基于SACS的海洋平台疲劳可靠性分析

第 37 卷 第 9 期 王浚璞 ,等 : 基于 SACS 的海洋平台疲劳可靠性分析
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Abstract : The research mainly aimed at fatigue life reliabilit y of off shore platform st ruct ure which was affected by wave load. The linear fatigue of t he jacket st ruct ure was evaluated by using wave spect rum analysis t heory and t heory of linear cumulative damage. The wave loads is reduced by t he Sto kes Wave Theory and t he linearized Moriso n Equatio n. The fatigue reliabilit y analysis of st ruct ure is based o n t he analysis in t he f requency do main. In t he fatigue reliabilit y analysis , sup 2 po sing t he st ress is in Rayleigh dist ributio n , and t he RMS of st ress is performed by t he t ransfer f unctio n of t he jacket and t he P2M spect rum , t he stochastic p roperties of wave loads was included in t he numerical calculatio n model . According to t hat t heo ry above mentio ned t he jacket in Lia2 odo ngwan Bay was taken as an example , which was calculated wit h SACS. This satisfactory ap 2 plicatio n was t he p roof of it s p racticabilit y and simplicit y. Key words : off shore platfo rm ;wave spect rum ;fatigue analysis ;reliabilit y ; SACS
海洋平台作为海洋油气资源开发的基础性设施 所处的环境十分复杂和恶劣 , 承受着多种随时间和 空间变化的载荷 ,这些载荷的作用是长期 、 连续和随 机的 。持续的循环波动应力会使平台结构产生疲劳 破坏 ,从而降低系统的可靠度 , 给生产 、 生活带来诸 多不利的影响 ,因此 ,对海洋平台结构的疲劳寿命分 析日趋重要 。波浪 、 海风和海流是作用于海洋平台 上的主要载荷 ,由于风和海流对平台结构疲劳损伤 影响相对较小 ,一般忽略不计 。本文主要考虑波浪 载荷对海洋平台结构的疲劳寿命影响作用 。
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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=
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基于 SACS 的海洋平台疲劳可靠性分析
王浚璞1 ,艾志久1 ,李旭志2 ,姜 巍2
( 1. 西南石油大学 ,成都 610500 ;2. 中油辽河工程公司 ,辽宁 盘锦 124010)
摘要 : 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可 靠性进行研究 。波浪载荷使用 Moriso n 方程计算 ,并以 Sto kes 波浪理论计算水质点速度 。平台结 构疲劳可靠性分析采用频域分析 ,假设作用于结构的应力范围服从 Rayleigh 分布 , 用结构应力传 递函数和 P2M 波浪谱得到结构的均方根应力值 , 然后根据 Miner 线性累积损伤准则推导出结构 疲劳损伤的概率分布函数 ,从而求得结构在随机波浪作用下导管架的疲劳损伤和使用寿命 。分析 考虑了波浪对结构疲劳强度影响的随机性 。根据此理论使用 SACS 软件对辽东湾海域某导管架平 台进行了计算 ,说明了该方法的实用性和简便性 。 关键词 : 海洋平台 ; 波浪谱 ; 疲劳分析 ; 可靠性 ; SACS 中图分类号 : T E951 文献标识码 : A
柱负载扭矩的计算 [J ] . 大庆石油学院学报 ,2004 ,28
( 6) :26228.
收稿日期 :2008203229
( 05B70104) 基金项目 : 中国石油集团公司重点科技项目 “辽河滩海海工工程技术研究”
作者简介 : 王浚璞 (19832) ,男 ,四川南充人 ,硕士研究生 ,主要从事海洋钢结构的研究 , E2mail :wangjiswpi @126. co m 。
Si ( f ) =
ag 5 exp f
1 Miner 疲劳损伤法则
Miner 线性累积损伤法则是目前工程设计中广
泛使用的疲劳损伤法则 。该法则认为 : 一个给定的 应力水平所消耗的疲劳寿命是该应力水平作用的循 环次数与该应力水平作用到破坏所允许的次数比 , 并把该比值称为 “损伤比” ; 如果几个不同的应力水 平施加到一个结构细节上 , 各应力对应损伤比之和 就是消耗掉的疲劳寿命部分 ; 当损伤比之和为 1 时 , 结构的使用寿命就消耗尽了[ 1 ] 。 根据上述假 设 , 若 构件 在某 恒 幅 应 力 水 平 S 下 , 循环至破坏的寿命为 N , 则可定义其在经受 n 次循环时的损伤为
参考文献 :
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( 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 。
2 . L i aohe Pet roleum En gi neeri n g Co. , L t d. , Pan j i n 124010 , Chi na)
载荷扭矩中所占的比例最大 , 但同时需考虑其他 3 个载荷扭矩 ,避免了现场运行短时间电机被烧坏问 题 ,为提高螺杆泵采油系统效率提供了理论基础 。 3) 本文采用综合计算功率法选电机 , 相对于 经验法选电机降低了一个等级 , 更符合螺杆泵采油 系统节能降耗的技术经济效率 。 4) 建议油田采用具有软启 、 软停功能的螺杆 泵变频控制系统 ,延长启动时间可降低启动扭矩峰 值 ,有效地解决螺杆泵井启动瞬间扭矩过大可能造 成电机启动不了或抽油杆扭断的问题 , 以降低螺杆 泵井生产成本 。
SACS 是美国 Engineering Dynamics 公司研发
构件在应力水平 S i ( N ) 下 ,经受 ni 次循环的损 伤为 D i = ni / N i , 若在 m 个应力水平 S i 下 , 经受 ni 次循环 ,则可定义其总损伤为
m n( Si) D = k ・∑ ≤ 1. 0 i =1 N ( Si)
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 ] 。
D= n N
3 传递函数
传递函数是循环应力幅值与波高比值关于频率 的函数 。实际上结构系统不是精确的线性系统 , 基 本公式 Y ( f )Байду номын сангаас= H ( f ) X ( f ) 只是近似真实 。当波浪
( 1)
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石油矿场机械
2008 年 9 月
产生的疲劳环境 ( 在设计寿命期间所有循环应力对 结构作用的总和) 不是非常大时 ,这种近似是非常精 确的 。A IR Y 波理论导出的波形是一正弦曲线 , 其 他波理论导出的波不是纯粹的正弦波 。然而 , 对于 小振幅波 ( 疲劳研究中的典型波形 ) , 其波形近似正 弦 ,因此可以合理地用来生成传递函数 [ 6 ] 。 在特定的疲劳情况 ( 波浪方向 ) 下 , 各种不同波 高但波陡相同的波作用在结构上 , 由此生成传递函 数 。这些波不一定是疲劳环境中的波 , 但是波的选 择基于结构的力学特性 。程序计算不同波位置下的 应力 ,最大和最小应力之差称为应力幅值 ,它由各个 波确定[ 7 ] ,如图 1 所示 。
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
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2008 年 第 37 卷 石油矿场机械 第 9 期 第 24 页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008 , 37( 9) :24～27 文章编号 : 100123482 ( 2008 ) 0920024204