复杂和恶劣的环境中。
它受到各种负载的影响，这些负载随时间和空间而变化。
这些负荷的影响是长期连续和随机的。
连续的周期性波动应力会对平台结构造成疲劳损伤，降低系统的可靠性，给经济安全带来诸多不利影响。
因此，海洋平台结构的疲劳寿命分析变得越来越重要。
波浪，海风和海流是作用于海上平台的主要载荷。
由于风和电流影响平台结构的疲劳损伤相对较小，一般被忽略。
本文主要考虑海上平台结构的波浪载荷。
疲劳寿命影响作用。
工程行业的海洋平台疲劳分析方法主要包括简化的疲劳分析方法，光谱分析方法和确定性方法。
一般简化疲劳分析方法主要基于疲劳应力的威布尔分布假设。
经验推荐的形状参数和计算的尺度参数被替换以适合Weibull分布以进行疲劳计算。
谱分析规则计算结构响应，结合波谱和波概率分布计算长期应力分布，更准确，更直接，计算量也更大。
确定性方法基于疲劳寿命估计的经验曲线，精度不如光谱分析方法。
本文基于结构有限元分析软件SACS计算南海某平台的疲劳损伤度，以中国南海海领域中的一种新型深水固定平台是目标平台，平台结构更加复杂。
采用热点应力谱分析方法，完成了主结构典型节点的疲劳强度分析。
研究结果可为平台节点的详细设计和疲劳强度评估提供参考。
1谱分析疲劳理论简介
1.1波浪载荷
根据海况数据，可以计算由作用在平台腿构件上的每个波高产生的波浪载荷。
不同波浪方向上不同波高产生的波浪载荷可以根据Morison公式计算
（1）
式中，f为单位长度桩所受波浪载荷，N；为海水质量密度，kg/m3；为水质点的速度，
m/s；为水质点的加速度，m/s2；D为结构物直径，mm；为阻尼系数；为惯性力系数。
式（1）中水质点的速度和加速度可根据水深、波高以及波周期选择合适的波浪理论进行计算。
本文选择Airy波以进行波浪载荷的模拟。
1.2波浪谱的确定
该波可以看作是一个平滑的高斯随机过程，可以从波的外部性能来研究其特征，并可以得到各种波元的概率分布。
也可以从波的内部结构研究其特征并进行光谱分析。
波的内部结构由每个分量波提供的能量反射。
频谱分析是为了阐明波能相对于波频率，波传播方向或其他自变量的分布规律，从而建立其函数关系。
频谱是波能相对于波频的分布。
在本文中，P-M谱用于分析。
P-M谱是Pierson-Mskowitz谱，这是常用的波谱。
它的光谱表达式是：
式中，S（f）为谱密度，m2/Hz；U为海面上7.5m的风速，m/s；f为频率，Hz；g为重力加速度；α=8.1×10-3；β=0.74。
1.3疲劳损伤度
根据线性系统理论，由于波采用静态正态随机过程，结构的交替应力也是一个平稳的正规随机过程。
波谱密度函数与节点热点应力谱密度函数有以下关系：
式中，为涉及波浪方向的传递函数，N/m；
各个疲劳环境下其应力值均方根的计算式可由式（3）得到：
式中，为均方根值，N；
对于每种波浪在整个结构设计寿命期间，期望循环次数N的计算式为：
式中，m为相应的波浪所占设计寿命的百分比；L为结构设计寿命；TZ为波浪的跨零周期，s。
由式（4）～（5）可得跨零周期为：
对于给定的循环应力s，疲劳循环次数N（s）可由S-N曲线得到。
因此应力范围在s和
s+ds之间，产生的损伤dD可由下式计算：
式中，p（s）为应力范围在s和s+ds之间的概率。
平台结构总的疲劳损伤等于各海况对结构的疲劳损伤之和，疲劳寿命等于设计寿命除以总疲劳损伤。
2目标平台疲劳寿命分析
2.1疲劳分析步骤
基于以上理论，本文对南海某导管架平台结构（如图2所示）进行了波浪载荷下的疲劳损伤计算，平台工作水深133.24m。
1）利用SACS的动力分析模块对导管架频域分析，考虑惯性力及动力放大对导管架的影响，得到导管架倾覆力矩及基地剪力的传递函数。
波浪则选用Airy波进行模拟。
浪向区间为0°～315°，步长为45°。
每个方向通过60个波来计算传递函数，波陡为0.05，波浪周期范围从2s到20s，对于导管架的一阶到三阶频率需取更密集的计算点以保证传递函数的模拟更精确[6]。
2）利用SACS对上述各浪向工况进行线性结构分析，并计算各浪向下的导管架关键节点的热点应力传递函数。
3）在SACS软件中输入所选用的目标海域波浪散布图作为海况长期分布依据，选用P-M 波浪密度谱以生成疲劳热点应力谱。
2.2传递函数及功率谱密度的计算
本文借助SACS软件对目标平台进行结构动力响应分析，每个波浪方向取60个单位波幅且不同周期的波进行传递函数的计算。
如图3（a）～（d）所示为波浪入射方向为0°、45°、90°、135°的平台倾覆力矩傳递函数。
2.3节点疲劳寿命分析
对于焊缝外形控制后疲劳寿命不符合要求的节点，则需对焊缝进一步精细打磨，并选用API 2A中的WJ2 S-N曲线计算其疲劳寿命。
如表1所示，以上节点根据API RP 2A中的规定对焊缝进行精细打磨后所计算的疲劳寿命均符合要求。
3结论
本文以南海某海域目标平台为研究对象，系统的阐述了此类平台结构疲劳的全概率谱分析理论。
本次计算使用SACS软件对该平台进行结构谱疲劳寿命计算，同时充分考虑了波浪载荷的统计特性，主要有以下几点结论：
1）导管架标高靠近水面的关键节点由于波浪载荷的作用疲劳寿命较短。
2）计算实例表明，南海海域的该导管架平台结构的某些节点需进行焊缝精细打磨后才能保证其疲劳符合全寿命期的要求。
3）本文所计算的节点疲劳寿命可为海洋平台结构设计提供参考。
参考文献：
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（作者单位：中港疏浚有限公司）。