FPSO单点系泊系统­导缆器疲劳寿命预报方­法

1 430063武汉理工­大学 交通学院,湖北 武汉2 113-8656东京大学 工学院,日本 东京3 200434上海勘测­设计研究院有限公司,上海乐京霞*1,王思宇1,刘玉亮2,陈鹏飞3,姚国全1

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 -

乐京霞,王思宇,刘玉亮,陈鹏飞,姚国全

摘 要:[目的]导缆器作为船舶与海洋­平台系泊系统必不可少­的构件,在工作中会受到系泊缆­的交变作用力,疲劳问题非常突出。[方法]以一个研发中的旋转式­导缆器为研究对象,首先,运用时域水动力计算方­法,研究浮式生产储油轮(FPSO)单点系泊系统中导缆器­在南海S4海域中所承­受的载荷;然后,采用有限元法开展静态­分析计算,研究导缆器结构强度,并通过有限元法计算其­应力集中系数(SCF);最后,基于波浪载荷计算及结­构强度计算结果,针对 FSPO的导缆器在各­种海况下的疲劳寿命提­出一种预报方法。[结果]结果表明,导缆器的疲16.21 51~64劳寿命为 年,疲劳损伤主要发生在海­况 时。[结论]所做研究对导缆器的疲­劳寿命设计和计算具有­参考意义。关键词:导缆器;浮式生产储油卸油装置;单点系泊;疲劳寿命中图分类号:U661.43 文献标志码:A DOI:10.19693/j.issn.1673-3185. 01300

Fatigue life prediction method for fairlead of single point mooring system of FPSO

Yue Jingxia*1,Wang Siyu1,Liu Yuliang2,Chen Pengfei3,Yao Guoquan1 1 School of Transporta­tion,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China 2 School of Engineerin­g,University of Tokyo,Tokyo 113-8656,Japan 3 Shanghai Investigat­ion,Design & Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200434,China Abstract:[Objectives]As an indispensa­ble component of mooring system of ship or platform, fairlead is subjected to the alternatin­g force of mooring cable,and its fatigue problem is especially troublesom­e. [Methods]In this paper,an in-developmen­t rotary fairlead is used as the study object. First,the time domain hydrodynam­ic calculatio­n method is used to study the load borne by the fairleads of single point mooring system of Floating Production Storage and Offloading(FPSO)in the S4 area in South China Sea. Then the Finite Element Analysis(FEA)method is used to carry out static analysis calculatio­n and study the structural strength and this method is also used to calculate the Stress Concentrat­e Factor(SCF)of the fairlead. Finally,based on the wave load calculatio­n and structural strength calculatio­n,a forecast method is provided to predict the fatigue life of FSPO fairleads in various sea conditions.[Results]The results show that the fatigue life of the fairleads is 16.21 years,and the fatigue damage is mainly concentrat­ed in the sea conditions 51-64.[Conclusion­s]The study in this paper can be used for reference in the design of fairleads and the calculatio­n of the fatigue life. Key words:fairlead;Floating Production Storage and Offloading(FPSO);single point mooring;fatigue life收稿日期:2018 - 05 - 24 网络首发时间:2019-3-22 15:38基金项目:国家自然科学基金资助­项目(51679177)作者简介:乐京霞,女,1977年生,博士,副教授。研究方向:船舶结构安全性与可靠­性。E-mail:[email protected]王思宇,男,1995年生,硕士生。研究方向:船舶结构安全性与可靠­性。E-mail:[email protected]

0引言

近年来,随着海洋油气开发逐渐­由浅海走向Float­ing深海,适用于深海的浮式生产­储油轮( Production Storage and Offloading,FPSO)得到广泛FPSO应用。导缆器属 系泊系统中的重要部分,主要用于改变系泊缆的­走向,维持船舶或者平台的系­泊状态。若导缆器损坏,易引起船舶运动状态的­突然改变,对船上设备及船员安全­具有较大影响。特别是在大风大浪的情­况下,导缆器失效有可能导致­船舶或者平台脱离系泊­地,从而对船员生命及财产­造成巨大影响。2010年,发现服役于FPSO英­国北海的 单点系泊系统的导缆器­存在损FPSO坏问题[1]。目前,国内服役的 虽然还未出现导缆器损­坏的情况,但若在服役阶段发现导­缆器损坏然后再对其进­行置换,工作量将会非常大。因此,若能在导缆器的选用阶­段通过数值计算方法对­其疲劳寿命进行预报,将对系泊系统的设计大­有帮助。导缆器在工作时会承受­系泊缆的作用力,在风、浪、流的联合作用下,系泊缆对导缆器的载荷­就是一个不断变化的动­载荷,容易引起结构的疲FP­SO 2]对劳失效。李欣等[ 单点系泊系统进行动力­分析,并与模型试验结果进行­对比,验证了动力方程与计算­程序的可行性。许鑫等[3]针对波浪耦合作用对单­点系泊系统的影响进行­了研究,发现考虑波—流耦合作用时船体的水­平位移与系泊Ma Duan[4]针对海洋平台缆的受力­均会增大。 和与系泊系统之间的耦­合响应进行了研究。Yue和党之凡等[5-6]运用断裂力学方法,针对疲劳裂纹的扩展问­题进行了研究。长期以来,国内外学者以及相关机­构比较关注的都是系泊­缆的布置和疲劳寿命,而针对系泊缆导向装置­导缆器的研究则比较缺­乏,可供参考的标准和规范­也较少。挪威船级社(DNV)的 范[7]针海洋结构疲劳规 对导缆器的支撑结构提­出了强度要求,并要求导缆孔或带滚柱­的导缆器需具有足够大­的开口,以便相关部件能顺利通­过导缆装置。DNV的系泊定位规范[8]对导缆器材料的钢级、滚轮直径大小以及系缆­状态下的设计载荷予以­了规定,要求导缆器滚轮选用2­0高强度钢,并且导缆器的使用寿命­最少为 年,但并未给出直接计算指­南。本文将以研发中的旋转­式导缆器为研究对象,提出一种预报其疲劳寿­命的方法。首先,采用FPSO时域耦合­计算理论计算 单点系泊系统导缆器在­南海百年一遇极限海况­下承受的外载荷,通

过有限元法分析在极端­外载荷条件下导缆器的­结构强度是否满足要求;然后,根据有限元计算结果计­算其应力集中系数;最后,基于时域耦合分析法F­PSO和有限元法,结合到各海况下FPS­O单点系泊系统导缆器­处缆绳张工作海域波浪­散布图,得力时间历程和导缆器­热点应力幅值时间历程。得到导缆器热点应力幅­值时间历程后,再使用雨流计数法计数,并基于损伤理论对导缆­器的疲劳寿命进行预报。S-N曲线和Miner线­性疲劳累积1 计算理论1.1 时域耦合计算理论浮体­系泊于海洋会受到海洋­环境载荷的作用,环境载荷中除波浪载荷­外,还有风载荷和流载荷。时域下的波浪载荷是在­频域计算的基础上,利用卡明斯脉冲理论和­傅里叶变换而得到。风、流载荷最精确的计算结­果是通过风洞实验测得,在没有风洞实验资料的­前提下,可根据经验公式估算。除海洋环境载荷的作用­外,浮体还将受到系泊系统­提供的回复力的作用。系泊系统的回复力可通­过求解系泊缆的动力学­微分方程获得。所以,在已知水动力系数、波浪载荷和风、流载荷,以

及系泊回复力的基础上,系泊系统的时域耦合运­动方程可表达为[9]

[ M + A  t Kx(t) = F (1) (¥)] ẍ(t) + h(t - τ)ẋ(τ)dτ + 0式中: M 为质量矩阵; A (¥) 为频率无穷大时的

附加质量矩阵; x(t) 为运动位移;K 为静水力回t复矩阵; h(t - τ)ẋ(τ)dτ 为延迟函数;F 为力向量, 0包括波浪力(一阶波浪力及二阶波浪­力)、风流力

以及系泊约束力。1.2 古德曼公式由于雨流计­数未考虑平均应力对疲­劳寿命的影响,所以需要对雨流计数时­采用的名义应力进

行修正。目前,修正的方法有很多,其中,古德曼(Goodman)修正公式因计算简单和­偏保守的估计而被广泛­应用。

古德曼修正满足以下关­系式: Sa Sm (2) + =1 S Su NF式中:Sa 为应力幅值;S 为材料的疲劳强度;Sm NF为平均应力;S 为材料的极限抗拉强度。u

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