錦州9-3油田兩平臺(tái)間棧橋冰激振動(dòng)分析

錦州9-3油田兩平臺(tái)間棧橋冰激振動(dòng)分析

郝寶齊，董坤

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司工程建設(shè)中心，天津 300452)

摘要：考慮到平臺(tái)間的棧橋與平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)力特性完全不同，針對(duì)錦州9-3油田WHPC與WHPE海洋平臺(tái)之間的棧橋及其附屬管線，進(jìn)行冰激振動(dòng)響應(yīng)分析計(jì)算。結(jié)果表明，棧橋鋼結(jié)構(gòu)和管線系統(tǒng)的響應(yīng)變化規(guī)律與平臺(tái)甲板存在一定差異，主要原因?yàn)槎嘀亍白咏Y(jié)構(gòu)”與“主結(jié)構(gòu)”的匹配關(guān)系。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)；棧橋；冰激振動(dòng)

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.026

中圖分類號(hào)：U661.44；P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0093-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：第一郝寶齊 (1975-)，男，學(xué)士，工程師

Abstract:Considering the natural vibration characteristics of the platform structure is different from that of the bridge connecting two platforms, the ice-induced vibration response is analyzed for the bridge structure and the pipelines connecting WHPC and WHPE platform in Jinzhou 9-3 oilfield. The results show that the variation in response of the bridge structure and piping systems is different that of the platform deck, and the main reason for this difference is the matching relationship between the multiple sub-structures and the main structure.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋工程設(shè)計(jì)、建造和工程項(xiàng)目管理

E-mail:haobq@cnooc.com.cn

冰激振動(dòng)是結(jié)構(gòu)在交變冰荷載作用下產(chǎn)生振動(dòng)的一種特有現(xiàn)象[1]。我國(guó)渤海因地理位置偏北，冬季受西伯利亞南下冷空氣直接影響，每年都有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，這使得渤海海域內(nèi)海洋平臺(tái)的冰激振動(dòng)問題顯得尤為突出。強(qiáng)烈的冰激振動(dòng)事件對(duì)正常的生產(chǎn)作業(yè)、結(jié)構(gòu)的安全性以及工作人員的人身健康造成了嚴(yán)重威脅[2]。歷史上，渤海就有過因冰激振動(dòng)致使平臺(tái)毀壞的嚴(yán)重事故。1969年初，“海一井”平臺(tái)支座拉筋被海冰割斷，“海二井”生活平臺(tái)、設(shè)備平臺(tái)和鉆井平臺(tái)被海冰推到。1977年，“海四井”烽火臺(tái)被流冰推倒，生活平臺(tái)振動(dòng)劇烈，以至平臺(tái)棧橋難以行走[3-5]。1999-2000年冬季，渤海JZ20-2中南平臺(tái)由于冰激振動(dòng)導(dǎo)致平臺(tái)管線的斷裂[6]。

目前我國(guó)對(duì)冰區(qū)海洋平臺(tái)冰激振動(dòng)的研究以平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的分析居多，而針對(duì)平臺(tái)間棧橋等子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)所展開的研究工作較為匱乏。棧橋是連接海上油氣田兩個(gè)或多個(gè)平臺(tái)間油氣水管線、電控線纜和人員通行的通道，一般采用空間框架鋼結(jié)構(gòu)[7]。棧橋具備與平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)完全不同的固有動(dòng)力特性。作為平臺(tái)的子結(jié)構(gòu)，棧橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主要由平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)所引發(fā)；同時(shí)，在其自身動(dòng)力特征的控制下，會(huì)將由平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)傳遞過來的振動(dòng)加以放大，從而對(duì)棧橋自身結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，在對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的同時(shí)，還必須對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)算分析。

錦州9-3油田區(qū)域位于渤海遼東灣北部海域，東經(jīng)121°24′～121°37′，北緯40°37′～40°42′，平均水深6.5～10.5 m，屬于淺水重冰區(qū)，嚴(yán)重的海冰災(zāi)害多發(fā)生在這一區(qū)域。針對(duì)錦州9-3油田WHPC與WHPE平臺(tái)之間棧橋及其附屬管線的工程設(shè)計(jì)，在考慮平臺(tái)在冰激振動(dòng)作用下，對(duì)平臺(tái)間的棧橋及其附屬管線造成的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

1計(jì)算模型

1.1整體模型中的棧橋模擬

棧橋具有與平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)完全不同的固有動(dòng)力特性。如果將棧橋結(jié)構(gòu)融合到平臺(tái)整體計(jì)算模型中，將產(chǎn)生主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)振型耦合后的計(jì)算失真效應(yīng)[8-9]。因此，必須將棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)的建模計(jì)算分析工作，但二者間應(yīng)保持固有的主次或振動(dòng)繼承關(guān)系。

對(duì)于子結(jié)構(gòu)繼承主結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)關(guān)系的把握，關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確獲取子結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)連接位置的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程。主要取決于兩方面因素。

1)局部剛度矩陣的準(zhǔn)確建立。即在主結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析模型中應(yīng)準(zhǔn)確模擬與主結(jié)構(gòu)形成主要連接的子結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

2)局部質(zhì)量矩陣的準(zhǔn)確建立。即在主結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析模型中應(yīng)準(zhǔn)確模擬子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

據(jù)此，對(duì)平臺(tái)棧橋結(jié)構(gòu)與平臺(tái)整體上部模塊間的連接及其自身質(zhì)量進(jìn)行模擬。平臺(tái)整體計(jì)算模型中在與棧橋連接構(gòu)件所組成的局部框架上設(shè)置棧橋質(zhì)量分布。

1.2棧橋計(jì)算模型

WHPC-WHPE棧橋計(jì)算模型分為兩部分，即棧橋鋼結(jié)構(gòu)模型和管線模型。其中，為保證棧橋與WHPC平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)間的“繼承”關(guān)系，棧橋與WHPC平臺(tái)的連接處保留了原支撐構(gòu)件。對(duì)于管線模型的建立，由于管線是與兩座平臺(tái)上的總體管網(wǎng)相貫通連接的，因此，管線的振動(dòng)響應(yīng)是不能以棧橋結(jié)構(gòu)為邊界的。需為棧橋上的管線提供半無限式的邊界條件，以避免造成整體棧橋結(jié)構(gòu)的邊界條件具有局部邊界效應(yīng)。計(jì)算模型中將棧橋上的管線系統(tǒng)向棧橋結(jié)構(gòu)外側(cè)(即兩座平臺(tái)的整體管網(wǎng)上)各延伸15 m，然后在延伸端點(diǎn)施加鉸接約束，保證邊界條件合理。棧橋鋼結(jié)構(gòu)模型和管線模型均采用Pipe59單元模擬，其中管線模型單元中添加了管內(nèi)流體(原油)屬性。整體結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)定為5%。棧橋整體模型見圖1。

圖1　WHPC-WHPE棧橋整體模型圖

2棧橋冰激振動(dòng)響應(yīng)分析

2.1模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[10]。由于平臺(tái)上管線的布置和支撐方式遠(yuǎn)較棧橋上的復(fù)雜，致使其振動(dòng)阻尼耗散也十分顯著，造成整體管網(wǎng)的振動(dòng)很難傳遞至棧橋管線系統(tǒng)。因此，整個(gè)棧橋-管線系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng)特征是由棧橋鋼結(jié)構(gòu)控制的。故模態(tài)分析主要針對(duì)棧橋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行，而棧橋上的管線系統(tǒng)作為附屬結(jié)構(gòu)處理。計(jì)算得到棧橋鋼結(jié)構(gòu)前3階振型和自振頻率(表1)。

2.2冰激振動(dòng)響應(yīng)分析

針對(duì)WHPC-WHPE棧橋結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析是以WHPC平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析為基礎(chǔ)的。因此，計(jì)算工況的設(shè)定與WHPC平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算相同，即將冰速分為0.15、0.3、0.6、1.2和1.4 m/s共5種情況，冰厚分為5、10、15、20、25、30、35、40和49.2 cm共9種情況，冰向分為NE、SW、NNE和SSW共4種情況，水位分為最高天文潮、平均水位、最低天文潮共3種情況。這些情況涵蓋了錦州9-3油田附近海域可能遭遇的冰情特征，組合共形成540組計(jì)算工況。

表1　WHPC-WHPE棧橋模型前3階自振頻率

如1.1中所述，在針對(duì)WHPC平臺(tái)所進(jìn)行的有限元分析計(jì)算中，已經(jīng)對(duì)平臺(tái)棧橋子結(jié)構(gòu)與平臺(tái)整體上部模塊間的連接及其自身質(zhì)量進(jìn)行了準(zhǔn)確模擬，據(jù)此便可以準(zhǔn)確提取與每種海冰作用工況相對(duì)應(yīng)的棧橋連接點(diǎn)上的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。這些動(dòng)力響應(yīng)的提取結(jié)果正是在對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算中采用的振動(dòng)輸入項(xiàng)。由此，便形成了對(duì)WHPC-WHPE棧橋與各組計(jì)算工況一一對(duì)應(yīng)的振動(dòng)輸入時(shí)程的構(gòu)建。

根據(jù)以上方法，對(duì)有限元模型施加與各工況相對(duì)應(yīng)的平臺(tái)整體位移響應(yīng)時(shí)程曲線，采用瞬態(tài)動(dòng)力計(jì)算方法，進(jìn)行全時(shí)域范圍內(nèi)的冰激振動(dòng)響應(yīng)分析計(jì)算。計(jì)算表明，WHPC-WHPE棧橋結(jié)構(gòu)在最高天文潮水位下，冰速1.2 m/s，冰厚49.2 cm，來冰方向?yàn)镾SW時(shí)出現(xiàn)了最大響應(yīng)。以此工況為例對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。WHPC-WHPE棧橋鋼結(jié)構(gòu)和管線系統(tǒng)出現(xiàn)最大響應(yīng)時(shí)刻的變形見圖2。

圖2　WHPC-WHPE棧橋鋼結(jié)構(gòu)和 　　管線系統(tǒng)最大響應(yīng)時(shí)刻變形

由圖2可見，鋼結(jié)構(gòu)和管線系統(tǒng)的最大響應(yīng)位置均出現(xiàn)在靠近WHPC平臺(tái)一側(cè)的端點(diǎn)上。其主要原因是由于棧橋所連接的兩座平臺(tái)的振動(dòng)存在差異。錦州9-3沉箱平臺(tái)WHPE以其龐大的結(jié)構(gòu)型式形成了良好的冰激振動(dòng)抑制作用，而對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)WHPC所進(jìn)行的冰激振動(dòng)模型試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果表明，其經(jīng)歷的冰激振動(dòng)水平是較為顯著的。棧橋結(jié)構(gòu)在一端振動(dòng)明顯，而另一端振動(dòng)可忽略的外部激勵(lì)模式下，自然也就呈現(xiàn)出上面展示的變形和響應(yīng)特征。

依據(jù)圖2展示的變形圖中標(biāo)注的結(jié)構(gòu)最大變形位置，分別提取對(duì)應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征分析，所得結(jié)果如圖3、4。其中圖3、4為在上述工況下，棧橋鋼結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位置沿X、Y、Z3個(gè)方向的位移響應(yīng)與WHPC平臺(tái)棧橋支撐甲板上的相應(yīng)位移響應(yīng)的對(duì)比，圖4為棧橋管線系統(tǒng)最大響應(yīng)位置沿X、Y、Z3個(gè)方向的位移響應(yīng)與WHPC-WHPE棧橋鋼結(jié)構(gòu)上的最大位移響應(yīng)的對(duì)比。

圖3　棧橋鋼結(jié)構(gòu)與平臺(tái)甲板位移響應(yīng)

圖4　棧橋管線與棧橋鋼結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

通過圖3可見，作為平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)，棧橋鋼結(jié)構(gòu)在吸收了平臺(tái)甲板傳遞過來的振動(dòng)能量后，已將其轉(zhuǎn)化為自身特有的振動(dòng)形態(tài)。具體表現(xiàn)為：在X、Y及Z向，振動(dòng)形態(tài)與平臺(tái)甲板基本保持一致，位移響應(yīng)水平較平臺(tái)甲板分別縮減了3.5、1.1及放大了1.6倍。

同時(shí)，通過圖4可以得出，作為棧橋鋼結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)，棧橋管線在吸收了平臺(tái)甲板傳遞過來的振動(dòng)能量后，在兩個(gè)方向上均形成了動(dòng)力放大，具體表現(xiàn)為：在X、Y及Z向，位移響應(yīng)水平較棧橋鋼結(jié)構(gòu)分別縮減了37.5倍、放大了2.5倍及放大了10.8倍。

由此可見，在相同的冰條件作用下，棧橋鋼結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出與平臺(tái)主結(jié)構(gòu)十分相似的振動(dòng)響應(yīng)形態(tài)。在X和Y方向上，棧橋鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)于平臺(tái)主結(jié)構(gòu)則保持了極強(qiáng)的“繼承”特征，同時(shí)由于棧橋的框架結(jié)構(gòu)在這兩個(gè)方向上具備很高階的模態(tài)特征，因此產(chǎn)生了振動(dòng)縮減現(xiàn)象。在Z方向上，盡管棧橋的框架結(jié)構(gòu)在這一方向上仍具備頻率很高的模態(tài)特征，但由于棧橋結(jié)構(gòu)自身在Z方向上具備二階模態(tài)，因此在該方向上對(duì)振動(dòng)能量的吸收敏感性較強(qiáng)。棧橋上的管線系統(tǒng)在Z方向上具備更強(qiáng)的振動(dòng)能量吸收敏感性，進(jìn)而致使棧橋鋼結(jié)構(gòu)在垂向上呈現(xiàn)出動(dòng)力放大特征。由此可見，對(duì)于整體棧橋結(jié)構(gòu)來說，其具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征，即具有多重的“子結(jié)構(gòu)”與“主結(jié)構(gòu)”匹配關(guān)系。

1)相對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)，整體棧橋結(jié)構(gòu)具有“子結(jié)構(gòu)”特征，因此，在水平向的振動(dòng)上具有相對(duì)于平臺(tái)主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)“繼承”特征。

2)整體棧橋結(jié)構(gòu)的“子結(jié)構(gòu)”從屬性并不單一，而是同時(shí)具備兩個(gè)主響應(yīng)結(jié)構(gòu)，即WHPC和WHPE平臺(tái)，而兩座平臺(tái)不同的振動(dòng)響應(yīng)特征，則致使棧橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大進(jìn)程受到抑制。

3)棧橋上的管線系統(tǒng)相對(duì)于棧橋鋼結(jié)構(gòu)，又具備了第二階的“子結(jié)構(gòu)”與“主結(jié)構(gòu)”匹配關(guān)系，即管線系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)激勵(lì)來源于棧橋鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

4)由于棧橋上的管線系統(tǒng)與棧橋鋼結(jié)構(gòu)間的重量和剛度差異并不顯著，因此二者間的主、次關(guān)系并不明顯，進(jìn)而致使管線系統(tǒng)在垂向上的振動(dòng)敏感性對(duì)棧橋鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的影響或控制作用。

4結(jié)論

對(duì)WHPC-WHPE棧橋結(jié)構(gòu)的建模計(jì)算分析，證明”子結(jié)構(gòu)”與”主結(jié)構(gòu)”二者間固有的主次及振動(dòng)繼承關(guān)系。相對(duì)于平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)，棧橋結(jié)構(gòu)具有“子結(jié)構(gòu)”特征，而棧橋上的管線系統(tǒng)相對(duì)于棧橋鋼結(jié)構(gòu)，又具備了第二階的“子結(jié)構(gòu)”與“主結(jié)構(gòu)”匹配關(guān)系。本文采用的棧橋結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)分析方法可為設(shè)計(jì)方案提供評(píng)價(jià)與指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃焱,史慶增,宋安.冰激柔性直立樁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的模型試驗(yàn)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2007,40(5):530-535.

[2] SODHI D S.Crushing failure during ice-structure interaction[J].Engineering Fracture Mechanics,2001.68:1889-1921.

[3] 張方儉,費(fèi)立淑.我國(guó)的海冰災(zāi)害及其防御[J].海洋同胞,1994,13(5):75-83.

[4] 張樹祥,周森.渤海航運(yùn)中的海冰危害和防冰減災(zāi)對(duì)策[J].冰川凍土,2003,25(S2):360-362.

[5] 李志軍.渤海海冰災(zāi)害和人類活動(dòng)之間的關(guān)系[J].海洋預(yù)報(bào),2010,27(1):8-12.

[6] YUE Q J.Crushing formed dynamic ice loads during interacting with vertical compliant structure[J].Engineering Mechanics,2004(2):200-208.

[7] 劉戈,宋克新,張海.海洋平臺(tái)棧橋動(dòng)力分析[J].海洋技術(shù),2009,28(2):84-87.

[8] 王文亮,杜作潤(rùn).結(jié)構(gòu)振動(dòng)與動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1985.

[9] R 克拉夫,J 彭津.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[10] 陳道章.隨機(jī)振動(dòng)理論及其應(yīng)用[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),1993,22(4):428-433.

Analysis of Ice-induced Vibration on Bridge Connecting WHPC

and WHPE Platform in Jinzhou 9-3 Oilfield

HAO Bao-qi, DONG Kun

(Project Construction Center, Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: offshore platform; bridge; ice-induced vibration