基于API規(guī)范的渤海灣海洋石油平臺抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析研究

姜中雷，馮愛民

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

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基于API規(guī)范的渤海灣海洋石油平臺抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析研究

姜中雷，馮愛民

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

摘 要：海冰物理力學(xué)特性是冰區(qū)海上結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一個重要準(zhǔn)則，只有合理選用海冰物理力學(xué)特性值，才能使冰區(qū)海上結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。而海冰是一種性質(zhì)極其復(fù)雜的天然材料，其物理力學(xué)特性受冰溫、冰鹽度以及它的晶格結(jié)構(gòu)、受力方向、加載速率等諸多因素的影響。在不同氣候環(huán)境條件下海冰具有不同的形態(tài)，有平整冰、重疊冰、堆積冰、冰脊、冰山等形態(tài)。不同海冰形態(tài)、不同的地區(qū)、不同的氣候、不同的海水的鹽度、不同的海冰內(nèi)鹽水體積、不同的光照時間等因素都會導(dǎo)致不同的海冰物理力學(xué)特性。

關(guān)鍵詞：渤海灣；堆積冰；力學(xué)；美國API

APIRP2N-1995規(guī)范中說明海冰的物理力學(xué)特性受到冰晶結(jié)構(gòu)、海冰溫度、鹽度、孔隙率和鹽水體積等的影響。海冰的性質(zhì)包括冰的比重、冰與其他材料的摩擦力、彈性模量和泊松比等參數(shù)，給出了各參數(shù)的取值范圍或計(jì)算公式。同時規(guī)范還給出了海冰單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、多軸抗壓強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及冰黏附強(qiáng)度的取值范圍，并綜合了國外在海冰的物理力學(xué)特性領(lǐng)域的研究成果，給出了單軸抗拉及抗壓強(qiáng)度與應(yīng)力率、孔隙率和溫度的關(guān)系曲線。API規(guī)范中對海冰性質(zhì)和海冰強(qiáng)度的說明主要針對Beaufort Sea，Chukchi Sea，North Sound，Navarra Basin，Cook Inlet等北冰洋海域。北冰洋海域的氣候條件和海冰等級與渤海海域完全不同，因此API規(guī)范僅能作為參考。

1　渤海海域海冰物理力學(xué)特性

國內(nèi)針對渤海海域海冰物理力學(xué)特性的研究作了大量的工作，研究內(nèi)容有兩個方面[1]：

一是，取得海冰物理力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)一步分析它們與冰溫、應(yīng)力率、彈性模量、海冰鹽度和鹽水體積等因素的關(guān)系曲線，研究方法基本上有實(shí)驗(yàn)方法和按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算兩種；

二是，研究渤海海域的海冰物理力學(xué)參數(shù)的分布情況和設(shè)計(jì)參數(shù)的選取，研究方法是采用實(shí)際觀測的歷史資料進(jìn)行分析計(jì)算。

張明元等人采用實(shí)驗(yàn)方法研究了葫蘆島地區(qū)柱狀冰的物理特性：試樣選用葫蘆島地區(qū)柱狀冰，實(shí)驗(yàn)方法為簡支梁彎曲實(shí)驗(yàn)，測得葫蘆島地區(qū)海冰彎曲強(qiáng)度在359~1 142 kPa，平均值為697 kPa，垂直方向的彎曲強(qiáng)度大于水平方向的彎曲強(qiáng)度。李志軍等人研究了渤海平整冰工程設(shè)計(jì)參數(shù)分布情況和渤海海冰工程設(shè)計(jì)參數(shù)分布。論文引用渤海不同重現(xiàn)期的平整冰設(shè)計(jì)厚度和歷史資料歸納的冬季氣溫分布、水溫分布，計(jì)算渤海1／6經(jīng)度與1／6緯度網(wǎng)格內(nèi)的不同重現(xiàn)期平整冰層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)分布，給出工程常用的25年、50年和100年重現(xiàn)期的渤海平整冰層設(shè)計(jì)厚度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和彈性模量分布。季順迎等人研究了遼東灣JZ20—2海域海冰參數(shù)概率分布：針對平整冰，基于1996~2000年4個冬季海冰定點(diǎn)觀測資料計(jì)算得海冰參數(shù)的概率密度函數(shù)：冰厚的概率分布：服從對數(shù)正態(tài)分布，分布參數(shù)μ=1.904 7，σ=0.573 2，其概率密度為：

冰速的概率分布：冰速服從瑞利分布，其概率分布為

冰向的概率分布：冰向以正北方向?yàn)?°，順時針旋轉(zhuǎn)至正南方向?yàn)?80°.

海冰壓縮強(qiáng)度的概率分布：服從正態(tài)分布，其均值μ=1.034 8 MPa，均方差σ=0.264 1，海冰壓縮強(qiáng)度的概率密度為

張明元等人研究了遼東灣海冰的單軸抗壓強(qiáng)度、三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度及平面應(yīng)變斷裂韌度。單軸抗壓強(qiáng)度值在2.0~9.69 MPa之間、三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度值在0.175 ~0.833 MPa之間、平面應(yīng)變斷裂韌度值在17～59之間。王永剛等人研究了遼東灣平整冰抗壓強(qiáng)度及其概率分布：論文依據(jù)遼東灣歷年水文氣象資料，根據(jù)公式計(jì)算出來葫蘆島、鲅魚圈、秦皇島、長興島四個海區(qū)的平整冰抗壓強(qiáng)度年極值，并用蒙特卡羅方法檢驗(yàn)遼東灣平整冰抗壓強(qiáng)度的概率分布與正態(tài)分布符合最好，并給出了遼東灣平整冰抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)參考值。李志軍等人研究了遼東灣海冰側(cè)線剪切強(qiáng)度：論文利用試驗(yàn)方法系統(tǒng)地研究了遼東灣S2型海冰側(cè)限剪切強(qiáng)度隨剪切應(yīng)變速率、加載方向、法向應(yīng)力、溫度和冰內(nèi)孔隙率的變化規(guī)律；介紹了S2型海冰各向異性特點(diǎn)及剪切應(yīng)變速率對剪切破壞方式的效應(yīng)和韌脆破壞轉(zhuǎn)變的條件；分析了不同加載方向海冰峰值剪切強(qiáng)度的差異，利用統(tǒng)計(jì)分析給出峰值剪切強(qiáng)度與冰溫和孔隙率的試驗(yàn)關(guān)系。

2　渤海海域海冰物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)選取

因海冰強(qiáng)度隨著氣溫、海冰的溫度、鹽度、冰期和冰厚等因素有關(guān)，也與冰的不同形態(tài)有關(guān)，渤海海域沿岸有堆積冰、重疊冰和平整冰，但海上主要以平整冰為主，且渤海地區(qū)針對其他形態(tài)的冰的物理力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少[2]，因此在平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時采用平整冰的物理力學(xué)參數(shù)作為設(shè)計(jì)參數(shù)，且根據(jù)渤海地區(qū)不同區(qū)域的氣溫、海冰的溫度、鹽度、冰期冰厚和孔隙率等因素，參考文獻(xiàn)7的劃分原則和方法，將渤海地區(qū)的冰區(qū)進(jìn)行劃分，按重現(xiàn)期為100年設(shè)計(jì)時，渤海分9個區(qū)；重現(xiàn)期為50年設(shè)計(jì)時，渤海分8個區(qū)；重現(xiàn)期為25年設(shè)計(jì)時，渤海分7個區(qū)，各區(qū)域的海冰的物理力學(xué)參數(shù)綜合各家的研究結(jié)果，取各區(qū)域最大值作為參考值，物理力學(xué)參數(shù)如下圖1所示。

圖1　渤海灣區(qū)域海冰的物理力學(xué)參數(shù)

3　渤海灣海洋石油平臺抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

海冰的破壞模式有擠壓破壞、彎曲破壞、環(huán)形屈曲破壞、剪切破壞或混合模式破壞。國內(nèi)外各專家學(xué)者針對不同的破壞模式進(jìn)行了冰載荷和斷裂長度的研究。從海冰與錐形結(jié)構(gòu)物的相互作用過程來看，最初海冰總是發(fā)生局部擠壓破壞，直至二者接觸面積達(dá)到足夠大時，以致整個冰排都可能發(fā)生擠壓破壞。另外，由于軸向荷載作用，環(huán)形屈曲破壞是可能的破壞機(jī)制。但因?yàn)榇丝掏瑫r受垂直荷載作用，所以，在屈曲荷載得以充分發(fā)展之前，冰已發(fā)生彎曲破壞。另一種破壞機(jī)制是剪切破壞。海冰的破壞機(jī)制實(shí)際上是混合型的。冰邊緣呈擠壓和剪切組合型，厚冰發(fā)生剪切破壞的可能性更大。

李鋒、岳前進(jìn)等人考慮水平力的附加彎矩作用，按照縱橫彎曲破壞模式進(jìn)行了冰荷載和冰的斷裂長度分析，給出了簡化的彎曲破壞荷載和斷裂長度計(jì)算公式；基于海冰滿足牛頓定律的動力學(xué)方程，在Hopkins的多邊塊體運(yùn)動數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，依據(jù)海冰堆積經(jīng)歷了冰排運(yùn)動、變形、斷裂及斷裂后形成一散體系統(tǒng)的特點(diǎn)，對冰排進(jìn)行隨機(jī)離散，利用離散元方法來模擬海冰的堆積過程，本模型能夠考慮到海上結(jié)構(gòu)物前海冰堆積過程中由于水位的變化，冰排作用于結(jié)構(gòu)物時可能會發(fā)生彎曲、擠壓、壓曲等不同類型的破壞的實(shí)際情形。冰排與結(jié)構(gòu)物接觸前的狀態(tài)：冰排以恒定的速度沿z軸方向前進(jìn)，當(dāng)冰排與結(jié)構(gòu)物表面接觸后冰排將沿著表面上爬，并產(chǎn)生斷裂破壞，斷裂的塊體或是沿結(jié)構(gòu)物表面繼續(xù)上爬越頂或滑入水中在結(jié)構(gòu)物前形成堆積，可利用離散元方法對冰排的斷裂爬升堆積過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

冰排斷裂前塊體間內(nèi)部作用力：一般可假定海冰是一種黏彈性材料，相鄰塊體間存在一定的黏結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)冰排與結(jié)構(gòu)物接觸時，冰排受到結(jié)構(gòu)物作用力，塊體間將產(chǎn)生相對變形，塊體接觸面上端產(chǎn)生擠壓變形，下端產(chǎn)生拉伸變形，接觸面存在擠壓應(yīng)力和拉伸應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力值超過冰排的極限擠壓應(yīng)力或極限拉伸應(yīng)力時，冰排即在塊體黏結(jié)處產(chǎn)生擠壓破壞或彎曲破壞，如冰排失穩(wěn)，則將產(chǎn)生壓曲破壞，初始斷裂處至冰排前端的距離即為冰排初始斷裂長度?？衫门ｎD動力學(xué)方法對冰排的斷裂爬升堆積過程進(jìn)行數(shù)值模擬。冰排斷裂后離散塊體間的作用力：冰排斷裂后形成一些獨(dú)立離散的塊體，這些離散塊體間的相互作用力與塊體間的重疊面積以及塊體間相對運(yùn)動的切向速度有關(guān)，可利用牛頓動力學(xué)方法對冰排的斷裂爬升堆積過程進(jìn)行數(shù)值模擬[3]。其中：

（1）冰排斷裂長度的取值方法

1）直接近似取為冰排的特征長度：因冰排的斷裂長度<冰排的特征長度；

特征冰厚：在研究極區(qū)海冰對氣候變化趨勢的影響時提出了平衡冰厚的概念，并將其作為海氣相互作用的一種指標(biāo)在渤海JZ202海域海冰數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，在一定的氣象和水文條件下，無論初始冰厚如何，模擬冰厚總向一個特定值逼近。通過其對氣溫、風(fēng)速、相對濕度和海洋熱通量的敏度分析，發(fā)現(xiàn)該值與渤海海域的氣象和水文特性有密切關(guān)系，這里稱其為特征冰厚[4]。

（2）冰力計(jì)算公式

1）采用聯(lián)合概率法進(jìn)行極值冰力的隨機(jī)模擬計(jì)算；

2）按美國API規(guī)范給出的冰載荷計(jì)算公式計(jì)算；

3）按實(shí)測公式：F=0.5σcD0.5H1.1（渤海灣地區(qū)實(shí)測公式）

4）按錐體冰載荷改進(jìn)計(jì)算公式：

5）按準(zhǔn)線性單元法計(jì)算冰載荷公式：

其中：P表示冰荷載；y，x表示空間模擬運(yùn)動方向；s，m，e表示運(yùn)動軌跡動態(tài)；α，ω，φ，ξ，ζ系數(shù)；fl表示海冰抗拉強(qiáng)度；fc表示海冰抗壓強(qiáng)度。

該模擬過程可以分析抗冰結(jié)構(gòu)在不同傾角時海冰的不同破碎過程和破碎機(jī)理，并計(jì)算出海冰破碎過程中對結(jié)構(gòu)物的冰力歷時過程[5]。冰力周期計(jì)算：與冰在錐面上的斷裂長度成正比。新型抗冰結(jié)構(gòu)要進(jìn)行各方向的強(qiáng)度計(jì)算和動力可靠性計(jì)算。正錐體和箱型梁組成的抗冰結(jié)構(gòu)，由天津市海王星海上工程技術(shù)有限公司開發(fā)的，可實(shí)現(xiàn)自升降功能；正倒錐組合的抗冰結(jié)構(gòu)；帶有隔振減振裝置的破冰錐，在腿柱與破冰錐之間設(shè)置隔振減振裝置，另外，在腿柱與破冰錐內(nèi)壁之間設(shè)有封裝裝置，可防止海水侵蝕內(nèi)部的隔振減振裝置，提高使用壽命；傘型體人工島抗冰新型異性護(hù)面塊體，由n塊異性塊體相互嵌固連接組成，單個塊體是一種異性塊體—傘型體；每個異性塊體有兩個接觸冰板的工作面，兩邊之間有不超過10°的夾角；當(dāng)n個異性塊體相連接時，則護(hù)面塊體中的最下部的底邊與最上部的頂邊相差角度最大不大于90°，最小不小于80°；新型抗冰裝置：由上支撐件、覆冰斜撐桿、撐桿過渡塊、消冰斜撐桿、下支撐件、圓管下支撐桿組成。撐桿過渡塊上、下方沿周向分別設(shè)有多根覆冰斜撐桿和多根消冰斜撐桿，每根覆冰斜撐桿上端和消冰斜撐桿下端分別與相應(yīng)的上支撐件、下支撐件相焊接，下支撐件下方焊接有多根圓管下支撐桿；自升降主動抗冰減震裝置，包括上、中和下三層環(huán)形翼板及豎立在各層翼板之間起支撐作用的襯板，中翼板上開設(shè)有孔；在三層翼板之間分布有抗冰纜索，所述抗冰纜索穿過中翼板，并固定于上下翼板；上翼板與升降裝置相連；在下翼板的下方固定有浮筒；U形開槽抗冰錐，由錐體、封槽板、U形槽、橡膠皮、螺栓、導(dǎo)管架腿柱、電纜護(hù)管或立管組成，通過在抗冰錐的錐體上設(shè)置U形槽和封槽板，既可以滿足電纜護(hù)管和立管海上現(xiàn)場安裝的要求，又保持了抗冰錐結(jié)構(gòu)的完整性，起到保護(hù)電纜護(hù)管、立管和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的作用；抗冰錐組成：由套管、上中下三個支撐板，連接支撐的斜撐角鋼、套管內(nèi)的阻尼材料及上下壓塊組成[6]。組裝過程：將套管一分為二，上部分套管再縱向分為兩半，先將下支撐板和套管底端焊接，并將下壓塊和導(dǎo)管架焊接，當(dāng)陸地將下支撐板和下部套管安裝好，待海上平臺組裝完畢，船舶離開后，提起下部套管，使其離開海平面，焊接中間支撐及連接兩支撐的斜撐角鋼，下降下部套管使之落于下壓塊之上，再焊接上部套管、上支撐及上中支撐間的斜撐角鋼，之后，將阻尼材料填入套管（阻尼

材料也可以分兩次填入）。最后，焊接上壓塊與導(dǎo)管架之上，使之壓緊上支撐板，則安裝完畢。上下壓塊起到固定抗冰錐體的作用，同時還可以封裝阻尼材料，提高其使用壽命[7]。

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[6]徐志斌.高危行業(yè)安全科技人才現(xiàn)狀研究[J].安全科學(xué)，2011，（18）：60-61.

[7]蔣其發(fā).不完全合同理論與風(fēng)險(xiǎn)成因[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2008，（6）：24-27.

中圖分類號：TE52

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0098-03

收稿日期：2016-01-23

作者簡介：姜中雷（1981-），男，山東人，碩士研究生，中級工程師，主要從事海洋石油平臺組塊導(dǎo)管架及浮式生產(chǎn)儲油外輸油輪FPSO的建造調(diào)試、海上安裝施工工作，以及船舶設(shè)備建造維修調(diào)試工作。

Analysis of US-based Anti-ice Structure Design API Specification Offshore Oil Platforms in BOHAI Bay

JIANG Zhong-lei，F(xiàn)ENG Ai-min
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

Abstract:The physical and mechanical properties of sea ice is an important criteria for sea ice physical strength structural design，only the rational choice of the value of physical and mechanical properties of sea ice to make ice offshore structures design more economical and reasonable.The sea ice is an extremely complex nature of natural materials，its physical and mechanical properties affected by ice temperature，ice salinity and its lattice structure，the force direction，the loading rate and many other factors.Climatic conditions in different sea ice has a different shape，there are smooth ice，overlapping ice accumulation of ice，ice ridges，icebergs and other forms.Different ice forms，different regions，different climate，different salinity of seawater，sea ice in different brine volume，different illumination time and other factors will lead to different physical and mechanical properties of ice.

Key words:bohai bay；ice accumulation mechanics；US API