深水半潜式平台疲劳分析及关键节点的疲劳试验研究

摘要

我国海洋油气资源的勘探与开发不断走向深海，深水半潜式平台作为海洋油气资源开发的一种主要平台，其结构分析技术显得尤为重要。为了加快南海深水油气资源的开发利用，确保平台在深海中安全可靠运行，国家将深水平台工程技术列入“十一五”期间的“国家科技重大专项”。论文围绕深水半潜式平台结构疲劳分析技术这一课题，分析了深水半潜式平台结构的疲劳寿命及疲劳可靠性，进行了平台关键节点的疲劳试验和监测研究。本文主要包括以下几方面内容：
　　 (1)建立了深水半潜式平台结构的疲劳分析方法。详细分析了传统子模型技术、多边界插值方法和改进多边界插值方法，提出了将多边界插值方法和改进多边界插值方法应用于深水半潜式平台结构的疲劳分析，可以满足计算精度的要求和有梁单元通过切割边界的情况，拓宽了子模型技术的应用范围。
　　 (2)深水半潜式平台结构的疲劳寿命分析。建立了深水半潜式平台整体结构模型和局部子模型，分析了各种工况下平台整体结构的疲劳强度，确定了平台结构的疲劳关键部位。运用改进多边界插值方法分析了平台局部子模型不同工况下的应力响应，采用几何应力外插法计算了热点应力。基于疲劳累积损伤和疲劳裂纹扩展的疲劳分析方法，计算了平台关键节点的疲劳寿命。
　　 (3)深水半潜式平台结构的疲劳可靠性及参数敏感性分析。应用S-N曲线法和断裂力学方法分析了深水半潜式平台关键部位的疲劳可靠性。结合中国南海12个海域的海况，计算了不同海域深水半潜式平台结构关键节点的疲劳可靠性指标和失效概率。分析了S-N曲线法中和断裂力学方法中的疲劳敏感性参数对平台疲劳可靠性指标的影响规律。
　　 (4)深水半潜式平台结构关键节点的疲劳试验研究。研究了弯曲作用下关键节点中两类试件的疲劳寿命，分析了关键节点的疲劳破坏现象、疲劳破坏过程以及疲劳裂纹扩展规律。通过电镜扫描，研究了疲劳断口不同裂纹扩展区域的微观组织结构，揭示了疲劳裂纹扩展速率、裂纹扩展方向及疲劳破坏机理。
　　 (5)深水半潜式平台结构关键节点的疲劳剩余极限强度试验研究。根据损伤容限设计原理，结合平台服役详细检修期，确定试验的疲劳循环加载次数。研究了两类关键节点试件焊接处打磨处理与未打磨处理的疲劳剩余极限强度，对比分析了焊接处的打磨与否对疲劳性能的影响。
　　 (6)深水半潜式平台结构关键节点的疲劳监测试验研究。基于FBG监测原理，对平台结构关键节点进行了疲劳监测试验研究和疲劳极限强度监测试验研究，分析了试验监测值与实测值的位移及应变变化规律，探讨了用FBG进行结构关键节点疲劳监测的合理性。