船舶撞擊后導(dǎo)管架安全性評(píng)估修復(fù)的方法探討

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(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司,天津 300452)

海洋平臺(tái)矗立在開闊海域，導(dǎo)管架作為水中基礎(chǔ)，支撐著功能模塊，避免不了與船舶(如供應(yīng)船舶)發(fā)生碰撞，造成一定的結(jié)構(gòu)損壞和環(huán)境污染事故。在導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)中，一般按照API RP 2A[1]規(guī)范中的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核：①確保導(dǎo)管架在船舶撞擊下，不倒塌；②撞擊后，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度能否抵抗操作環(huán)境條件下的荷載作用。多數(shù)文獻(xiàn)研究側(cè)重于導(dǎo)管架設(shè)計(jì)中的船舶撞擊分析方法[2-3]，而關(guān)于導(dǎo)管架與船相撞后必要的強(qiáng)度評(píng)估和修復(fù)研究極少。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，30%的海洋工程結(jié)構(gòu)損壞事故是由船舶撞擊造成的，且平臺(tái)在生產(chǎn)期間，難免遭受油船撞擊。并且導(dǎo)管架被船舶撞擊后，往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)破損、環(huán)境污染、人員傷亡等災(zāi)難性的后果。所以，無論是從安全上、經(jīng)濟(jì)上，還是從環(huán)境保護(hù)上來看，針對(duì)導(dǎo)管架遭受船舶撞擊后，對(duì)其進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)評(píng)估和采取必要的修復(fù)措施都具有重要的意義。

中國(guó)南海某海域的平臺(tái)在導(dǎo)管架安裝完成后，發(fā)生了與運(yùn)輸船舶意外撞擊事故。結(jié)合業(yè)主和第三方關(guān)注的問題，對(duì)導(dǎo)管架的許用能力進(jìn)行評(píng)估，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組塊吊裝作業(yè)。同時(shí)完成平臺(tái)在位期間整體結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估，提出對(duì)水下受損桿件進(jìn)行管內(nèi)灌漿的修復(fù)辦法。

1 工程實(shí)例

平臺(tái)水深28.6 m(相對(duì)于平均海平面)，設(shè)有工藝模塊、供電模塊和生活模塊等設(shè)施。平臺(tái)所受水平環(huán)境荷載約1 200 t，垂向荷載約2 000 t。平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命為15年。

1.1 設(shè)計(jì)情況

表1所列數(shù)據(jù)為此平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中選取的環(huán)境荷載，操作工況為1年一遇，極端工況取百年一遇。

表1 該海域波浪的最大分布值

導(dǎo)管架為三腿主樁式，樁徑1 524 mm，設(shè)計(jì)入泥深度約為75 m。導(dǎo)管架立面框架由X撐搭建，分3個(gè)水平層，工作點(diǎn)標(biāo)高為8.5 m。平臺(tái)設(shè)有6根隔水套管、1根立管、1根電纜護(hù)管和2根本護(hù)管及其它附件。見圖1、2。

圖1 平臺(tái)2D桿系單元示意

圖2 平臺(tái)的3D計(jì)算模型

1.2 損壞情況

導(dǎo)管架完成海上打樁作業(yè)后(僅焊接了幾塊環(huán)冠板，還未進(jìn)行灌漿處理)，與平臺(tái)群其它采油平臺(tái)的供應(yīng)船舶發(fā)生碰撞事故。通過檢驗(yàn)人員對(duì)平臺(tái)的整體受損情況進(jìn)行檢測(cè)及水下調(diào)查，給出以下主要破壞部位。

1)A1-B2腿之間水平層拉筋碰撞后凹陷區(qū)域長(zhǎng)約4.5 m，最大深度達(dá)250 mm，且與水平撐相連的斜支撐亦有凹陷變形。

2)遭受船舶撞擊側(cè)的立面，欄桿受損嚴(yán)重，部分油漆脫落。

3)在導(dǎo)管架A-A立面，水面附件的一跨X撐桿件有3處凹陷，最長(zhǎng)約2 m，寬度200 mm；深達(dá)120 mm；另外兩處凹坑深度分別為50和60 mm。

船撞后的導(dǎo)管架受損情況的現(xiàn)場(chǎng)圖片見圖3、4。

圖3 水面以上受損桿件示意

圖4 水面以下桿件受損情況示意

2 評(píng)估內(nèi)容

2.1 導(dǎo)管架損壞程度評(píng)估

船舶與海洋平臺(tái)發(fā)生的碰撞是結(jié)構(gòu)在很短的時(shí)間內(nèi)在巨大碰撞載荷作用下的一種復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，存在著大量的非線性問題。在碰撞過程中還包含很多不確定因素，如碰撞的性質(zhì)、強(qiáng)度、被撞結(jié)構(gòu)和撞擊船的狀況等。所有這些特點(diǎn)使船舶與海洋平臺(tái)的碰撞問題的研究變得相當(dāng)復(fù)雜和困難，需要綜合應(yīng)用船舶水動(dòng)力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)和結(jié)構(gòu)可靠性等方面的理論。本文依據(jù)API RP 2A規(guī)范中的推薦公式，由實(shí)測(cè)凹坑值反推船舶撞擊荷載。通過SACS軟件中的倒塌模塊對(duì)船舶撞擊過程進(jìn)行理論還原。

首先通過桿件凹坑值，計(jì)算荷載，見表2。

表2 假定船舶撞擊導(dǎo)管架的荷載值

荷載計(jì)算公式如下。

(1)

Mp=Fyt2/4

(2)

式中:Pd——撞成凹坑所需的荷載;

Mp——圓管的塑性彎矩;

Fy——屈服強(qiáng)度，D,R;

t——圓管的直徑、半徑和壁厚;

X——凹坑深度，此值若大于10倍壁厚，需進(jìn)行詳細(xì)的桿件屈曲分析。

詳細(xì)公式可參見ISO 19902 中13.7章節(jié)內(nèi)容。圖5為桿件凹坑示意。

圖5 桿件凹坑示意

結(jié)合船體結(jié)構(gòu)形式和變形量，將表2中的船舶撞擊荷載分兩步加載到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上。首先是水上桿件先接觸，吸收部分能量破壞后,船體又和導(dǎo)管架水下X撐桿件發(fā)生碰撞，結(jié)果見圖6。

圖6 倒塌分析模塊給出的結(jié)果

從結(jié)果中可以看出，結(jié)構(gòu)除了與船體直接相碰的部位發(fā)生塑性變形外，其它主要桿件、節(jié)點(diǎn)和鋼樁均在彈性變形范圍內(nèi)。與水下檢測(cè)人員給出的結(jié)論一致，說明這種數(shù)值模擬方法可靠，為此類問題的處理提供了一種可行的解決途徑。

2.2 導(dǎo)管架安全性評(píng)估

通過上節(jié)的初步判斷，導(dǎo)管架其它部位完整無損，只要對(duì)損壞桿件進(jìn)行必要的修復(fù)，平臺(tái)即可投入使用。主要工況分析如下。

1)靜力分析結(jié)果顯示，完成水面以上受損桿件的修復(fù)，導(dǎo)管架可以滿足組塊就位的作業(yè)要求。

2)疲勞分析結(jié)果顯示，若不進(jìn)行水下受損桿件的修復(fù)(計(jì)算模型中不考慮桿件的剛度，但仍然有環(huán)境荷載作用)，一方面是平臺(tái)的第一階主周期由原來的1.47 s增大到1.95 s，增加幅值達(dá)33%；另一方面，導(dǎo)管架立面有一X撐節(jié)點(diǎn)疲勞壽命不滿足設(shè)計(jì)要求。

此情況說明，立面X撐結(jié)構(gòu)對(duì)平臺(tái)的整體剛度貢獻(xiàn)較大。受損后，結(jié)構(gòu)變?nèi)酰灾芷谧冮L(zhǎng)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命不利。通過試算，對(duì)受損桿件內(nèi)部進(jìn)行灌漿處理，相應(yīng)的校核內(nèi)容可滿足規(guī)范要求。為了得出更符合真實(shí)情況的結(jié)果，在模擬時(shí)，有以下方面需要注意。

1)受損桿件彎曲度的模擬。被船舶撞擊后，桿件除了局部會(huì)有明顯的凹陷外，整體還會(huì)發(fā)生偏移，使中心線偏離原桿件位置，見圖7。

圖7 桿件彎曲度示意

當(dāng)桿件整體受壓時(shí)，彎曲度對(duì)桿件許用強(qiáng)度影響較大。在荷載保持不變的前提下，在程序中分別設(shè)置Out of straightness值為5.0,8.0和12.0 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的桿件應(yīng)力比值分別為0.63,0.78和0.93。折減幅值分別為23%和20%。

所以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，不僅要測(cè)出局部凹陷值，還應(yīng)測(cè)出整根桿件偏離原位置的偏差值。這樣才能為設(shè)計(jì)者準(zhǔn)確評(píng)估，判斷提供保障。

2)灌漿后的桿件，需考慮泥漿對(duì)重量的貢獻(xiàn)，修正桿件密度，真實(shí)模擬，反映出平臺(tái)的變化周期。修復(fù)后，結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)備強(qiáng)度比值最小為1.8,大于1.6，滿足規(guī)范要求。從分析結(jié)果可以看出，整個(gè)平臺(tái)最薄弱的地方在鋼樁處。受損部位的定期檢測(cè)是必要的，避免屈曲擴(kuò)展，給平臺(tái)安全帶來隱患。

3 修復(fù)過程

1)首先在組塊吊裝就位前，完成水上受損桿件的切割。按原尺寸建造完成后，在海上進(jìn)行組對(duì)焊接等更換作業(yè)。為了避免焊接熱處理帶來的變形，可在易發(fā)生變形的部位先施加筋板進(jìn)行固定，避免組塊對(duì)接出現(xiàn)差錯(cuò)。

2)考慮到疲勞分析結(jié)果，待組塊完成就位后，有必要對(duì)水下受損桿件進(jìn)行修復(fù)。X撐桿件中有一根是作為撐桿被斷開的。為了保證損壞桿件內(nèi)部都灌上泥漿，開孔方式參見圖8。

圖8 水下受損桿件開灌漿孔位置示意

具體的開孔位置和大小可根據(jù)桿件受力情況和實(shí)際操作空間的要求確定。一般情況下，灌漿會(huì)提高桿件和節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，但是其作用量化有困難。其中泥漿的強(qiáng)度和灌漿率會(huì)在一定程度上影響桿件強(qiáng)度。有文獻(xiàn)指出，完全灌漿才能考慮泥漿對(duì)桿件強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。但現(xiàn)場(chǎng)操作很難達(dá)到100%的灌漿率，所以后期對(duì)受損部位進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)是必要的[4]。

3)對(duì)桿件防腐油漆脫落的部位進(jìn)行補(bǔ)漆修復(fù)，避免桿件進(jìn)一步遭受海水侵蝕。

4 結(jié)論

1)此次事故發(fā)生時(shí)，導(dǎo)管架上設(shè)置了障礙燈，說明此法有一定的局限性；考慮導(dǎo)管架安裝后，有一段時(shí)間才會(huì)安裝組塊，所以針對(duì)平臺(tái)群新建的導(dǎo)管架，建議設(shè)置簡(jiǎn)易雷達(dá)以提醒附近船舶，提前規(guī)避；當(dāng)然提高操作人員的安全意識(shí)也是必要的。

2)X撐抵御船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)的能力高，若一根桿件損壞，立面框架變成K型支撐，仍能保持框架的完整性； K型支撐船撞損壞后，受損立面成為門型框架，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體剛度折減大，對(duì)荷載傳遞不利。

3)通過模擬凹坑大小，反推船舶撞擊荷載，施加到數(shù)值模擬的平臺(tái)結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行整體和局部強(qiáng)度核算；結(jié)果與水下監(jiān)測(cè)結(jié)論一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性。

4)在模擬受損桿件時(shí)，須真實(shí)地測(cè)量桿件受撞后的彎曲度；此值對(duì)桿件的許用強(qiáng)度折減較大。

5)泥漿強(qiáng)度對(duì)修復(fù)后桿件強(qiáng)度的影響不大，主要是剛度貢獻(xiàn)。所以施工時(shí)，作業(yè)者需確保泥漿充滿桿件內(nèi)部，避免出現(xiàn)灌漿出現(xiàn)空隙和不均勻等現(xiàn)象。

6)定期對(duì)平臺(tái)進(jìn)行必要的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以提前篩查結(jié)構(gòu)損傷，以及確定損傷的位置和損傷程度，確保平臺(tái)在服役期間的安全可靠性。

[1] 楊曉剛，尹漢軍，趙鳴鳴，等.應(yīng)用于崖城住房平臺(tái)導(dǎo)管架的船舶撞擊分析方法[J].中國(guó)造船,2002，43：368-373.

[2] 王 亮，阮勝福，王崇鑫，等.一種應(yīng)用于平臺(tái)導(dǎo)管架的船舶撞擊分析方法[C]∥中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大會(huì)論文集.北京：中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)，2012:564-567.

[3] 趙效東，張樂山.海洋工程結(jié)構(gòu)物碰撞失效準(zhǔn)則探討[J].船海工程，2012，41(2):144-148.

[4] 李連江，路國(guó)章.水下灌漿定形式海底管道立管固定裝置研究[J].船海工程，2012，41(2):178-181.