CN102289563A - 一种寒区海洋平台剩余寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋平台设计技术，具体涉及一种寒区海洋平台剩余寿命评估方法。该方法在计算海洋平台的剩余寿命时，考虑了已经服役年限内的累积疲劳损伤，考虑了短期环境荷载引起的疲劳损伤对剩余疲劳寿命的影响，同时，考虑了极端环境荷载引起的疲劳损伤对剩余疲劳寿命的影响。本发明更符合海洋平台实际的疲劳损伤累积本质，更符合公知的Miner’s线性损伤累积准则，更符合当前的环境荷载变化趋势和特点，比现有方法更科学、更合理，剩余寿命的分析结果更准确可靠。

Description

一种寒区海洋平台剩余寿命评估方法

技术领域

本发明属于海洋平台设计技术，具体涉及一种寒区海洋平台剩余寿命评估方法。

背景技术

海洋平台的剩余寿命分析是海洋平台安全评估的重要内容之一，它为海洋平台的使用和管理者提供决策的依据。因此，剩余寿命分析是海洋平台服役期内一项重要且繁琐的任务，特别是服役中后期的海洋平台和准备超期服役的海洋平台，剩余寿命分析显得更加重要，也是更加频繁的任务。

现有的海洋平台剩余寿命分析方法是采用评估当时的海洋平台结构状态(腐蚀状态和应力状态等)计算结构的疲劳损伤，其中疲劳应力的计算是采用长期环境荷载(每天发生)计算每年的疲劳损伤率，然后按照Miner’s线性疲劳累积损伤准则(公式(1))计算出所有类型荷载每年引起的疲劳损伤之和，再根据公式(2)计算出剩余寿命。

$D=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}---\left(1\right)$

上式中：D为评估状态各种长期环境荷载引起的疲劳损伤总和；n_i为环境荷载作用下某个应力幅值的应力循环次数，由计算得到；N_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，从海洋平台结构的疲劳曲线(S-N曲线，公知的曲线，不同材料、不同结构和不同环境条件有不同的S-N曲线)得到；m为不同应力幅值的个数。

上式中：f为设计疲劳安全系数。

现有的剩余寿命分析方法在计算疲劳损伤时，式(1)中的环境荷载仅包括波浪。与新设计海洋平台疲劳寿命计算的区别仅在于计算所依据的结构状态不同，如果没有严重的腐蚀，则计算结果与新结构差别很小。

根据公式(1)和公式(2)计算出的疲劳损伤率和疲劳寿命不包括海洋平台已经服役年限内的疲劳损伤；不包括冰荷载等短期荷载(不是长年存在的环境现象，每年只集中发生一次或几次，但累积持续时间较长，因而引起的疲劳损伤较严重)引起的疲劳损伤；不包括极端环境荷载引起的疲劳损伤。因此，忽略了海洋平台已经存在的疲劳损伤，即忽略了海洋平台已经失去的承受疲劳损伤的能力。已经服役的年限可能已达到裂纹的孕育期，只是尚未开裂，所以评估前的检查并未发现裂纹，仍按照无裂纹计算疲劳寿命，其计算结构的偏差是不言而喻的；忽略了短期环境荷载和极端环境荷载引起的疲劳损伤，而近年来由于气候变化等原因，短期环境荷载和极端环境荷载的发生概率大大增加，由原来的“偶发”自然现象变成了如今的“频发”环境灾害。因此，忽略这些环境荷载对海洋平台疲劳损伤的影响既不符合当前的环境荷载状况，也不符合Miner’s线性疲劳累积准则。

综上所述，现有的海洋平台剩余寿命分析方法存在以下缺点：

1.没有考虑海洋平台已经服役年限内产生的疲劳损伤累积，将服役多年后的海洋平台剩余寿命按照新建平台的疲劳寿命计算方法进行分析，仅仅考虑了服役后的平台状态变化，如腐蚀等，而没有考虑已经产生的疲劳损伤减少的疲劳寿命，更没有考虑由于疲劳损伤而孕育在结构内的疲劳裂纹，没有扣除已经服役年限内累积的疲劳损伤。

2.没有考虑能够引起海洋平台疲劳损伤的短期环境荷载效应，而由于近年来的气候变化等原因，短期环境荷载引起的疲劳损伤对海洋平台的整体疲劳寿命将产生较大的甚至致命的影响。

3.没有考虑已经由“偶发”变为“频发”的极端荷载引起的疲劳损伤对海洋平台整体疲劳寿命的影响。按照以往的极端环境荷载定义，海洋平台在15年的设计寿命期，可能遭遇不到极端荷载的作用，或最多遭遇一次持续时间很短的极端荷载作用。因此，不考虑极端荷载引起的疲劳损伤是合理的。但近年来，由于全球气候变化引起的极端环境条件频发，使得现有海洋平台剩余寿命的分析方法不再适用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有海洋平台剩余寿命分析方法的缺陷，提供一种更加合理和更加科学的寒区海洋平台剩余寿命评估方法。

本发明的技术方案如下：一种寒区海洋平台剩余寿命评估方法，包括：

基于海洋平台服役海域的波浪散斑图、相应的S-N曲线和海洋平台结构的现状计算长期环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/年，其中，n1_i为长期环境荷载作用下第i个应力幅值每年的应力循环次数，N1_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S1为每年长期环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的冰参数、相应的S-N曲线和海洋平台结构的现状计算短期环境荷载的疲劳损伤率单位为1/次，其中，n2_i为短期环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N2_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S2为每次短期环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的极端环境荷载、相应的S-N曲线和海洋平台结构的现状计算极端环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n3_i为极端环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N3_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S3为每次极端环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的波浪散斑图、相应的S-N曲线和海洋平台结构的设计状态计算已服役年限内长期环境荷载的疲劳损伤率单位为1/年，其中，n4_i为已服役年限内长期环境荷载作用下第i个应力幅值每年的应力循环次数，N4_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S4为每年长期环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的冰参数、相应的S-N曲线和海洋平台结构的设计状态计算已服役年限内短期环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n5_i为已服役年限内短期环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N5_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S5为每次短期环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的极端环境荷载、相应的S-N曲线和海洋平台结构的设计状态计算已服役年限内极端环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n6_i为已服役年限内极端环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N6_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S6为每次极端环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于疲劳设计准则，按如下公式计算剩余寿命：

剩余寿命＝(1-D_historywave×f_wave×n_serve-D_historyice×f_ice×n_historyice-D_{historyextreme}×f_extreme×n_{historyextreme}-D_extreme×f_extreme×n_extreme-D_ice×f_ice×n_ice)/D_wave×f_wave

上式中，f_wave为长期波浪荷载的设计疲劳安全系数，n_serve为服役年限；f_ice为冰荷载的设计疲劳安全系数，n_historyice为已服役年限内的冰荷载发生次数；f_extreme为极端波浪荷载的设计疲劳安全系数，n_{historyextreme}为已服役年限内的极端波浪荷载发生次数，n_extreme为剩余服役期内预测的极端波浪荷载发生次数；n_ice为剩余服役期内预测的冰荷载发生次数。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的寒区海洋平台剩余寿命评估方法考虑了历史疲劳损伤对剩余寿命评估的影响，考虑了短期和极端环境荷载引起的疲劳损伤对剩余寿命分析的影响，提出了考虑历史疲劳损伤的剩余寿命分析方法，比现有方法更科学、更符合自然规律，并且更符合近年来的环境变化趋势，分析结果更准确可靠。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。

海洋平台的疲劳损伤是一个渐进的累积过程，疲劳寿命的主要部分是裂纹的孕育和萌生过程，而裂纹扩展至断裂的持续时间较短，只占疲劳寿命的一小部分，这就是海洋平台一旦出现了裂纹必须立即修复的原因。而现有的剩余寿命评估方法不考虑已经服役年限内的疲劳损伤，而仅仅依据剩余寿命评估当时的海洋平台状态(如腐蚀现状)进行疲劳寿命计算，与新结构的疲劳寿命计算方法完全相同，唯一的区别是结构的状态不是设计状态，而是评估当时的状态。如果海洋平台在服役期内没有受到严重的腐蚀或较大的变故，则两种状态的疲劳寿命计算结果基本相当，不能反映已经服役年限内的疲劳损伤对剩余寿命的影响，但此时，裂纹可能已经在海洋平台内孕育成熟，只是没有开裂。因此，这样的剩余寿命评估方法是不科学且不符合海洋平台的实际损伤状态。

极端环境荷载是指在较长一段时间内可能只发生一次的强度极大的环境荷载，对于寒区海洋平台，则包括50年或100年一遇的波浪或冰荷载。现有的海洋平台剩余寿命评估方法不考虑这样的“偶发”性极端环境荷载引起的疲劳损伤对剩余寿命的影响，理由是海洋平台的设计寿命一般为15年，因此，在海洋平台的服役期内这样的计算环境荷载可能不会发生，即便是发生，也仅持续几天，它所引起的疲劳损伤对海洋平台的疲劳损伤贡献极小，可以忽略。但进入21世纪以来，极端海洋环境频发，墨西哥湾的飓风已不再是50年一遇，而几乎是一年一遇。我国东南沿海的台风也几乎每年都会发生，据国家海洋局统计，50年一遇的波浪在渤海海域每年发生26天。这表明，极端环境荷载已经不再是多年一遇的偶发现象，而成为一年一遇的环境荷载。因此，在进行海洋平台剩余寿命评估时，应计入极端环境荷载引起的疲劳损伤对海洋平台疲劳损伤的贡献。

基于上述原因，本发明提出了一种寒区海洋平台剩余寿命评估方法，包括如下几方面的计算内容：

1.长期环境荷载的疲劳损伤率

基于海洋平台服役海域的波浪散斑图(一年内不同波高和不同波向的波浪发生概率)、相应的S-N曲线和海洋平台结构的现状计算长期环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/年，其中，n1_i为长期环境荷载作用下第i个应力幅值每年的应力循环次数，N1_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S1为每年长期环境荷载作用下不同应力幅值的个数。长期环境荷载作用下的应力循环次数n1_i可采用雨流计数法或频域法计算得到，长期环境荷载作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数N1_i可通过相应的S-N曲线查得。这些计算和分析方法都是公知技术，本领域的技术人员完全可以实现。

2.短期环境荷载的疲劳损伤率

基于海洋平台服役海域的冰参数(冰厚、冰速、动冰力模型和冰期持续时间的统计数据)、相应的S-N曲线和海洋平台结构的现状计算短期环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n2_i为短期环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N2_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S 2为每次短期环境荷载作用下不同应力幅值的个数。n2_i、N2_i也可以采用上述相同的方法得到，如雨流计数法或频域法和S-N曲线。

3.极端环境荷载的疲劳损伤率

基于海洋平台服役海域的极端环境荷载(50年一遇的波高、波周期和波浪谱)、相应的S-N曲线和海洋平台结构的现状计算极端环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n3_i为极端环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N3_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S3为每次极端环境荷载作用下不同应力幅值的个数。n3_i、N3_i也可以采用上述相同的方法得到，如雨流计数法或频域法和S-N曲线。

4.已服役年限内长期环境荷载的疲劳损伤率

基于海洋平台服役海域的波浪散斑图、相应的S-N曲线和海洋平台结构的设计状态计算已服役年限内长期环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/年，其中，n4_i为已服役年限内长期环境荷载作用下第i个应力幅值每年的应力循环次数，N4_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S4为每年长期环境荷载作用下不同应力幅值的个数。n4_i、N4_i也可以采用上述相同的方法得到，如雨流计数法或频域法和S-N曲线。

5.已服役年限内短期环境荷载的疲劳损伤率

基于海洋平台服役海域的冰参数、相应的S-N曲线和海洋平台结构的设计状态计算已服役年限内短期环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n5_i为已服役年限内短期环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N5_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S5为每次短期环境荷载作用下不同应力幅值的个数。n5_i、N5_i也可以采用上述相同的方法得到，如雨流计数法或频域法和S-N曲线。

6.已服役年限内极端环境荷载的疲劳损伤率

基于海洋平台服役海域的极端环境荷载、相应的S-N曲线和海洋平台结构的设计状态计算已服役年限内极端环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n6_i为已服役年限内极端环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N6_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S6为每次极端环境荷载作用下不同应力幅值的个数。n6_i、N6_i也可以采用上述相同的方法得到，如雨流计数法或频域法和S-N曲线。

7.剩余寿命

将D_wave乘以长期波浪荷载的设计疲劳安全系数f_wave，D_ice乘以冰荷载的设计疲劳安全系数f_ice和剩余服役期内预测的冰荷载发生次数n_ice，D_extreme乘以极端波浪荷载的设计疲劳安全系数f_extreme和剩余服役期内预测的极端波浪荷载发生次数n_extreme，D_historywave乘以长期波浪荷载的设计疲劳安全系数f_wave和服役年限n_serve，D_historyice乘以冰荷载的设计疲劳安全系数f_ice和已服役年限内的发生次数n_historyice，D_{historyextreme}乘以极端波浪荷载的设计疲劳安全系数f_extreme和已服役年限内的发生次数n_{historyextreme}，并基于疲劳设计准则(公知准则)：

$D=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}\≤\frac{1}{f}$

按如下公式计算剩余寿命：

剩余寿命＝(1-D_historywave×f_wave×n_serve-D_historyice×f_ice×n_historyice-D_{historyextreme}×f_extreme×n_{historyextreme}-D_extreme×f_extreme×n_extreme-D_ice×f_ice×n_ice)/D_wave×f_wave

上式中，f_wave为长期波浪荷载的设计疲劳安全系数，n_serve为服役年限；f_ice为冰荷载的设计疲劳安全系数，n_historyice为已服役年限内的冰荷载发生次数；f_extreme为极端波浪荷载的设计疲劳安全系数，n_{historyextreme}为已服役年限内的极端波浪荷载发生次数，n_extreme为剩余服役期内预测的极端波浪荷载发生次数；n_ice为剩余服役期内预测的冰荷载发生次数。

设计疲劳安全系数f_wave、f_ice和f_extreme的取值应根据平台的安全等级由设计规范查得，设计疲劳安全系数f_wave、f_ice和f_extreme可取相同值，也可根据荷载的性质取不同值。荷载不确定性大的，其设计疲劳安全系数取较大值，反之亦然。

本发明所提出的剩余寿命的计算方法考虑了历史疲劳损伤对安全评估的影响，比现有方法更科学、更符合自然规律；并且，本发明考虑了短期和极端环境荷载引起的疲劳损伤对剩余寿命分析的影响。本发明更符合海洋平台实际的疲劳损伤累积本质，更符合公知的Miner’s线性损伤累积准则，更符合当前的环境荷载变化趋势和特点，比现有方法更科学、更合理，剩余寿命的分析结果更准确可靠。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种寒区海洋平台剩余寿命评估方法，包括：

基于海洋平台服役海域的波浪散斑图、相应的S-N曲线和海洋平台结构的现状计算长期环境荷载的疲劳损伤率单位为1/年，其中，n1_i为长期环境荷载作用下第i个应力幅值每年的应力循环次数，N1_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S1为每年长期环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的冰参数、相应的S-N曲线和海洋平台结构的现状计算短期环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n2_i为短期环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N2_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S2为每次短期环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的极端环境荷载、相应的S-N曲线和海洋平台结构的现状计算极端环境荷载的疲劳损伤率单位为1/次，其中，n3_i为极端环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N3_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S3为每次极端环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的波浪散斑图、相应的S-N曲线和海洋平台结构的设计状态计算已服役年限内长期环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/年，其中，n4_i为已服役年限内长期环境荷载作用下第i个应力幅值每年的应力循环次数，N4_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S4为每年长期环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的冰参数、相应的S-N曲线和海洋平台结构的设计状态计算已服役年限内短期环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n5_i为已服役年限内短期环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N5_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S5为每次短期环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于海洋平台服役海域的极端环境荷载、相应的S-N曲线和海洋平台结构的设计状态计算已服役年限内极端环境荷载的疲劳损伤率

单位为1/次，其中，n6_i为已服役年限内极端环境荷载作用下第i个应力幅值每次的应力循环次数，N6_i为该应力幅值作用下发生疲劳破坏所需的应力循环次数，S6为每次极端环境荷载作用下不同应力幅值的个数；

基于疲劳设计准则，按如下公式计算剩余寿命：

剩余寿命＝(1-D_historywave×f_wave×n_serve-D_historyice×f_ice×n_historyice-D_{historyextreme}×f_extreme×n_{historyextreme}-D_extreme×f_extreme×n_extreme-D_ice×f_ice×n_ice)/D_wave×f_wave

上式中，f_wave为长期波浪荷载的设计疲劳安全系数，n_serve为服役年限；f_ice为冰荷载的设计疲劳安全系数，n_historyice为已服役年限内的冰荷载发生次数；f_extreme为极端波浪荷载的设计疲劳安全系数，n_{historyextreme}为已服役年限内的极端波浪荷载发生次数，n_extreme为剩余服役期内预测的极端波浪荷载发生次数；n_ice为剩余服役期内预测的冰荷载发生次数。

2.如权利要求1所述的寒区海洋平台剩余寿命评估方法，其特征在于：所述的海洋平台服役海域的波浪散斑图所表示的为一年内不同波高和不同波向的波浪发生概率。

3.如权利要求1所述的寒区海洋平台剩余寿命评估方法，其特征在于：所述的海洋平台服役海域的冰参数是指冰厚、冰速、动冰力模型和冰期持续时间的统计数据。

4.如权利要求1所述的寒区海洋平台剩余寿命评估方法，其特征在于：所述的海洋平台服役海域的极端环境荷载是指50年一遇的波高、波周期和波浪谱。