考虑疲劳失效的海洋平台动态可靠性分析
海洋导管架平台疲劳问题分析

海洋导管架平台疲劳问题分析张淑华;徐磊;钱进【摘要】疲劳破坏是海洋工程结构的一种主要破坏模式。
导管架平台受到海洋复杂载荷的作用,由于交变应力的随机性以及材料性能的分散性,结构的疲劳具有随机性和不确定性,因此要从概率的角度进行疲劳可靠性分析。
采用ANSYS软件对导管架平台建模,利用S-N 曲线模型以及 Miner线性损伤理论,对结构的疲劳可靠性进行评估。
将整个导管架结构系统简化成串并联模式,应用分枝限界法来寻找系统的主要疲劳失效模式,并对系统的可靠性作出评价,以供工程实际参考。
【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】4页(P16-19)【关键词】导管架;疲劳;系统可靠性【作者】张淑华;徐磊;钱进【作者单位】河海大学,南京210098;河海大学,南京210098;河海大学,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TE951导管架平台是我国最主要的一种海洋平台形式[1]。
在服役期间,导管架结构受到波浪、海流、风、冰等复杂的环境载荷作用,疲劳破坏是其主要破坏形式[2]。
结构最主要的交变应力是由于波浪的不规则变化形成的,事实上任一载荷都不是确定的,而是随时间不规则变化的。
结构的疲劳破坏是一个累积损伤过程,载荷不管大小都会在一定时间内对结构造成一定的疲劳损伤。
把这些不规则变化当成随机变量处理,研究在这些随机变化下结构不产生疲劳破坏的概率,即结构的疲劳可靠性分析。
现行的抗疲劳设计方法有名义应力法、局部应变法、损伤容限法等。
局部应变法是一种基于应变的、考虑弹塑性变形的疲劳寿命估算法,此方法对以弹性变形为主的疲劳进行计算时经常产生较大误差,但却是一种很有研究前景的疲劳估算法。
损伤容限法是在断裂力学的基础上通过估算裂纹扩展速率的一种新方法,此法只能对裂纹扩展阶段的寿命进行评估。
本文采用的名义应力法计算简便,且有大量的数据积累,在海洋工程中得到了广泛的应用。
在导管架的疲劳计算中采用美国石油学会推荐的API-X曲线[3-5]。
海洋环境下悬挂式钻井平台的舰体疲劳性分析

海洋环境下悬挂式钻井平台的舰体疲劳性分析随着深海油气资源的开发,悬挂式钻井平台在海洋工程领域中扮演着重要角色。
然而,由于海洋环境的极端条件,悬挂式钻井平台的舰体会遭受到复杂的载荷影响,这对平台的结构稳定性和安全性提出了严峻的挑战。
因此,对舰体疲劳性进行准确的分析尤为重要。
舰体疲劳性是指悬挂式钻井平台舰体在长期使用过程中受到载荷作用后产生的疲劳损伤程度。
由于舰体材料的疲劳寿命有限,如果疲劳程度超过了其承受能力,就会产生结构性能下降、甚至失效的风险。
因此,分析舰体疲劳性是确保悬挂式钻井平台正常运行和提高其使用寿命的关键一环。
首先,海洋环境下的载荷是导致舰体疲劳的主要因素之一。
根据海洋环境的特点,我们需要考虑到悬挂式钻井平台舰体所面临的水深、海流、风速、浪高等因素对其产生的影响。
水深会影响平台所受到的水压作用力,而海流和风速则会产生涡激振动和风载效应。
另外,浪高对于平台的水动力性能有着重要影响。
因此,通过合理地选择载荷模型,并在数据处理中考虑到海洋环境的差异性,才能准确地评估舰体的疲劳程度。
其次,舰体的结构特点也会对其疲劳性造成影响。
悬挂式钻井平台的舰体形式多样,常见的形式包括单体式、双体式和三体式等。
每一种形式在面对海洋环境下所受到的载荷和振动响应特征都有所差异,因此需要根据实际情况对平台的结构特点进行分析,并据此选择适当的疲劳分析方法和评价指标。
同时,舰体的细节设计及选材也对其疲劳性能有着直接的影响。
钢材的强度、韧性以及焊接质量等都会影响舰体的疲劳寿命。
因此,需要进行详细的结构设计和材料选择,以提高舰体的疲劳强度和寿命。
在舰体疲劳性分析中,还需要考虑到长期累积的疲劳损伤效应。
由于悬挂式钻井平台在海洋环境中工作的时间通常较长,舰体的疲劳寿命的评估要考虑疲劳累积效应。
也就是说,舰体的疲劳寿命不仅受到单次载荷作用的影响,还受到多次载荷作用的累积效应。
在分析中,需要采用疲劳寿命衰减修正方法,考虑到载荷的周期性和裂纹的扩展速率,进而准确预测舰体的寿命。
近海石油平台动态疲劳可靠性研究

了与疲 劳 寿命相 关 的一些 变量 的分 散性 ,但 由于这 种方 法没 有考 虑 时间 因素 ,由计 算得 到 的疲劳 寿命 可靠度 没有 与损 伤过 程联 系起 来 ,是静 态 的 ,不能得 到疲 劳过 程 中各 个瞬 问损 伤 的分散 性 ;所求 出 的 可靠度 也 不随 时间变 化 ,无法 表达 所关 心 的瞬 时可靠 性 ;对在 役平 台的工 作状 态 考虑很 少 ,无法 掌握 平 台结构 在生命 过程 中的可靠 性和 风 险的变 化规 律 , 能解释 结 构材 料老 化和 循 环损伤 而 引起可 靠度 不 下 降的现象 ;因而 ,无 法 在损伤 过程 中采 取 相应 的措 施 ,控制 可靠 性 或者 进 行寿 命管理 ,解 决工 程 中 遇到 的可 靠性 问题 , ( :平 台的检测 维修 规 划等 )。 如
在 服役 期 内 ,海 洋 结构 承受 的 载荷 以及 其 自身 的强 度 随时 问 的变化 均 是极 为 复杂 的过 程 ,往往 具有 很大 的随机 波动 性 ,为 了满足 安全 ,可 靠性 设计 要求 同 时考虑载 荷 和 强度 的概 率分 布 的影响 。在
以往 的研 究 中,往往 注重 于结 构 设计期 的静 态可 靠性 研究 : 目前 ,常用 的静 态疲 劳 可靠性 分析 方法 , 是基于 已验 证过 的疲 劳寿 命 函数 ,推 算 出具有 某一 置信 度与 成活 率 的疲 劳寿 命 :尽 管这 里面 已经考 虑
20 3
-一 I
造
船
另 一 疗咖 ,按 行标 准 没汁的 结构 构件 , 其町靠指标(= .~ .) 一 ∥ 32 37仪反 H 央了其在 没 汁基准 期(= 0 T 5 年1 内的可 靠度 ,是 ‘ 常量 。这 就给 人 一种 危险 的模糊 概念 ,5 年 内 — 0 J ‘ 放心 。实 际 因结构所 处环 境及 使用 条件 诸 凶素 的变化 , 响结 构抗 力 的诸因 素,并非是与 时 问无关 的随 机变量 , 影 而是随机 过程 。
海洋平台的动态响应评估

海洋平台的动态响应评估在海洋工程领域,海洋平台作为开发海洋资源的重要基础设施,其安全性和可靠性至关重要。
而对海洋平台的动态响应进行评估,则是确保其在复杂海洋环境中稳定运行的关键环节。
海洋平台所处的海洋环境极为复杂多变,受到海浪、海流、风等多种因素的共同作用。
这些外界载荷会引起平台结构的振动、位移和应力变化,从而影响平台的正常运行和使用寿命。
因此,准确评估海洋平台的动态响应对于保障平台的安全、优化平台设计以及降低维护成本具有重要意义。
为了评估海洋平台的动态响应,首先需要对海洋环境载荷进行详细的分析。
海浪是海洋平台所承受的最主要载荷之一。
海浪的特征可以通过波高、波周期、波向等参数来描述。
通过海浪谱理论和数值模拟方法,可以对海浪的特性进行预测,并计算出作用在海洋平台上的波浪力。
海流对海洋平台的影响也不容忽视,特别是在深海区域,海流的速度和方向会对平台的稳定性产生较大影响。
此外,风载荷也是海洋平台设计中需要考虑的因素之一,尤其对于上部结构较为突出的平台。
在了解海洋环境载荷的基础上,需要建立海洋平台的结构模型。
这个模型要能够准确反映平台的几何形状、材料特性和连接方式等。
目前,常用的建模方法包括有限元法、边界元法和多体动力学法等。
有限元法是应用最为广泛的一种方法,它可以将复杂的平台结构离散为有限个单元,并通过求解方程组来获得平台的响应。
建立好结构模型后,就可以通过数值模拟或实验研究来评估海洋平台的动态响应。
数值模拟方法具有成本低、效率高的优点,可以在短时间内对不同工况下的平台响应进行预测。
然而,数值模拟结果的准确性往往依赖于模型的简化和假设,需要通过实验研究进行验证和修正。
实验研究则可以更加真实地反映平台的动态响应,但实验成本较高,且难以模拟极端海洋环境。
在评估海洋平台的动态响应时,需要关注的指标包括平台的位移、速度、加速度、应力和应变等。
位移和速度反映了平台的整体运动情况,加速度则与平台上设备的运行稳定性和人员的舒适度密切相关。
基于SACS的海洋平台疲劳可靠性分析

式中 , D 为累积的疲劳损伤度 ; n ( S i ) 为应力水平 S i 下的实际循环次数 ; N ( S i ) 为应力水平 S i 下的疲劳 破坏循环次数 ; k 为安全系数 ,视构件的重要程度及 其疲劳分析的可靠性 ,一般取为 2~10 [ 224 ] 。 如果为 1 a 内产生的累积损伤 , 则节点的总寿 命 T为 1 ( 3) T=
D
2 波浪力的计算
根据海况资料计算作用在平台桩腿构件上每一 种波高所产生的波浪载荷 , 各种波高在不同波向时 所产生的波浪载荷按 Moriso n 公式计算 ,可得 π 2 1 ( 4) f = ρ CD D u| u| +ρ CM D u 2 4 式中 , f 为单位长度桩所受波浪载荷 ,N ;ρ为海水质 量密度 , kg/ m3 ; u 为水质点的速度 , m/ s ; u 为水质 点的加速度 , m/ s2 ; D 为结构物直径 , mm ; CD 为阻 尼系数 ; CM 为惯性力系数 。 式 ( 4) 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 。多数 情况下 Sto kes 五阶波理论能提供可靠 、 准确的数 据[ 5 ] 。
( 2)
的有限元结构分析程序 , 该程序包含多个互相兼容 的分析模块 ,其中 Fatigue Damage ( 疲劳损伤 ) 模块 融合了美国 A PI 规范 , 提供了多种算法 , 能够完成 海洋平台结构的疲劳损伤与寿命计算 。目前 , 该程 序已发展成当今海洋结构设计分析中应用最广泛的 设计分析系统 。
Fatigue Reliability Analysis of Off shore Engineering Based on SACS
WAN G J un2p u1 ,A I Zhi2jiu1 ,L I Xu2zhi2 ,J IAN G Wei2
考虑疲劳失效的海洋平台动态可靠性分析

考 虑 疲 劳 失 效 的 海 洋 平 台 动 态 可 靠 性 分 析
许 亮 斌
(.中海 石 油 研 究 中心 1
陈 国 明
2 76 ) 50 1
北 京 1 0 2 ; 2 0 0 7 .中 国 石 油 大 学 机 电 工 程 学 院 山 东 东 营
摘 要 : 了实 现 海 洋结 构 的全 寿 命 周 期 管 理 , 平 台寿 命 周 期 内的 动 态 疲 劳 载 荷 随 时 间 的 变 异 性 分 为 载 荷 的 长 期 变 异 性 和 短 期 变 为 将 异 性 两种 趋 势 。 载荷 长 期 变 异用 泊 松 模 型 描 述 , 期 变 异 用 连 续 平 稳 随 机 过 程 描 述 提 出 了一 种 海 洋 平 台寿 命 周 期 内的 环 境 载 荷 短
ofl g t r ra lt n s r— e m a ibiiy ff tg o . he l g—e m ara lt on — e m va ibiiy a d ho tt r v ra lt o a i ue lad T on t r v ibiiy was d s rbe s o m od l an he e c i d by Pois n e, dt s r —e m arablt s de c i d by c ntn uss oo h r ndo r c s . n w o l e h ort vion e o d n t ho tt r v i iiy wa s rbe o i uo m t a m p o e s A e m dei m t od f heen r m ntl a s i he ng
建模 的 新 方 法 , 给 出 了考 虑 疲 劳 失 效 的 动 态 疲 劳 可 靠 性 的分 析 方 法 , 现 了平 台 寿 命 周 期 内 的 动 态 疲 劳 可 靠 度 计 算 。 通 过 对 南 并 实
海洋平台的结构强度与稳定性分析

海洋平台的结构强度与稳定性分析海洋平台是一种在海洋中建造的人工平台,用于开展海上石油钻探、海洋科学研究、风电场建设等活动。
在海洋环境中,海洋平台的结构强度和稳定性是非常重要的,对于保证平台运行的安全性和可靠性至关重要。
本文将对海洋平台的结构强度和稳定性进行分析,并提出相应的解决方案。
一、结构强度分析1. 荷载计算海洋平台的结构强度受到多种荷载的影响,包括自重、风载、浪载、冲击载荷等。
在设计海洋平台时,需要根据平台的用途和运行环境合理计算各个荷载的大小,并采取适当的安全系数进行荷载设计。
2. 结构材料选择海洋平台的结构强度与所采用的材料有密切关系。
传统上,海洋平台的结构多采用钢结构,但随着高性能材料的发展,复合材料也逐渐应用于海洋平台的建造中。
选择合适的结构材料可以提高海洋平台的强度和耐久性。
3. 结构设计在海洋平台的结构设计中,需要考虑平台的稳定性和结构的强度。
采用合理的结构形式和连接方式,合理布置支撑结构和刚性连接,可以提高平台的整体结构强度。
二、稳定性分析1. 海底基础设计海洋平台的稳定性受到其海底基础的影响。
根据海洋平台的类型和运行环境,可以选择适合的基础形式,如桩基、板基等。
通过合理设计基础的形状和尺寸,保证海洋平台的稳定性。
2. 平台动力响应分析海洋平台在海洋环境中受到风力、波浪等外部荷载的作用,产生动态响应。
通过对平台的动力响应进行分析,可以评估平台的稳定性,并设计相应的减振措施,如增设阻尼器、减小平台的共振频率等。
3. 风、浪和冲击力分析在海洋平台的稳定性分析中,需要对海洋环境中的风、浪和冲击力进行综合分析。
通过采用海洋气象数据和水动力学模型,可以计算风、浪和冲击力的大小和作用方向,从而评估平台的稳定性。
总结:海洋平台的结构强度与稳定性分析对于确保平台的安全性和可靠性至关重要。
在设计过程中,需要合理计算各个荷载的大小,选择适当的结构材料,设计合理的结构形式和连接方式。
同时,进行稳定性分析包括海底基础设计、平台动力响应分析以及风、浪和冲击力分析等,保证平台在海洋环境中稳定运行。
导管架型海洋平台的疲劳可靠度及疲劳寿命研究

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n (λ t ) λt e n!
-
(2) (3)
P{ N ( t) = n} =
, 较好地பைடு நூலகம்决了海冰环境长期
非平稳疲劳载荷的定量评价问题 。但是 , 这样处理掩 盖了疲劳载荷随时间的变异性 , 进而掩盖了疲劳可靠
式中 S i 为疲劳载荷长期趋势第 i 次的变化值 , 为一 个随机变量 , 其概率密度函数为 f S ( s) , 概率分布函数 为 FS ( s) , 持续 时间 是 τ τi ( t ) 为示 性函 数 , t ≥ 0; i ; I N ( t) 为描述在时间间隔 ( 0 , t) 内疲劳载荷长期趋势变
(9)
对于常规疲劳分析 , S eff 即为 S —N 曲线的斜率 ; 对裂 纹扩展问题 , S eff 则为 Paris 公式指数 。
第3期
许亮斌等 : 考虑疲劳失效的海洋平台动态可靠性分析
133
如果已知构件的应力幅分布为 f S ( s) ,则有
S eff =
∫
0
∞
m S f S ( s) d s
Dynamic rel iabil ity analysis of off shore platf orm considering fatigue fa ilure
Xu Liangbin1 ,2 Chen Guo ming2
( 1 . Resea rch Center of Chi na N ational Of f shore Oi l Cor poration , B ei j i n g 100027 , Chi na; 2 . Col le ge of Mechanical an d Elect ronic En gi neeri n g , Chi na U ni versit y of Pet roleum , Don g y i n g 257061 , Chi na)
Abstract : The variability of dynamic fatigue load varied wit h time during t he life cycle of off shore platform was divided into two part s of longΟ term variability and shortΟ term variability of fatigue load. The longΟ term variability was described by Poisson model ,and t he sho rtΟ term variability was described by continuo us smoot h rando m p rocess. A new modeling met hod fo r t he environment loads in t he life cycle of platfo rm was p ropo sed. A new dynamic reliability analysis met hod for off sho re platfo rm considering fatigue failure was developed. The applied example illust rated t he validatio n of t he p ropo sed met hod. Key words : off sho re platfo rm ; dynamic fatigue ;load ; reliability analysis ; fatigue failure ; modeling met hod
K
(8)
式中 S eff 为等效疲劳应力 , M Pa ; m 和 K 为材料参 数 ; N T 为该疲劳工况中疲劳应力循环的总数 。 计算海洋平台结构的随机疲劳寿命的关键是确定 等效疲劳应力 S eff , S eff 与平台运行的工作载荷和环境 载荷有关 。确定了构件的等效疲劳应力 S eff 和疲劳应 力循环次数 N ,就可以计算出构件的疲劳损伤 。 在线性常规疲劳分析和不计载荷的互相作用的裂 纹扩展分析中 ,随机疲劳应力过程产生的疲劳效应可 由常幅疲劳应力过程进行等效描述 [ 6 ] 。疲劳应力过程
i =1
∑S
m i
1/ m
( 11 )
n=0
∑P
0 ≤t ≤tL
∩ [ Dc > D ( tL ) ] | N ( tL ) = n
-
式中 N T 为疲劳工况中疲劳应力循环的总数 ; S i 为 第 i 个应力循环对应的应力幅 ,M Pa 。 由泊松过程的发生率可以求得疲劳工况的持续时 间 T ,其计算式为 νT ≈ NT = 2
f R ( r) 为抗力 R 在 t 时刻的概率密度函数 , tL 为平台服
役时间 。
( s) + ( 1
-
p) f
X2
( s)
(4) (5)
FS ( s) = p F X1 ( s) + ( 1
p) FX 2 ( s)
式中 f X1 和 FX1 分别为 X 1 的概率密度函数和分布函 数 ; f X2 和 FX2 分别为 X 2 的概率密度函数和分布函数 。 如果泊松点过程的发生率为λ,则海况 1 和海况 2 的发生亦为泊松过程 ,其相应的发生率分别为 λ1 = p λ λ2 = ( 1 - p)λ 则疲劳海况 1 和疲劳海况 2 的持续时间分别为
基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( No1 50679083 ) 资助 。 作者简介 : 许亮斌 ,男 ,1976 年 8 月生 ,2004 年获石油大学 ( 华东) 机械设计及理论专业博士学位 ,现在中海石油研究中心从事深水钻井装备方面的研 究工作 。EΟ mail :xlb0981 @163 . co m
T1 = 1 /λ 1 T2 = 1 /λ 2
图2 泊松方波过程
Fig . 2 Poisson square wave process
2 动态可靠性分析
采用损伤干涉模型研究考虑疲劳失效的动态可靠 性 。当累积疲劳损伤超过临界损伤时 ,发生疲劳失效 。 对于每个工况而言 , 考虑随机载荷的作用对其疲劳损 伤或裂纹扩展进行评估 , 疲劳损伤增量 ΔD i 可以表 示为
132
石 油 学 报
2007 年 第 28 卷
化次数的泊松过程 ;λ为泊松点过程的发生率 ,即疲劳 载荷长期趋势平均变化次数 ; 泊松点过程相邻点的时 间间隔与泊松点过程的发生率互为倒数[ 7 ] μd = 1 /λ 式中 n = 0 ,1 ,2 。 分别考虑海况 1 ( 正常工作海况) 与海况 2 ( 风暴海 况或者重冰年份) 两种情况 ,其广义载荷强度可分别视 为连续随机变量 X 1 和 X 2 , 对于波浪载荷 , 用有效波 高和平均跨零周期 ; 对于冰载荷 , 则用冰强度 、 冰厚表 征 。设 p 表示 X 1 平均所占的时间比例 , 则 X 2 所占时 间比例为 1 - p , 载荷过程任一时点的强度 S 是一个混 合型的概率密度函数 。对于方波泊松过程 , 根据文献 [ 7 ] 的思路 ,考虑长期分布时 , 其任一时点的概率密度 函数和分布函数分别为
海洋平台结构在使用过程中 , 构件材料的疲劳抗 力参量和表征裂纹尖端应力应变场的载荷参量都与时 间密切相关 ,因此在结构服役过程中 ,疲劳载荷不能当 作平稳随机过程来处理 , 结构疲劳可靠性研究必须由 单纯的结构设计静态可靠性过渡到结构全生命周期全 过程的动态疲劳可靠性[ 1Ο5 ] 。与平台动态疲劳可靠性 相关的失效模式很多 , 如疲劳 、 断裂和腐蚀等 , 笔者考 虑腐蚀的影响的同时 , 主要研究了考虑疲劳失效的海 洋平台寿命周期的动态可靠性 。
图1 海洋平台长期疲劳载荷与抗力变化示意图
Fig . 1 LongΟ term fatigue load and resistance
的应力幅 m 次幂等于随机疲劳应力过程随机应力幅
m 次幂的数学期望 ,即
m 1/ m S eff = [ E ( S ) ]
考虑到工程实际中数据收集的难度 , 只考虑两种 海况 ( 图 1 ) 。一般来说 , 对于风暴海况都有相关的数 据记载 , 正常海况和风暴海况的载荷分布是分别统计
m ΔD i = N T S eff
均为随机变量 ,分别服从指数分布 :
f f
T1 T2
λ1 t ( t) = λ 1e
-
(6) (7)
( t) = λ 2e
-
λ2 t
式中 T1 和 T2 的均值分别为 E ( T1 ) = 1 /λ1 , E ( T2 ) 2 2 = 1 /λ2 ; 方差分别为λ 0。 1 和λ 2 ;t ≥
1/ m
( 10 )
考虑到 D ( t) 为一种特殊的随机过程 ,可以按照下 面的方法计算结构的疲劳可靠性 [ 9 ]
R ( tL ) = P
∞
0 ≤t ≤tL
如果 f S ( s) 未知 ,则可采用离散形式 ,即
S eff = 1 NT
NT
∩ [ Dc > D ( tL ) ]
= ( 19 )
摘要 : 为了实现海洋结构的全寿命周期管理 ,将平台寿命周期内的动态疲劳载荷随时间的变异性分为载荷的长期变异性和短期变 异性两种趋势 。载荷长期变异用泊松模型描述 ,短期变异用连续平稳随机过程描述 。提出了一种海洋平台寿命周期内的环境载荷 建模的新方法 ,并给出了考虑疲劳失效的动态疲劳可靠性的分析方法 ,实现了平台寿命周期内的动态疲劳可靠度计算 。通过对南 海某平台的实例分析 ,验证了该方法的可行性 。 关键词 : 海洋平台 ; 动态疲劳 ; 载荷 ; 可靠性分析 ; 疲劳失效 ; 建模方法 中图分类号 : T E242 文献标识码 : A
T Tw ( 12 )