浮式平台在各种不同工况下都承受多种载荷作用,其中环境载荷是主要的,但并非所有的载荷都对平台结构的疲劳强度有影响,只是那些使结构产生长期交变应力作用的载荷才会对结构疲劳产生影响。对浮式平台结构产生长期交变应力作用的载荷主要是波浪载荷,不同的载荷工况对平台结构疲劳强度的影响程度也不同。生存条件下大幅波浪作用时间较短,对结构疲劳的影响可能不大。拖航工况也会引起结构的疲劳,但如果拖航路径短、所用时间短,对结构疲劳的影响也不大。对浮式平台作用最长的载荷工况是作业工况,对于半潜式钻井平台,钻井作业工况是其长期经历的工况,是对钻井平台疲劳寿命影响最大的工况。浮式生产平台在完成安装以后长期在固定的海域操作,在作业工况下其所经历的波浪载荷是评估疲劳寿命的控制载荷。由于波浪载荷是随机载荷,平台承受的波浪载荷的大小、方向都是随时间变化的,由此引起的交变应力是一个随机过程,要评估平台的疲劳寿命必须建立随机波浪载荷的概率分布模型。波浪载荷作用在结构上产生交变应力,研究表明结构疲劳损伤的程度主要与应力循环时的变动范围的大小及其作用次数有关。因此利用波浪载荷的概率分布模型获得结构应力范围的概率分布模型,依次计算各个应力循环次数,结合累积疲劳损伤原理,可以计算得到平台结构的疲劳寿命。
深水浮式平台有多种结构类型,如深吃水立柱式平台、张力腿平台、半潜生产平台和半潜钻井平台等。不同结构形式的平台在波浪载荷作用下,容易发生结构疲劳损伤的位置及应力幅值的大小也各不相同。因此在计算浮式平台的结构疲劳寿命时,通过分析平台结构特点,找出平台结构易发生疲劳部位是平台结构疲劳分析的关键所在。对平台结构的疲劳热点位置确定做出了一般性规定,但由于平台结构的复杂性,确定平台结构疲劳的热点部位仍需要做大量分析,以便能确定结构易出现疲劳的位置。
影响深水浮式平台结构疲劳强度的因素很多,包括结构的材料、局部结构形式、焊接形式及焊接质量、波浪载荷作用时间以及波浪载荷大小等都会对平台结构的疲劳寿命产生影响。深水浮式平台疲劳寿命分析的目的就是通过综合考虑内部结构和外部载荷等多种因素的影响,采用合理的计算方法,对平台结构的疲劳寿命进行合理的评估,以满足设计规范的要求。
浮式平台结构是在变化的应力幅值作用下工作,一般通过采用迈纳(Miner)线性累积损伤原理使有变化的应力幅值问题也能用疲劳应力范围-疲劳寿命(S-N)曲线进行疲劳强度分析。具体做法是应用有关规范给出的S-N曲线,对每一个损伤计算点,计算各离散的应力范围单独作用时该点疲劳破坏的循环次数,并计算各离散应力范围产生的疲劳损伤度。累加各离散的应力范围产生的疲劳损伤度,从而得到一个海况下该损伤计算点的疲劳损伤度在不同海况下的损伤,把每一海况下的疲劳损伤度用Miner线性疲劳累积叠加,得到服役期间总损伤度,然后就可以给出疲劳寿命。