0 引　言

半潜式平台作为钻井、浮式生产装置及生活支持平台目前主要用于墨西哥湾、北海、巴西、西非等海域的海洋石油勘探开发。半潜式平台在海上作业，结构长期遭受波浪载荷，由于波浪载荷引起平台结构疲劳损伤是制约平台安全作业的关键因素，也是平台在初始设计阶段最为关注的问题之一。目前半潜平台结构疲劳分析主要采用谱疲劳分析方法、简化疲劳分析方法、断裂力学分析方法，有大量文献采用以上方法针对特定海况、特定结构型式的半潜式平台开展了平台结构疲劳分析研究^[1-6]。平台结构的疲劳损伤与平台结构形式、作业区域海洋环境特征密切相关，不同平台结构形式在不同作业海洋环境条件下结构应力响应特性不同，即结构长期应力分布Weibull参数不同。采用简化疲劳分析方法和断裂力学分析方法分析结构疲劳寿命时都需要根据Weibull参数确定结构寿命期的许用应力或等效应力来开展平台疲劳寿命评估或设计。目前由于缺乏对不同结构型式的平台在不同海洋环境条件中的长期响应特征研究，导致在采用简化疲劳分析方法或断裂力学分析方法分析结构疲劳寿命时存在结构长期应力分布Weibull参数选取不合理的问题，导致分析结果过于保守或过于危险。本文研究2种不同结构形式的半潜平台结构应力长期响应特征，对比分析不同结构部位结构应力的长期分布Weibull参数，为平台结构简化疲劳设计提供依据。同时对比研究不同海域环境条件下平台结构应力响应长期分布特点，为针对不同海域平台结构疲劳设计提供参考。

1 半潜式平台类型

从平台功能上区分，半潜式平台主要有钻井平台、生产平台、生活/生产支持平台等三大类。目前在役的半潜是钻井平台约有200多座，用于油田生产的半潜式生产平台约有50余座，生活/生产支持平台数量较少。半潜式钻井平台依据可移动钻井装置规范设计，半潜式生产平台以及浮式生产装置规范设计，2种主要平台结构疲劳设计方法相同，仅疲劳寿命安全系数不同，半潜式生产平台由于需要长期在海上维持油气田开采，很难进行坞修检查，因此其疲劳寿命安全系数一般为半潜式钻井平台的3～5倍。从半潜式平台结构形式上来区分，半潜式平台主要分为两类。一种是双船体结构半潜式平台，一般采用箱形上船体甲板，平台双船体/立柱之间采用横向/斜向立柱连接，增大平台的整体抗扭刚度，该种形式的半潜平台采用下双船体可有效降低拖航阻力，便于迁航，主要用于半潜式钻井平台，如图1所示。二种是下部为环形浮箱，环形浮箱四角布置四根圆型/方型立柱，上部为桁架式组块结构，该种形式平台整体结构刚度大，型式简单易与建造，上部组块采用桁架结构有利于油气开采作业设施布置及作业安全，主要用于半潜式生产平台，如图2所示。

2 南海海洋环境条件特点

世界深水油气开发区域主要为墨西哥湾、北海、巴西、西非等海域，其中墨西哥湾环境条件与中国南海类似，是热带气旋多发海域。南海和墨西哥湾也有相应特有的环境条件，由于地形，南海北部内波频发，墨西哥湾有特有的环流。同时，南海和墨西哥湾全年波浪分布情况不同，对于南海，主要波浪谱峰周期在4～10 s之间，主要波浪有义波高在1～2 m之间；墨西哥湾主要波浪谱峰周期在4～8 s之间，主要波浪有义波高在1 m以下，如图3和图4所示。由于不同海域波浪的分布不同，造成半潜式平台结构疲劳特征不同，因此对于不同海域服役的半潜式平台要有针对性的进行疲劳强度评估。

3 平台结构疲劳最大许用应力范围曲线

海洋工程结构应力响应长期分布服从 Weibull分布，基于双线性S-N曲线^[7-8]，经推导可得到平台设计寿命期一遇的结构应力范围，用于平台结构的疲劳寿命评估。设计寿命期一遇结构应力范围小于 ${S_R}$ 时结构疲劳强度满足使用要求， ${S_R}$ 表达式如下：

$ {S_R} = \left[ {\frac{{{{\left( {ln {N_R}} \right)}^{m/\gamma }}}}{{F \times {N_R}\left[ {\varGamma \left( {\dfrac{m}{\gamma } + 1,z} \right)/A + {\delta ^{r - m}}{\varGamma _o}\left( {\dfrac{r}{\gamma } + 1,z} \right)/C} \right]}}} \right]\text{。} $

其中：F为安全系数； ${N_R}$ 为结构设计寿命期内应力循环次数； $\gamma $ 和 $\delta $ 分别为Weibull分布形状参数和尺度参数；r和m为双线性SN曲线参数； $\varGamma $ 和 ${\varGamma _o}$ 为伽马函数； ${{z}} = {\left( {{{{{{s}}_{\rm{Q}}}}/ \delta }} \right)^\gamma }$ ，其中 ${{{s}}_{\rm{Q}}}$ 为双线性S-N曲线转折点处应力范围。

基于ABS（CP）结构疲劳校核S-N曲线，以30年疲劳寿命为例，计算寿命期一遇结构疲劳最大许用应力范围。表1和图5为腐蚀保护条件下结构不同Weibull分布形状参数条件下的结构疲劳许用应力范围。由分析结果可看出，随着结构应力长期分布Weibull形状参数的增大，相同设计寿命期条件下，结构许用应力范围变小，即海洋工程结构物应力长期分布Weibull形状参数越大，结构计算疲劳寿命越低。以常用的E曲线为例，当 $\gamma $ 为0.8时，结构最大许用应力范围为277 MPa，当 $\gamma $ 为0.88时，结构最大许用应力范围为240 MPa。因此结构应力响应长期分布Weibull形状参数对疲劳分析结构有着显著影响。

4 典型双下浮箱半潜式平台不同海域结构应力长期分布特征

对于某典型双船体、四立柱半潜式平台，其排水量约5万吨，总长114 m，宽度79 m，开展该平台在南海典型环境条件^[9]和墨西哥湾典型环境条件^[10]结构应力长期分布研究。根据不同海域波浪散布图和有限元计算得到的平台结构应力响应，利用工程有限元软件计算平台结构的应力长期分布，从而得到不同海域结构应力范围长期分布Weibull形状参数。考虑平台结构对称性，选取平台下船体、箱型甲板、立柱、横撑等多处结构进行研究，计算各处结构的波浪应力响应传递函数，随后与所研究的中国南海及墨西哥湾典型波浪散布图组合，进行应力响应谱拟合计算，获得平台在设计寿命期内整体结构的应力长期分布，从而获得平台各部分结构应力长期分布Weibull分布形状参数值。图6为目标典型双下船体平台结构应力范围长期分布研究所选区域。表2为不同海域平台结构应力长期分布特征研究结果。

由计算结果可知，下船体、箱型甲板、立柱各个区域在中国南海典型环境条件下结构应力长期分布Weibull形状参数位于0.89～1之间，横撑结构各区域结构应力长期分布Weibull形状参数位于0.83～0.88之间。下船体、箱型甲板、立柱各个区域在墨西哥湾典型环境条件下结构应力长期分布Weibull形状参数位于0.59～0.78之间，横撑结构各区域结构应力长期分布Weibull形状参数位于0.62～0.66之间。考虑结构长期应力响应计算的精度，对于在南海作业的典型双下船体半潜平台结构应力长期分布Weibull形状参数取值应不小于1。对于在墨西哥湾作业的典型双下船体半潜平台结构应力长期分布Weibull形状参数取值应不小于0.8。采用以上Weibull形状参数推荐值，以ABS-E曲线为例，由表1及图5可知，南海典型海况30年寿命一遇许用应力范围约200 MPa，墨西哥湾典型海况30年寿命一遇许用应力范围约277 MPa

5 典型环形浮箱四立柱半潜式平台不同海域结构应力长期分布特征

对于某典型环形浮箱、四立柱半潜式平台，排水量约7万吨，长85 m，宽度85 m，开展该平台在南海典型环境条件和墨西哥湾典型环境条件结构应力长期分布研究，从而得到不同海域结构应力范围长期分布Weibull形状参数。考虑平台结构的对称性，选取位于平台环形浮箱、立柱等区域结构研究平台结构在设计寿命期内的应力长期分布。计算各处结构的波浪应力响应传递函数，随后与所研究的中国南海及墨西哥湾典型波浪散布图组合，进行应力响应谱拟合计算，获得平台在设计寿命期内整体结构的应力长期分布，从而获得平台各部分结构应力长期分布Weibull分布形状参数值。图7为研究平台结构应力范围长期分布所选区域。表3为不同海域平台结构应力长期分布特征研究结果。

由计算结果可知，环形浮箱、立柱结构各个区域在中国南海典型环境条件下结构应力长期分布Weibull形状参数位于0.89～1.05之间。环形浮箱、立柱结构各个区域在在墨西哥湾典型环境条件下结构应力长期分布Weibull形状参数位于0.55～0.75之间。考虑结构长期应力响应计算的精度，对于在南海作业的典型环形浮箱四立柱半潜平台结构应力长期分布Weibull形状参数取值应不小于1.05。对于在墨西哥湾作业的典型环形浮箱四立柱半潜平台结构应力长期分布Weibull形状参数取值应不小于0.75。对于该典型环形浮箱半潜式平台，采用以上Weibull形状参数推荐值，ABS-E曲线为例，由表1及图5可知，南海典型海况30年寿命一遇许用应力范围约190 MPa，墨西哥湾典型海况30年寿命一遇许用应力范围约308 MPa

6 结　语

本文研究双下船体和环形浮箱两类典型半潜式平台在中国南海和墨西哥湾典型环境条件下的疲劳应力长期分布Weibull形状参数，为半潜式平台结构疲劳设计分析参数选取提供依据，并为不同海域服役的半潜平台结构疲劳设计提供参考，得到如下结论：

1）根据中国南海典型环境条件，采用谱分析方法分析了双下浮体和环形浮箱两类典型半潜式平台结构各个部位应力响应长期分布Weibull形状参数；对于南海服役的双下浮箱典型结构半潜平台进行结构简化疲劳分析时，应力响应长期分布Weibull形状参数应不小于1；对于南海服役的环形浮箱典型结构半潜平台进行结构简化疲劳分析时，应力响应长期分布Weibull形状参数应不小于1.05。

2）根据墨西哥湾典型环境条件，采用谱分析方法分析了双下浮体和环形浮箱两类典型半潜式平台结构各个部位应力响应长期分布Weibull形状参数，对于两类典型平台在墨西哥湾典型环境条件下应力响应长期分布Weibull形状参数在0.55～0.8之间，较南海典型环境条件下应力响应长期分布Weibull形状参数小。

3）根据中国南海典型波浪散布与墨西哥湾典型波浪散布对比，2种典型结构半潜式平台在两海域的许用应力幅对比，南海海域服役的半潜式平台结构疲劳设计要求较墨西哥湾高，设计半潜式平台结构不应该照搬墨西哥湾经验，应采用南海环境条件对平台结构进行充分的研究与设计优化，设计出满足中国南海海况、疲劳性能优良的半潜平台结构形式。