在役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全評(píng)估預(yù)警值的研究

， ， ， 道成

(1．海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2. 大連理工大學(xué) ， 遼寧 大連 116024)

在役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全評(píng)估預(yù)警值的研究

李志剛1，周雷1，王巍巍1，周道成2

(1．海洋石油工程股份有限公司，天津300451； 2.大連理工大學(xué)，遼寧大連116024)

平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體實(shí)時(shí)安全評(píng)估預(yù)警值的確定對(duì)掌握海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體安全狀況來(lái)說(shuō)十分重要。該文基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的安全狀況進(jìn)行了劃分，并建立了結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全評(píng)估的兩級(jí)預(yù)警值。結(jié)合海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全評(píng)估兩級(jí)預(yù)警值的確定原理和方法，并將該方法應(yīng)用于JZ20-2MUQ平臺(tái)，獲得了結(jié)構(gòu)二級(jí)預(yù)警值，可作為實(shí)際工程應(yīng)用參考。

在役海洋平臺(tái)；實(shí)時(shí)安全評(píng)估；二級(jí)預(yù)警值

0 引言

海洋平臺(tái)是目前廣泛應(yīng)用于海上油氣生產(chǎn)和作業(yè)的海上工程結(jié)構(gòu)物之一，我國(guó)在渤海、東海及南海海域已建成使用的固定式海洋平臺(tái)有近200座。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價(jià)昂貴，與陸上結(jié)構(gòu)相比，所處的環(huán)境條件十分復(fù)雜，承受著多種隨時(shí)間和空間變化的隨機(jī)荷載，包括風(fēng)、波浪、海流、潮汐和海冰等環(huán)境引起荷載的聯(lián)合作用，同時(shí)還受到臺(tái)風(fēng)和地震等突發(fā)性極端環(huán)境條件的威脅[1]。在此環(huán)境條件下，環(huán)境腐蝕、海生物附著、基礎(chǔ)動(dòng)力軟化、材料老化、構(gòu)件缺陷和機(jī)械損傷以及疲勞和裂紋擴(kuò)展的損傷累積等不利因素都將導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力的衰減，影響結(jié)構(gòu)服役的安全性和耐久性。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效后果嚴(yán)重，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和惡劣的社會(huì)影響。因此，對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而做出安全性評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程安全性的主動(dòng)控制具有重要意義。

由于開(kāi)展海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的時(shí)間不長(zhǎng)，一些關(guān)鍵技術(shù)的研究還不成熟，特別是海洋工程結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的安全評(píng)估預(yù)警值的確定還要進(jìn)一步研究。針對(duì)上述問(wèn)題，吳中如等在20世紀(jì)80年代提出用小概率法擬定變形監(jiān)控指標(biāo)[2]，這種方法在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用[3,4]。為了反映結(jié)構(gòu)材料的性態(tài)，顧沖時(shí)和吳中如等[5]提出了結(jié)構(gòu)分析法，該方法考慮了邊界條件和材料的性能，在實(shí)際也得到了應(yīng)用[6]。為了對(duì)實(shí)際工作性能進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)監(jiān)控指標(biāo)本身的級(jí)別和重要性進(jìn)行說(shuō)明，吳中如等[7]基于力學(xué)模型，對(duì)變形監(jiān)控指標(biāo)級(jí)別的劃分以及擬定方法進(jìn)行了進(jìn)一步研究?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，該文結(jié)合海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)模型特點(diǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的劃分方法，提出海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體實(shí)時(shí)安全評(píng)估的兩級(jí)預(yù)警值確定原理和計(jì)算方法。

1 結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的劃分

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》可知[8]，結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)，根據(jù)這兩種狀態(tài)的定義，可將結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)分為正常、臨界危險(xiǎn)和破壞三種狀態(tài)。結(jié)構(gòu)進(jìn)入正常使用極限狀態(tài)以前的階段為正常狀態(tài)；結(jié)構(gòu)介入正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)之間的階段為臨界危險(xiǎn)狀態(tài)；進(jìn)入承載能力極限狀態(tài)的階段為破壞階段。這樣劃分結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)繼承了設(shè)計(jì)規(guī)范，更重要的是符合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目的。結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)，則可以在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行正常的生產(chǎn)活動(dòng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入臨界危險(xiǎn)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)影響正常使用的變形或影響正常使用的局部破壞或影響正常使用的其它特定狀態(tài)，則需要停止結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的生產(chǎn)活動(dòng)，如對(duì)于海洋平臺(tái)，需要關(guān)閉井口，停止采油等工作，同時(shí)根據(jù)需要對(duì)影響正常使用的局部破壞進(jìn)行維修加固，或根據(jù)目前監(jiān)測(cè)到的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)確定人員是否撤離，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞狀態(tài)，結(jié)構(gòu)隨時(shí)都有破壞甚至倒塌的危險(xiǎn)，此時(shí)結(jié)構(gòu)上的一切活動(dòng)已經(jīng)停止，人員已經(jīng)撤離。結(jié)構(gòu)不同安全狀態(tài)的判別需要兩個(gè)指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)分別是正常狀態(tài)和臨界危險(xiǎn)狀態(tài)之間識(shí)別的指標(biāo)和臨界危險(xiǎn)狀態(tài)和破壞狀態(tài)之間識(shí)別的指標(biāo)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，這兩個(gè)指標(biāo)分別對(duì)應(yīng)一級(jí)和二級(jí)預(yù)警值。

2 預(yù)警值的確定方法和原理

2.1海洋平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)屬于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)物，往往具有較大的冗余度，屬于高次超靜定體系，單個(gè)構(gòu)件或少數(shù)桿件失效一般不會(huì)引起結(jié)構(gòu)整體功能的喪失或結(jié)構(gòu)整體破壞和倒塌，因此從結(jié)構(gòu)整體考慮的安全性比從結(jié)構(gòu)構(gòu)件考慮的安全性更合理。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固定荷載(結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備荷載、使用和操作活荷載等)變異不大，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性影響較大的是環(huán)境荷載。文獻(xiàn)[9]分別用結(jié)構(gòu)基底剪力和傾覆力矩來(lái)表征結(jié)構(gòu)整體性能，當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安裝水深大于30 m時(shí)，宜用結(jié)構(gòu)傾覆力矩來(lái)表征結(jié)構(gòu)的整體性能，而當(dāng)安裝水深小于30 m時(shí)，宜用結(jié)構(gòu)基底剪力表征結(jié)構(gòu)的整體性能。下面討論基于結(jié)構(gòu)基底剪力整體特征量來(lái)確定結(jié)構(gòu)整體實(shí)時(shí)安全評(píng)估兩級(jí)預(yù)警值的確定方法。

2.2海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)特點(diǎn)及預(yù)警值的確定

對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性逐步倒塌分析，可獲得結(jié)構(gòu)基底剪力與結(jié)構(gòu)變形之間的關(guān)系曲線，該曲線與結(jié)構(gòu)材料性能、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)的連接、荷載作用方向等有關(guān)系，當(dāng)考慮單一方向的曲線時(shí)，則該曲線反映了結(jié)構(gòu)體系自身的力學(xué)性能，于是可將結(jié)構(gòu)體系處理為一種材料，其結(jié)構(gòu)基底剪力與結(jié)構(gòu)變形之間的關(guān)系曲線為該簡(jiǎn)化材料的力學(xué)性能曲線，因此可以應(yīng)用材料力學(xué)的相關(guān)理論來(lái)確定該材料力學(xué)性能曲線的關(guān)鍵點(diǎn)。大量的計(jì)算結(jié)果表明，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能曲線表現(xiàn)為線彈性、彈塑性和破壞三個(gè)階段或線彈性和破壞兩個(gè)階段，分別如圖1(a)和圖1(b)所示。對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性態(tài)表現(xiàn)為三個(gè)階段的情況，與材料力學(xué)中有關(guān)彈塑性材料力學(xué)性能曲線中關(guān)于屈服極限的定義一樣，可將圖1(a)中b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力定義為屈服基底剪力，同理可將圖1(a)中的c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力定義為極限基底剪力。對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性態(tài)表現(xiàn)為兩個(gè)階段的情況，其整體性態(tài)正好與塑性材料的力學(xué)性能相似，因此可借鑒塑性材料確定條件屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度的原理近似確定結(jié)構(gòu)整體承載能力的相似條件屈服和極限基底剪力，圖1(b)中c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力定義為極限基底剪力，其條件屈服基底剪力等于0.7～0.85倍的極限基底剪力。對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性態(tài)表現(xiàn)為三個(gè)階段的情況，當(dāng)結(jié)構(gòu)的基底剪力大于屈服基底剪力時(shí)(既圖1(a)中的b點(diǎn))，結(jié)構(gòu)的變形增大，大的變形可能影響平臺(tái)結(jié)構(gòu)某些操作，因此該點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體性態(tài)的變化點(diǎn)，同時(shí)也預(yù)示結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入一個(gè)較為危險(xiǎn)的階段，因此該點(diǎn)前的階段與結(jié)構(gòu)的正常狀態(tài)對(duì)應(yīng)，該點(diǎn)后的階段與結(jié)構(gòu)的臨界危險(xiǎn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，可將屈服基底剪力作為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一級(jí)安全監(jiān)控指標(biāo)；當(dāng)結(jié)構(gòu)的基底剪力等于極限基底剪力時(shí)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)達(dá)到極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)可能破壞或達(dá)到不能繼續(xù)承載的狀態(tài)，因此可將極限基底剪力作為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二級(jí)安全監(jiān)控指標(biāo)。

圖1 基底剪力與頂點(diǎn)位移關(guān)系

2.3極限基底剪力的確定

根據(jù)上述確定海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的一級(jí)和二級(jí)預(yù)警值可知，極限基底剪力的確定是關(guān)鍵。極限基底剪力的確定通常應(yīng)用靜力非線性倒塌分析方法，對(duì)應(yīng)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)專用SACS(Structural Analysis Computer System)分析軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其Collapse模塊具有非線性靜力倒塌分析功能。為了使計(jì)算的極限基底剪力更合理，應(yīng)用SACS分析軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)的極限基底剪力時(shí)需注意如下幾個(gè)問(wèn)題：(1)結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)判斷；(2)加載方法；(3)合理考慮地基土對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；(4)需考慮P-Δ效應(yīng)的影響；(5)影響結(jié)構(gòu)安全狀況的最不利荷載組合工況確定。對(duì)于新建海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)安裝參數(shù)確定結(jié)構(gòu)模型參數(shù)和荷載模型參數(shù)，應(yīng)用SACS分析軟件可獲得結(jié)構(gòu)的極限基底剪力，將該結(jié)果嵌入海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)中，根據(jù)一級(jí)和和二級(jí)預(yù)警值的確定方法可確定其預(yù)警值，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全評(píng)估。但隨著結(jié)構(gòu)服役時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)遭受風(fēng)、波浪、海流、潮汐和海冰等環(huán)境要素引起荷載的聯(lián)合作用，在此環(huán)境條件下，將使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋、腐蝕、凹陷、海生物附著和地基土沖刷五種主要類型的缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力的衰減。因此，現(xiàn)役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限基底剪力的合理確定是在結(jié)構(gòu)模型和荷載模型中考慮這些缺陷的影響，再應(yīng)用靜力非線性倒塌分析方法計(jì)算確定現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

3 數(shù)值算例

3.1平臺(tái)簡(jiǎn)介

該文將通過(guò)對(duì)JZ20-2MUQ平臺(tái)的數(shù)值算例分析確定其結(jié)構(gòu)的二級(jí)預(yù)警值。JZ20-2MUQ平臺(tái)設(shè)計(jì)年限為20年，由導(dǎo)管架、樁、上部組塊組成。導(dǎo)管架采用四腿導(dǎo)管架型式，導(dǎo)管架的四個(gè)面的斜度為10:1，導(dǎo)管架頂標(biāo)高7.8 m，底標(biāo)高-15.5 m。導(dǎo)管架立面如圖2所示，JZ20-2MUQ平臺(tái)如圖3所示。

圖2 導(dǎo)管架立面圖

3.2結(jié)構(gòu)模型

在應(yīng)用結(jié)構(gòu)靜力非線性倒塌分析方法確定結(jié)構(gòu)極限基底剪力的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)分析模型按照空間三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，導(dǎo)管架、樁、深井泵護(hù)管和上部組塊模擬成空間剛架在總體分析中采用一個(gè)整體模型，其中上部甲板組塊僅模擬了主梁，對(duì)小梁及板用板帶肋結(jié)構(gòu)模擬。地基土對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，考慮了其非線性的樁土相互工作，建立的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4所示。

3.3荷載參數(shù)及荷載工況

由于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固定荷載(結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備荷載、使用和操作活荷載等)變化不大，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性影響較大的是變化性大的環(huán)境荷載，因此僅說(shuō)明環(huán)境荷載設(shè)計(jì)要素。設(shè)計(jì)風(fēng)速為37.1 m/s，設(shè)計(jì)流速為2.14 m/s，設(shè)計(jì)波高和周期分別為7.8 m和10 s，設(shè)計(jì)冰厚1.0 m。根據(jù)各種荷載在實(shí)際結(jié)構(gòu)中同時(shí)出現(xiàn)的可能性和危險(xiǎn)性，主要分為波浪工況和冰工況。波浪工況由固定荷載、風(fēng)荷載、流荷載和波浪荷載四個(gè)基本荷載組成，其中波浪荷載是最主要的控制荷載。冰工況由固定荷載、風(fēng)荷載、流荷載和冰荷載四個(gè)基本荷載組成，其中冰荷載是最主要的控制荷載。

圖3 JZ20-2MUQ平臺(tái) 圖4 JZ20-2MUQ平臺(tái)有限元模型

3.4計(jì)算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)安裝參數(shù)建立的結(jié)構(gòu)模型和荷載模型，應(yīng)用SACS分析軟件的Collapse模塊可計(jì)算結(jié)構(gòu)在0°、45°、90°冰工況以及波浪工況在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°八個(gè)方向相應(yīng)的極限基底剪力，應(yīng)用該文方法可以確定二級(jí)預(yù)警值，結(jié)果見(jiàn)表1。在平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，平臺(tái)桿件會(huì)因?yàn)楦g變薄，在設(shè)計(jì)中常采用對(duì)飛濺區(qū)桿件每年有0.3 mm的腐蝕，該平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命20年，假設(shè)現(xiàn)役平臺(tái)桿件按照此種腐蝕速率變化，則現(xiàn)役平臺(tái)飛濺區(qū)桿件會(huì)產(chǎn)生6 mm厚的腐蝕，對(duì)這種情況應(yīng)用SACS軟件可確定該服役結(jié)構(gòu)的極限基底剪力，同樣應(yīng)用該文方法可以確定二級(jí)預(yù)警值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 JZ20-2MUQ平臺(tái)原始結(jié)構(gòu)的極限基底剪力與預(yù)警值

表2 JZ20-2MUQ平臺(tái)現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的極限基底剪力與預(yù)警值

4 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的安全預(yù)警值進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，得出了如下主要結(jié)論：

(1) 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)服役結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行了三種級(jí)別的劃分，這為結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全預(yù)警值的確定提供了基礎(chǔ)。

(2) 對(duì)海洋平臺(tái)的整體力學(xué)模型性能進(jìn)行分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)的三級(jí)安全狀態(tài)，建立了結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全評(píng)估的兩級(jí)預(yù)警值的確定原理和方法。

(3) 根據(jù)JZ20-2MUQ平臺(tái)的設(shè)計(jì)資料，結(jié)合海洋平臺(tái)專業(yè)分析軟件SACS，確定了該平臺(tái)原始結(jié)構(gòu)和模擬服役結(jié)構(gòu)的兩級(jí)預(yù)警值，為該方法的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

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StudyontheWarningIndexesofReal-timeSafetyAssessmentforIn-serviceOffshorePlatformStructure

LI Zhi-gang1, ZHOU Lei1, WANG Wei-wei1, ZHOU Dao-cheng2

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd， Tianjin 300451，China;2. Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024，China)

In order to reasonably know the real-time safety situation of in-service offshore platform structure, the warning indexes for real-time safety assessment of in-service offshore platform structure is very important. Based on the classification of the structural safety situation in the structure design code, the warning value for real-time safety assessment of in-service offshore platform structure is classified as two levels. According to the overall mechanics property of the offshore platform structure, the calculation method of the two level warning indexes is presented. It is applied to the platform structure of JZ20-2MUQ platform, the actual warning indexes are determined. This can be a reference for the determination of structural safety situation in the engineering application of structural health monitoring (SHM).

in-service offshore platform; real-time safety assessment; two level warning indexes

2014-01-15

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008AA092701)。

李志剛(1965-)，男，教授級(jí)高工。

1001-4500(2015)01-0042-06

P75

： A