八樁腿大跨度導管架平臺冰激振動模型試驗

張 偉，宋夢然，黃 焱，馬君誠

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451； 2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

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八樁腿大跨度導管架平臺冰激振動模型試驗

張 偉1，宋夢然2，黃 焱2，馬君誠1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451； 2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

針對目前關(guān)于導管架平臺大跨度柔性結(jié)構(gòu)冰激振動研究不夠充分的問題，對我國渤海海域某帶錐八樁腿導管架平臺開展系統(tǒng)的冰激振動模型試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)：平臺在不同冰攻角、冰速、冰厚和水位條件下的振動類型及響應水平差別較大，5年一遇冰厚條件下，結(jié)構(gòu)的最大響應出現(xiàn)在22.5°冰攻角、原型冰速0.8 m/s時；百年一遇冰厚條件下，結(jié)構(gòu)的最大響應出現(xiàn)在22.5°冰攻角、原型冰速1.1 m/s時。為解決具體的工程實際問題提供參考。

錐型結(jié)構(gòu)；導管架平臺；冰激振動；模型試驗

0 引言

大跨度的導管架平臺在冰排與結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用時產(chǎn)生的載荷是交變的，即為一種動力作用，這將導致結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈的振動。隨著油氣開采業(yè)在寒區(qū)的發(fā)展，越來越多的具有顯著水平的冰激振動事件威脅著平臺的正常作業(yè)及結(jié)構(gòu)的安全。例如，1977年，“海四井”烽火臺被流冰推倒，生活平臺振動劇烈，平臺棧橋難以行走[1]；1999年-2000年冬季，渤海JZ20-2中南平臺由于冰激振動導致了平臺管線的斷裂[2]。

隨著冰邊緣區(qū)范圍擴大，作用于渤海海域?qū)Ч芗芷脚_上的冰力極值有所減小。然而隨著海洋動力學條件更為復雜，導管架平臺在海冰作用下的疲勞問題日益顯著[3-4]。由于天然海冰的彎曲強度遠小于擠壓強度，引導冰排由在直立結(jié)構(gòu)前的擠壓破壞轉(zhuǎn)為在錐形結(jié)構(gòu)前的彎曲破壞，可以有效降低冰載荷[5]。因此，許多寒區(qū)的海洋工程結(jié)構(gòu)物都安裝破冰錐體。然而，安裝破冰錐體可能會導致一些問題，冰排發(fā)生彎曲破壞的同時使冰力具備了周期特性，這樣一來，錐體冰力的動力特征就變得尤為突出。本文針對我國渤海海域的某八樁腿帶錐導管架平臺的冰激振動問題進行系統(tǒng)的模型試驗研究。

1 冰激錐型結(jié)構(gòu)振動概述

無論是從冰與錐體相互作用的現(xiàn)象來看，還是從冰與錐體相互作用的冰力時程曲線來看，冰力模型試驗和現(xiàn)場原型觀測都得到了同樣的結(jié)論，即冰排與錐體結(jié)構(gòu)的相互作用具有周期性，會產(chǎn)生間歇的周期載荷。對冰激錐體振動問題，影響確定性冰力函數(shù)的關(guān)鍵因素有3個：冰排斷裂長度、冰速和冰力幅值。

同時，冰排與錐體的作用過程中存在多次斷裂進程，導致冰力中含有不止一種激勵頻率成分，而當結(jié)構(gòu)自振頻率與其中一種頻率成分相匹配的時候，就可能引發(fā)劇烈的結(jié)構(gòu)振動。此外，當冰排與多錐體結(jié)構(gòu)相互作用時，冰排在不同錐體結(jié)構(gòu)間的破壞進程存在非同時性，這種非同時效應弱化了冰激振動的水平。

因此，冰激振動進程是受到冰排破壞模式與結(jié)構(gòu)條件的共同影響和控制的。也就是說，在不同的冰條件與結(jié)構(gòu)條件組合情況下，將發(fā)生不同冰激振動機理所控制的振動事件。

2 模型試驗概況

2.1 試驗模型

選擇順應式模擬器作為試驗的主要裝置，它可以準確地模擬結(jié)構(gòu)自身的動力特性，如圖1所示。試驗模型按照1∶30的縮尺比加工。表1為試驗中模型結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)與原型參數(shù)的對比，其中模型結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)的設定依據(jù)試驗的相似體系由原型參數(shù)進行縮尺得到。模型固定板直接與順應式模擬器裝配，如圖2所示。

圖1 順應式模擬器 圖2 裝配后的平臺冰激振動試驗模型

表1 冰激振動結(jié)構(gòu)動力特征參數(shù)與原型對應情況

2.2 試驗條件

冰厚和冰強度的確定是針對平臺所處海域冰區(qū)的5年一遇和百年一遇條件設定的。按照模型試驗相似體系的幾何比尺1∶30，確定試驗目標冰厚、冰強度與原型間的對比關(guān)系，見表2。模型冰采用第二代尿素模型冰。

表2 目標冰厚、冰強度參數(shù)與原型的對應情況

在平臺所在海域可能出現(xiàn)的冰速范圍內(nèi)選取8種工況進行試驗。該海域海冰最大漂移速度為1.4 m/s，縮尺后最大試驗冰速為255 mm/s，其余7種冰速則按照線性遞增的方式確定為20 mm/s，50 mm/s，80 mm/s，100 mm/s，120 mm/s，150 mm/s和200 mm/s。

不同的冰攻角將產(chǎn)生不同的破壞模式、冰載荷和冰激振動現(xiàn)象。根據(jù)平臺所在海域環(huán)境條件，在模型試驗中共設置2種冰攻角作用條件：0°和22.5°。

3 試驗現(xiàn)象

圖3 冰排在平臺模型前的非同時破壞(百年遇冰厚、平均水位、冰攻角0°)

在平均水位工況下，冰排的下邊緣與正-倒錐組合體交接面位置發(fā)生接觸。在這種情況下，冰排均被正錐體表面順利挑起，繼而發(fā)生徑向裂紋與環(huán)向裂紋并存的楔形梁式彎曲破壞。然而，這種破壞形式在不同的冰攻角下有不同的體現(xiàn)。

在0°冰攻角下，位于平臺兩側(cè)的2座導管架結(jié)構(gòu)上各有2個抗冰錐體首先迎冰。冰排在錐體模型前發(fā)生彎曲破壞，冰排在4個迎冰錐體前的非同時破壞現(xiàn)象可通過肉眼觀察，如圖3所示。在22.5°冰攻角下，位于平臺兩側(cè)的2座導管架結(jié)構(gòu)上各有3個抗冰錐體迎冰，而這3個錐體間的位置關(guān)系并不在一條直線上，這就造成冰排在這一工況下的非同時破壞效應更加突顯。

值得關(guān)注的是，上述非同時破壞現(xiàn)象均在低冰速(20～150 mm/s)試驗中表現(xiàn)得較為明顯，但在高冰速(150～255 mm/s)試驗中，很難通過肉眼觀察到顯著的非同時現(xiàn)象。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 測試結(jié)果時程特征分析

以平均水位、百年一遇冰厚、0°冰攻角工況為例，分別針對不同冰速下結(jié)構(gòu)的振動時程特征進行分析。

4.1.1 低冰速(20～150 mm/s)試驗

試驗現(xiàn)象中描述的非同時效應可以通過對冰力時程的觀察得到更好的體現(xiàn)。以冰排作用方向為基準，圖4為百年一遇冰厚、0°冰攻角、50 mm/s冰速試驗中左、右兩側(cè)結(jié)構(gòu)上的冰力時程曲線。2條冰力時程曲線盡管在冰力幅值和波動形態(tài)上相差不大，但二者在波動相位上的差異卻十分明顯。將左右兩側(cè)的冰力時程分別作快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)處理，即可得到各自的頻譜特征，如圖5和圖6所示。

圖4 冰力時程曲線 圖5 左側(cè)冰力時程頻譜

圖6 右側(cè)冰力時程頻譜

觀察2條冰力時程頻譜曲線可以發(fā)現(xiàn)：波動相位上的差異僅僅致使2條冰力時程的頻譜特征具有細微的差別，且頻譜分析結(jié)果中均現(xiàn)了3個冰力特征頻率。冰排在與大傾角錐體結(jié)構(gòu)作用時將以二次斷裂的模式發(fā)生破壞，進而致使冰力中存在2種主要的波動頻率成分。在2條冰力頻譜曲線中，前兩階的冰力主頻保持一致，即0.3 Hz和0.6 Hz。相同的特征頻率說明二者由相同的冰條件和結(jié)構(gòu)條件引導了相同的冰排二次斷裂進程。2條冰力頻譜曲線在第三階冰力主頻上出現(xiàn)了差異，分別為0.88 Hz和0.96 Hz。

在具備上述穩(wěn)定波動特征的冰力載荷作用下，具備穩(wěn)定動力特征的結(jié)構(gòu)就必然會呈現(xiàn)出與之相對應的特有響應形態(tài)。圖7為位移響應時程曲線，圖8為頻譜分析結(jié)果，由圖7和圖8可以看到：模型結(jié)構(gòu)在吸收了集中在0～1 Hz范圍內(nèi)的冰力激振能量后，開始向高頻振動上傳輸能量。

圖7 位移響應時程曲線 圖8 位移響應時程頻譜

圖9 冰力時程曲線

4.1.2 中冰速(150～200 mm/s)試驗

隨著冰排作用速度的提升，非同時破壞效應的顯著程度以及影響水平也隨之下降。同樣以冰排作用方向為基準，圖9為百年一遇冰厚、0°冰攻角、150 mm/s冰速試驗中左、右兩側(cè)模型結(jié)構(gòu)上的冰力時程曲線?？梢钥闯觯?條冰力時程曲線在波動相位上的差異較低冰速試驗時呈現(xiàn)出明顯的弱化跡象。

圖10為結(jié)構(gòu)的位移響應時程頻譜曲線，可以看出：平臺模型結(jié)構(gòu)的位移時程開始呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的振動跡象，此時結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)已被激發(fā)，這樣結(jié)構(gòu)將形成對外部輸入能量的一次過濾，將遠離其一階自振的激振能量排除，而將大部分的振動能量集中在一階模態(tài)上。由此可將這種情況下的結(jié)構(gòu)振動歸結(jié)為超諧波共振。

平臺整體模型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角響應時程如圖11所示，可以看出：此時盡管冰力作用水平得到了提升，但平臺模型的整體轉(zhuǎn)角響應幅值較之低冰速情況時并無明顯升高，而其振動的平穩(wěn)程度卻明顯高于低冰速工況。

圖10 位移響應時程頻譜

圖11 轉(zhuǎn)角響應時程

圖12 冰速冰力時程曲線

4.1.3 高冰速(200～255 mm/s)試驗

在冰速達到高速區(qū)后，冰排的破壞速度也達到了峰值，非同時破壞效應的顯著程度以及影響水平也隨之下降至最低幾乎可以忽略的水平。同樣以冰排作用方向為基準，圖12中為百年一遇冰厚、0°冰攻角、255 mm/s冰速試驗中左、右兩側(cè)模型結(jié)構(gòu)上的冰力時程曲線,可以看出：2條冰力時程曲線在波動相位上的差異基本上已經(jīng)可以忽略。

結(jié)構(gòu)在上述冰力作用下的位移響應及其頻譜特征分別如圖13和圖14所示，可以看出：此時結(jié)構(gòu)的位移幅值明顯升高，同時，頻譜分析結(jié)果顯示此時的位移響應在結(jié)構(gòu)自身的一階模態(tài)上出現(xiàn)了明顯的集中。

圖13 位移響應時程 圖14 位移響應時程頻譜

圖15 轉(zhuǎn)角響應時程

平臺整體模型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角響應時程如圖15所示，可以看出：結(jié)構(gòu)響應在一階模態(tài)頻率上的集中制約了因冰排非同時破壞效應引發(fā)的扭轉(zhuǎn)響應，致使其下降至很低的水平。

上述針對0°冰攻角試驗測試結(jié)果分析得到的結(jié)論同樣存在于22.5°冰攻角系列試驗中，因此這里不再贅述。

4.2 測試結(jié)果統(tǒng)計分析

為了針對測試物理參量的統(tǒng)計結(jié)果進行清晰的分析，這里定義統(tǒng)計參數(shù)：

位移波動范圍Δd為

式中：dmax為每組次測試記錄中位移響應的最大值；dmin為每組次測試記錄中位移響應的最小值。

加速度波動范圍Δa為

式中：amax為每組次測試記錄中加速度響應的最大值；amin為每組次測試記錄中加速度響應的最小值。

轉(zhuǎn)角波動范圍Δθ為

式中：θmax為每組次測試記錄中轉(zhuǎn)角響應的最大值；θmin為每組次測試記錄中轉(zhuǎn)角響應的最小值。

4.2.1 0°冰攻角試驗

圖16和圖17分別為2種(5年一遇和百年一遇)目標冰厚試驗中位移波動范圍在3種水位工況下隨冰速的變化趨勢。

圖16 位移波動范圍隨冰速的變化曲線(0°冰攻角、5年一遇目標冰厚) 圖17 位移波動范圍隨冰速的變化曲線(0°冰攻角、百年一遇目標冰厚)

由圖16和圖17可以看出：總體上，平臺結(jié)構(gòu)整體的位移響應水平在最高天文潮水位下最高，最低天文潮水位下的平臺結(jié)構(gòu)整體位移響應水平低于另外2個水位情況；5年一遇目標冰厚條件下，平臺結(jié)構(gòu)整體的最大位移響應出現(xiàn)在150 mm/s冰速條件下，對應原型冰速條件為0.8 m/s；百年一遇目標冰厚條件下，平臺結(jié)構(gòu)整體的最大位移響應出現(xiàn)在200 mm/s冰速條件下，對應原型冰速條件為1.1 m/s。

值得關(guān)注的問題是，平臺結(jié)構(gòu)整體的最大位移所對應的冰速條件是隨冰厚的變化而變化的。由于冰排的初始彎曲破壞是促使結(jié)構(gòu)形成高頻濾波響應形態(tài)的關(guān)鍵，那么，冰排的初始彎曲破壞所形成的冰排破壞頻率距結(jié)構(gòu)的自振頻率越近，則冰載荷在與結(jié)構(gòu)自振頻率相近的低頻范圍內(nèi)形成的能量集中水平也就越高。自然，結(jié)構(gòu)對高頻激振能量的濾波功能會在上述低頻能量集中水平最高的時刻達到最佳，而結(jié)構(gòu)的動力響應也會在這一時刻達到最大水平。由此可見，臨界冰速的出現(xiàn)取決于冰排的初始彎曲破壞頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率的接近程度。冰排的彎曲破壞頻率取決于冰速與冰厚這2種基本作用條件，當冰排厚度發(fā)生變化時，導致結(jié)構(gòu)最大響應的臨界冰速也必將隨之發(fā)生變化。

圖18和圖19分別顯示了2種冰厚試驗中加速度波動范圍在3種水位工況下隨冰速的變化趨勢，可以看出：在平均水位條件下，加速度響應水平總體上隨冰速的增長而上升，這與測試時程特征分析的結(jié)論是一致的。

圖18 轉(zhuǎn)角波動范圍隨冰速的變化分布 (0°冰攻角、5年一遇目標冰厚) 圖19 轉(zhuǎn)角波動范圍隨冰速的變化分布 (0°冰攻角、百年遇目標冰厚)

4.2.2 22.5°冰攻角試驗

圖20～圖23分別為22.5°冰攻角系列試驗結(jié)果，可以看出：22.5°冰攻角系列試驗中3項響應波動范圍的變化規(guī)律與0°冰攻角系列試驗中的規(guī)律相似，區(qū)別僅在于22.5°冰攻角系列試驗的響應水平要高于0°冰攻角系列試驗。由此可見，所面臨的冰排作用方向變化并不會致使結(jié)構(gòu)振動機理及模式上發(fā)生改變，但結(jié)構(gòu)承受冰載荷的樁腿數(shù)目增多，會造成平臺結(jié)構(gòu)整體響應水平升高。

圖20 位移波動范圍隨冰速的變化分布 (22.5°冰攻角、5年一遇目標冰厚) 圖21 位移波動范圍隨冰速的變化分布 (22.5°冰攻角、百年一遇目標冰厚)

圖22 轉(zhuǎn)角波動范圍隨冰速的變化分布 (22.5°冰攻角、5年一遇目標冰厚) 圖23 轉(zhuǎn)角波動范圍隨冰速的變化分布 (22.5°冰攻角、百年一遇目標冰厚)

5 結(jié)論

(1) 非同時破壞效應的顯著程度以及影響水平隨著冰排作用速度的提升逐漸減小，并且位移響應在結(jié)構(gòu)自身的一階模態(tài)上逐漸集中。

(2) 當冰排厚度發(fā)生變化時，結(jié)構(gòu)最大響應的臨界冰速隨之發(fā)生變化。在5年一遇冰厚條件下，結(jié)構(gòu)的最大響應出現(xiàn)在22.5°冰攻角、原型冰速0.8 m/s時；在百年一遇冰厚條件下，結(jié)構(gòu)的最大響應出現(xiàn)在22.5°冰攻角、原型冰速1.1 m/s時。

[1] 段夢蘭,方華燦，陳如恒，等.渤海老二號平臺被冰推倒的調(diào)查結(jié)論[J].石油礦場機械.1994,23(3)：1-4.

[2] 黃焱.冰激海洋平臺振動的動力模型試驗研究[D].天津：天津大學,2004.

[3] HUANG Y,MA J J,TIAN Y F.Model Tests of Four-Legged Jacket Platforms in Ice:Part 1.Model Tests and Results[J].Cold Region Science &Technology,2013,95(11):74-85.

[4] HUANG Y,YU M,TIAN Y F.Model Tests of Four-Legged Jacket Platforms in Ice:Part 2.Analyses and Discussions[J].Cold Region Science &Technology,2013,95(11):86-101.

[5] SODHI D S.Crushing Failure During Ice-Structure Interaction[J].Engineering Fracture Mechanics,2001,68(17):1889-1921.

Model Test Study on Ice-Induced Vibration of Eight-Legged
Long Span Jacket Platform

ZHANG Wei1,SONG Mengran2,HUANG Yan2,MA Juncheng1

(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China； 2.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Because the research on ice induced vibration of flexible structures with large span of jacket platform is not sufficient,a series of model tests on the ice-induced vibration of an eight-legged conical structure jacket platform in the Bohai Sea are researched.It can be found that the platform in different ice angle of attack,ice velocity,ice thickness and water level has big differences of vibration types and response level.Under the condition of ice thickness generated every 5 years,the maximum response of the structure appeared in the 22.5° angle of ice attack with the prototype ice speed of 0.8 m/s.Under the condition of ice thickness generated every 100 years,the maximum response of the structure appeared in the 22.5° angle of ice attack with the prototype ice speed of 1.1 m/s.It has positive significance on solving the engineering specific problem.

conical structure；jacket platform；ice-induced vibration；model test

2016-11-09

張 偉(1982-)，男，工程師

1001-4500(2017)03-0086-07

U65

A