番禺30-1導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與安全分析

岳前進(jìn)，王勝永，樊哲良，張大勇

(1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023;2.大連海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

我國(guó)最早的海洋石油開發(fā)起步于20 世紀(jì)60年代末的渤海灣海域，該海域水深較淺，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式以導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)為主，經(jīng)過近四十年的工程應(yīng)用，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建造、安裝及維護(hù)等方面已經(jīng)取得了比較成熟的工程經(jīng)驗(yàn)。

隨著人們對(duì)海洋石油能源需求的日益增加，從淺海走向深海是世界海洋油氣開發(fā)的總趨勢(shì)，深海石油作業(yè)已經(jīng)被認(rèn)為是石油工業(yè)的一個(gè)重要前沿陣地。我國(guó)南海深水海域有著豐富的油氣資源，是世界四大海洋油氣聚集中心之一。在南海較深的海域進(jìn)行油氣資源探索開采進(jìn)程中，采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建造及安全運(yùn)行，是深海油氣資源開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。番禺30-1 平臺(tái)是我國(guó)至今為止首座位于水深200 m 海域的固定式導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，位于我國(guó)南海珠江口盆地，其導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)總高度213 m，自重19 200 t，是目前亞洲最大的海上油氣導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，它的安全運(yùn)行性能對(duì)保障油氣田資源正常開采及推進(jìn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)研究具有重要工程意義。

目前的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)中，一般將地震、波浪、海流、風(fēng)等環(huán)境載荷轉(zhuǎn)化為等效靜力作用進(jìn)行考慮，因而現(xiàn)有的平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多數(shù)是基于靜力/擬靜力的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性校核，進(jìn)行評(píng)估結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件在各種載荷組合作用下是否安全，從而保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)在極端工況下的結(jié)構(gòu)安全。然而對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)來(lái)說，卻經(jīng)常受到交變動(dòng)載荷的作用而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，例如阿拉斯加庫(kù)克灣的采油平臺(tái)［2］，北歐的Bothnia 灣燈塔［3］及我國(guó)遼東灣導(dǎo)管架平臺(tái)等多座平臺(tái)結(jié)構(gòu)都監(jiān)測(cè)到振動(dòng)現(xiàn)象［4-5］，導(dǎo)致海洋工程結(jié)構(gòu)的多種失效模式，而大多數(shù)深海海洋工程結(jié)構(gòu)更趨于屬于柔性結(jié)構(gòu)，在波浪控制載荷作用下極易發(fā)生振動(dòng)響應(yīng)。為了保障番禺30-1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，分析環(huán)境載荷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能影響，開展了該平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估工作，為將來(lái)深水平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、安全保障提供參考價(jià)值。

1 環(huán)境載荷作用下導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的失效模式

導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中受到多種載荷的作用，其中固定載荷主要包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)自身的重量及作用在水面以下結(jié)構(gòu)上的靜水力，而動(dòng)載荷主要包括海洋環(huán)境的風(fēng)、浪、流、冰、地震等載荷及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的作業(yè)載荷等［6］。平臺(tái)結(jié)構(gòu)在固定載荷和動(dòng)載荷作用下主要發(fā)生以下幾種失效模式。

強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性失效模式，平臺(tái)結(jié)構(gòu)在載荷作用下的強(qiáng)度失效模式是其構(gòu)件的應(yīng)力超過了設(shè)計(jì)許用應(yīng)力;剛度失效模式是平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大層間變形和最大變形量超過了設(shè)計(jì)容許量;平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有截面輪廓尺寸小、構(gòu)件細(xì)長(zhǎng)的特點(diǎn)，在外載荷作用下，可能使平臺(tái)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)現(xiàn)象。

在交變動(dòng)載荷作用下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)加速度及構(gòu)件交變應(yīng)力響應(yīng)，其中交變應(yīng)力可能會(huì)引起平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞失效;另外，平臺(tái)結(jié)構(gòu)也經(jīng)常受到偶然的沖擊載荷作用，例如船舶與平臺(tái)結(jié)構(gòu)的碰撞、下落重物等，沖擊載荷一般具有瞬時(shí)性、載荷值較大等特點(diǎn)，往往對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的某個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷、塑性變形等而失效。

2 海洋環(huán)境及平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)

為了評(píng)估番禺30-1 導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)(圖1)在海洋環(huán)境載荷下的動(dòng)力性能，建立了圖2 所示的平臺(tái)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置。主要包括遙測(cè)波浪儀，用于監(jiān)測(cè)平臺(tái)所處海域的波高、頻率等波浪參數(shù);風(fēng)速儀，用于監(jiān)測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的所受的風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù);加速度傳感器，用于監(jiān)測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度響應(yīng)。此外，還開發(fā)了專門的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了在南海海域臺(tái)風(fēng)多發(fā)期及季風(fēng)期內(nèi)海洋環(huán)境和平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)的同步性、連續(xù)性和完備性。

圖1 番禺30-1 平臺(tái)Fig.1 PY30-1 platform

圖2 番禺30-1 平臺(tái)加速度測(cè)量示意Fig.2 The acceleration measurement system on PY30-1 platform

3 波浪動(dòng)載荷下平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與安全分析

2009年9月至2010年1月開展了平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)工作，由于在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間沒有臺(tái)風(fēng)經(jīng)過平臺(tái)所處海域，因而監(jiān)測(cè)得到的是季風(fēng)期海洋環(huán)境參數(shù)及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，由于季風(fēng)期內(nèi)作用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的海洋環(huán)境載荷幅值及頻率變化具有連續(xù)和緩慢過渡的特性，可以取每日平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度均方根值進(jìn)行曲線擬合來(lái)近似表征海洋環(huán)境載荷作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，圖3(a)、(b)所示番禺30-1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)于2009年11月季風(fēng)期內(nèi)在南北及東西方向振動(dòng)加速度均方根值變化曲線，可以看出平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度均方根值變化范圍較小，南北及東西方向振動(dòng)加速度均方根值分別在0.005 ～0.06 m/s2和0.014 ～0.053 m/s2之間，在無(wú)季風(fēng)期間(2009-11-03 ～2009-11-10)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度均方根值緩慢減小，南北及東西方向振動(dòng)加速度均方根值分別降低到0.005 和0.014 m/s2，在季風(fēng)期間(2009-11-10 ～2009-11-29)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度均方根值緩慢增大，南北及東西方向振動(dòng)加速度均方根值達(dá)到0.038 和0.035 m/s2，且平臺(tái)結(jié)構(gòu)在整個(gè)季風(fēng)期間的振動(dòng)響應(yīng)比較平穩(wěn)。

圖3 番禺30-1 平臺(tái)南北及東西方向每日振動(dòng)加速度均方根值變化曲線(2009-11-01 ～2009-11-29)Fig.3 The observed acceleration of north-south and east-west direction for PY30-1 platform (2009-11-01 ～2009-11-29)

番禺30-1 導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在波浪動(dòng)載荷作用下其構(gòu)件的熱點(diǎn)應(yīng)力位置判斷及直接測(cè)量都存在很大的難度，可以借助有限元數(shù)值分析的方法確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的熱點(diǎn)應(yīng)力。為了保證有限元模型的動(dòng)力分析結(jié)果能夠反映原型平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，有限元數(shù)值模型滿足與原型平臺(tái)結(jié)構(gòu)基頻一致、結(jié)構(gòu)幾何尺寸相似及振動(dòng)能量分布相似的動(dòng)力相似條件。圖4 是2009年11月15日20:30 的交變波浪載荷作用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，可以看出平臺(tái)結(jié)構(gòu)在波高2.5 m、周期8 s 時(shí)的振動(dòng)加速度響應(yīng)比較平穩(wěn)，振動(dòng)加速度峰值在0.03 m/s2左右。通過頻譜分析得到平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基頻為0.378 7 Hz(圖5)，并運(yùn)用ANSYS 有限元軟件建立與原型平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力相似的數(shù)值模型。

圖4 番禺30-1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度曲線(2009-11-15，20:30)Fig .4 The observed acceleration of PY30-1 platform (20:30，2009-11-15)

圖5 番禺30-1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度功率譜密度(2009-11-15，20:30)Fig.5 The acceleration PSD of PY30-1 platform (20:30，2009-11-15)

將2009年11月15日20:30 的交變波浪載荷作用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模型上進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析，計(jì)算得到圖6 所示平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度與樁腿的熱點(diǎn)應(yīng)力變化曲線，其中振動(dòng)加速度曲線(圖6(a))與實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度曲線(圖4)也較為一致，振動(dòng)較為平穩(wěn)，峰值在0.03 m/s2左右;平臺(tái)結(jié)構(gòu)樁腿的熱點(diǎn)應(yīng)力幅值為2 MPa左右(圖6(b))，從平臺(tái)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件所用鋼材材料的強(qiáng)度極限上進(jìn)行安全評(píng)估，平臺(tái)結(jié)構(gòu)樁腿熱點(diǎn)應(yīng)力幅值遠(yuǎn)低于鋼材材料的許用應(yīng)力值。

4 拖船撞擊樁腿引起平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與安全分析

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中會(huì)受到多種形式的偶然性載荷沖擊作用，其中對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性能影響比較大的是船舶的撞擊載荷?，F(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及調(diào)查分析，?？客洗既蛔矒羝脚_(tái)結(jié)構(gòu)某個(gè)樁腿會(huì)引起平臺(tái)結(jié)構(gòu)較為強(qiáng)烈的瞬態(tài)振動(dòng)現(xiàn)象。2010年1月15日14:37 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到平臺(tái)結(jié)構(gòu)樁腿受到拖船的撞擊，此次拖船對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)樁腿的撞擊引起的平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)以南北方向?yàn)橹?，振?dòng)加速度幅值為0.28 m/s2(圖7 所示)。

圖6 波浪載荷作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度與樁腿熱點(diǎn)應(yīng)力曲線(2009-11-15，20∶30)Fig.6 The hot stress of platform piles under wave loads(20∶30，2009-11-15)

雖然拖船碰撞對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)是瞬間的作用力，對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)影響不是太大，但是這種局部的撞擊力作用點(diǎn)集中在平臺(tái)結(jié)構(gòu)的一個(gè)樁腿上，會(huì)對(duì)該樁腿的安全性能產(chǎn)生影響。運(yùn)用撞擊載荷反演及有限元數(shù)值分析的方法［7］，計(jì)算出當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度達(dá)到0.28 m/s2時(shí)，拖船撞擊的平臺(tái)結(jié)構(gòu)樁腿處的撞擊載荷幅值約106 N，平臺(tái)結(jié)構(gòu)樁腿撞擊處的應(yīng)力變化曲線圖8 所示，可以看出樁腿撞擊處的應(yīng)力最大值為8.7 MPa。隨著撞擊的結(jié)束，應(yīng)力幅值很快趨于衰減。從材料強(qiáng)度上分析，此次拖船對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)樁腿撞擊時(shí)的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于樁腿鋼材材料的屈服極限。

圖7 拖船撞擊樁腿時(shí)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度(2010-01-15，14:35 ～14:45)Fig.7. The acceleration under vessel against pile (14:35 ～14:45，2010-01-45)

圖8 平臺(tái)結(jié)構(gòu)樁腿撞擊處瞬態(tài)應(yīng)力變化曲線(2010-01-15，14:37)Fig.8 The transient stress under vessel against pile(14:37，2010-01-15)

5 結(jié) 語(yǔ)

番禺30-1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)是位于我國(guó)南海較深海域的固定式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及數(shù)值計(jì)算分析表明番禺30-1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)在季風(fēng)期內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全冗余量比較大，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在海洋環(huán)境載荷下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工程規(guī)范要求，保證了平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。然而，平臺(tái)結(jié)構(gòu)處于南海的較深海域，不但受力狀態(tài)較為復(fù)雜，而且在使用期間常常受到?jīng)_撞和非正常載荷產(chǎn)生的彈塑性彎曲等損傷，且海水在管壁上產(chǎn)生腐蝕損傷，這些損傷都會(huì)引起桿件承載能力的降低，也使整體承載能力和使用壽命降低，因而有待于進(jìn)一步開展平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)工作，并根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及時(shí)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

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