用于FPSO系泊系统的吸力锚疲劳分析研究

近年来 相关 规 范 剖对 不 可 检测 区域 的疲 劳 寿 命安 全 系数要 求统 一 提高 到 １ ０ ， 说 明疲 劳分 析 在 海洋 结构 分 析 中起 着重 要 的作用 。常 用 的疲劳
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ８—２ ８
修 回 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ８— ３ １
用于 Ｆ Ｐ Ｓ Ｏ系 泊 系 统 的吸力 锚 疲 劳分 析 研 究
张 孝卫 ， 刘玉 玺 ， 王江 宏 ， 靳宝旺， 董 志亮
（ 海洋石油工程股份有 限公 司， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ １ ） 摘 要 ： 以某系泊系统吸力锚 的设计为基础 ， 运用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ有限元软件和编制的表格对吸力锚系泊点处 的 疲劳进行计算分析 。通过对局部结构进行 调整试算 ， 得 出较为优化 的加强方案 。 关键词 ： 吸力锚 ； 系泊 系统 ； 系泊点 ； 筒壁 ； 疲劳分析
第４ ２卷 第 ６ 期 ２ ０ １ ３年 １ ２月
船 海 工 程
Ｓ ＨＩ Ｐ＆ Ｏ ＣＥ ＡＮ Ｅ ＮＧＩ ＮＥ Ｅ ＲＩ ＮＧ
Ｖｏ １ ． ４ ２ Ｎｏ ． ６
Ｄ ｅ Ｃ ． ２ ０ｌ ３
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ － ７ ９ ５ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ６ ． ０ ４ ２
筒 壁 和拖点 之 间 的典 型 连接形 式 。
浮式结构承受着周期性环境荷载 的作用 ， 锚
链 将 周期性 荷 载传递 给 吸力锚 。所 以处 理此 类疲
劳分析 ， 要根据材质 、 作用点焊接形式 和环境 因 素， 选择合适的 Ｓ 一 Ⅳ 曲线 。图 ２为典 型 的 双直 线
型Ｓ ． Ⅳ 曲线 。
的水 ， 当抽 出的水量大于底部渗入的水量时， 在封
闭 的筒体 内形 成 负压 。当 负压 足 够 大 ， 以至 于 产 生 向下 的推力 能 够 克服 下 沉 的土 体 阻 力 时 ， 锚体 就会 不 断的被 压人 土 中。达 到预 定 深 度 后 ， 停 止
泵吸， 桶内负压随之消失 ， 经过一段时间土体 固结
以及 试拉 之后 ， 即可 承受 系泊 力 。桶 体 依 靠 内外
图１ 吸 力锚 筒 壁 与 拖 点 连 接 形式
侧壁 的摩擦力和上壁的吸附力等 ， 提供在位期间
的抗 拔和抗 压 承载力 。与拖 曳锚 、 重力 锚 、 桩 锚 等 其它 基础 形式 相 比 ， 吸力 锚结 构具 有定 位准 确 ， 施
中图分类 号： Ｕ ６ ７ ５ ． ９ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ １ － ７ ９ ５ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ － ０ １ ６ ７ － ０ ５
吸力 锚采 用 一 种 上端 封 闭 、 下 端 开 口的钢 质 筒形 结构 。借 助设 置在 顶盖 上 的潜水泵 外 抽桶 内
和流 程 。
工迅速 ， 便于 回收等优点 ， 且可提供全方位锚 固
力， 能够 适应 系 泊 油轮 围绕 系泊 点做 ３ ６ ０ 。 旋 转 的
要求 ， 近年来已越来越多地作 为系泊系统的基础
被 采 用 。
一
般吸力锚的最佳受力点位于其贯人深度的
１ 理 论 基 础
１ ． １ 方 法流程
出结构服役周期 内的疲劳损伤。
ｋ ｎ
转 变 后 为 ｌ ｇ Ｎ ＝ ｌ ｇ Ｋ ｐ — ｍ ｌ ｇ （ Ｓ （ ￣ １ ） ）
（ １ ）
（ ６ ）
Ｄ ＝∑
Ｉ ＝ｌ
— —
’ｉ
式 中： Ｄ ——每种荷载下的损伤值 ； 所 有应 力 幅值 的个数 ；
２ ／ ３至 ３ ／ ４之 间 ， 此 时 吸 力锚 与 土体 结 构 作 用 模 型 的破坏形 式 表 现 为 平 动 。在 位 期 间 ， 承 受着 锚
链 的交变载荷 ， 而作为重要传力构件 的吊点与筒
体 之 间 的连 接 处 ， 容 易 产 生 高 应 力 区域 。此处 的 寿命 直接决 定 整个 吸力锚 的使 用期 限。所 以研究 此 处 的疲劳 性能 是非 常必 要 的。 图 １ 给 出吸力 锚
分析方法也分为确定性疲 劳、 谱疲劳 、 简化 疲 劳
等。而本文依据工程实例 ， 采取 Ｂ Ｖ规范推荐 的 疲 劳计算 方法 对结 构寿 命进行 研 究 。通 过修 改结
构形 式 ， 进 行定 量 的分析 ， 对 比分 析不 同的 调整方 案 的优缺 点 ， 为工 程实 际设计 提供 一种 安全 、 方便 且经 济 的方法 。下 面介 绍确定 性 疲劳分 析 的原理
第一作者简介 ： 张孝卫 （ １ ９ ８ ２一） ， 男， 硕士， 工程师 研 究方向 ： 船舶与海洋工程 的结构物设计
Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ： ｚ ｘ ｍ＠ ｍａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｏ ｅ ｃ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ａ
图 ２ 双直 线型 Ｊ ｓ — Ｎ 曲 线
首先通过 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ软件算 出交变荷 载下热点
ｎ ｉ — — 在应 力 幅值 ． ｓ 下 的循 环 次数 ； Ⅳ ｌ — — 应力 幅值 ５ 的许 用次 数 。 对于一 旦 失 效 将 导 致 灾 难 性 后 果 的关 键 构
吸 力 锚 拖 点 和 筒 壁 处 的热 点 疲 劳 可选 用 Ｄ
曲线进行疲劳寿命校核 。疲劳热点处的壁厚与试
件壁 厚 不一样 ， 考 虑厚度 影 响后 ， ５ 一 Ⅳ公 式如下 。
ｍｌ ｇ Ｓ＋ｌ ｇ Ｎ ＝ｌ ｇ Ｋ ＝ｌ ｇ Ｋｐ一 ０ ・ ３ｍｌ ｇ ｂ
（ ５ ）
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第 ６期
船
海
工
程
第４ ２卷
处的应力范围， 乘线给出的应力幅值 查 出许 用 的循 环 次数 。 已知交变 荷 载的作 用次 数
除 以许 用 的循 环次 数 ， 得 出一 定 荷 载 范 围 内 的损 伤 值 。为 了统计 出全 荷载 分布 范 围 内的结 构疲 劳 寿命 ， 采取 Ｍ ｉ ｎ ｅ ｒ — Ｐ ａ ｌ ｍｇ ｒ ｅ ｎ线 性 累积 损 伤 理 论 算