复杂荷载-腐蚀共同作用下半潜式平台横撑承载机理及其破坏引起的局部损伤研究

Brace is a special component of semisubmersible platform, and its failure will affect safety of the entire platform. In order to study the problem of bearing mechanism of brace and safety assessment of the entire platform caused by its failure, shakedown behavior of steel used by brace is experimentally investigated under multiaxial cyclic loading considering marine corrosion, and degradation mechanism of steel properties will be clarified. Based on test results, a numerical method for shakedown analysis of brace has been developed. The method can be used for bearing capacity assessment of brace under the combined action of complex loading and corrosion. Then, considering the influence of residual stress caused by brace failure, mechanical properties of its connection joints are analyzed. Finally, the strength reduction method is applied to residual strength assessment of the semi-submersible platform with local damage. The study of this project is of great significance to enhance safety assessment mechanism of offshore platforms, as well as improve its overall economic efficiency.

横撑是半潜式平台的一种特殊构件，它的破坏将危及整个平台的安全。为了研究复杂海洋环境中横撑的承载机理及其破损引起的平台整体安全性评估问题，本项目首先开展考虑腐蚀因素的横撑结构用钢多轴安定行为试验，阐明腐蚀和应力共同作用对钢材性能退化的影响机理。基于试验结论，给出一种可用于评估横撑在腐蚀和复杂荷载共同作用下的承载力的安定性数值方法，并将该方法应用于横撑的承载力计算。然后考虑横撑破坏引起的残余应力影响，对其连接节点受力性能进行分析。最后，运用有限元强度折减法对带局部损伤的半潜平台的剩余强度进行评估。本项目的研究对增强及完善平台结构安全性评估机制以及提高海洋平台的综合经济效益具有重要意义。

海洋蕴藏着丰富的油气资源，同时，石油天然气需求的快速增加与内陆、近海油田潜在资源日趋枯竭之间的矛盾，使得向深海开发石油、天然气成为世界油气工业发展的重要趋势之一。深水半潜式海洋钻井平台具有相对总投资少、更大的甲板空间、无需海上安装、波浪中运动性能好、全球全天候工作能力及自存能力、适应水深范围大等优点，目前已成为目前国际上用于深海勘探的主流装备形式，其涉及的关键技术也成为海洋工程界研究的热点。本项目开展了海水腐蚀环境中横撑结构用钢棘轮安定行为试验研究。对不同锈蚀率的试件进行了考虑初始加载次数、应力比、应力比历史、拉-压交替、高应力影响的单轴低周循环加载试验，揭示了已锈蚀钢在应力循环下塑性应变累积行为特性。 基于半潜平台用钢的棘轮安定行为试验结论，给出了在循环荷载作用下，可考虑钢材腐蚀因素的安定性数值分析方法。建立了半潜式平台的三维整体有限元模型，分析了横撑部分和全部破坏后，半潜平台的整体强度变化的响应情况，并对横撑应力集中部位的力学响应进行了详细分析。项目的研究成果对于增强及完善平台结构安全性评估机制，确保整个平台在全寿命周期内的工作性能发挥尤为重要。同时，也为海洋平台结构新建、维修决策、结构承载潜力挖掘提供科学依据，对提高海洋平台的综合经济效益具有重要意义。