張力腿筋腱樁基水平安裝誤差影響分析

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(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，深圳 518000；2.中國船級社海工技術(shù)中心，北京 100007)

張力腿筋腱樁基水平安裝誤差影響分析

高靜坤1，王一江1，梁園華2，韋斯俊2，孫政策2

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，深圳 518000；2.中國船級社海工技術(shù)中心，北京 100007)

在設(shè)計海況下，計算張力腿平臺筋腱樁基在不同水平安裝誤差情況下的張力時歷，由此得到樁基水平安裝誤差距離與張力關(guān)系，根據(jù)該結(jié)果計算不同重現(xiàn)期海況中筋腱樁基水平安裝誤差對張力的修正值。根據(jù)整體性能分析得到的張力結(jié)果對筋腱強度進行校核，同時考慮安裝誤差修正項的影響。認為，在進行整體性能的筋腱張力和強度分析時，考慮筋腱樁基水平安裝誤差很重要。

張力腿平臺；筋腱樁基；安裝誤差；修正

目前用于張力腿平臺(TLP)錨固基礎(chǔ)形式包括樁基、重力式基礎(chǔ)、吸力基礎(chǔ)、淺基礎(chǔ)等，也可以是各種基礎(chǔ)形式的組合[1-3]。筋腱將平臺和樁基礎(chǔ)連接，平臺主體受到的載荷通過筋腱傳遞到樁基礎(chǔ)進而傳遞給地基。張力腿筋腱可以直接與樁基礎(chǔ)連接，也可以通過基盤與樁基連接，組成獨立式的群樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)不僅受到張力筋腱的拔拉力，且作為置于海洋中的結(jié)構(gòu)承受著包括地震等各種載荷。樁基礎(chǔ)的設(shè)計選擇及其安裝制造方法對張力腿平臺整體的工作性能有極大的影響[4]。樁基安裝精度也會影響張力筋腱載荷傳遞，從而影響張力腿平臺在復雜海洋環(huán)境載荷中的整體性能。目前，國內(nèi)的研究更多地關(guān)注樁基礎(chǔ)在海底受到土壤作用對其結(jié)構(gòu)的影響[5-6]。而關(guān)于樁基安裝對筋腱及平臺性能的研究較少。針對TLP采用筋腱直接與樁基礎(chǔ)連接的形式，聯(lián)合利用水動力分析軟件HARP和海洋工程分析軟件Orcaflex，以中國南海海域?qū)λ钤?00 m左右某潛在開發(fā)油田為例，對張力腿筋腱樁基水平誤差影響進行分析。

1 計算原理和方法

1.1 耦合計算原理

TLP整體性能采用時域耦合方法進行模擬，首先使用頻域方法計算平臺水動力系數(shù)和波浪激勵力，然后與張力腿筋腱和立管系統(tǒng)耦合進行時域動態(tài)求解。平臺的一、二階波浪激勵力、附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)都可以在頻域內(nèi)求解，然后整個TLP系統(tǒng)的耦合動力計算可在時域內(nèi)進行。TLP系統(tǒng)的時域運動方程為[7]

(1)

式中：M表示廣義質(zhì)量矩陣；A∞表示無窮頻率附加質(zhì)量矩陣；X表示平臺位移矢量；K(t)表示延遲函數(shù)矩陣；D表示線性阻尼系數(shù)矩陣；C表示平臺回復力系數(shù)矩陣。方程右邊的外力FExternal(t)可以寫為

FExternal(t)=F1st(t)+F2nd(t)+Fwind(t)+

Fcurrent(t)+Fmoor(t)

(2)

式中：F1st(t)和F2nd(t)分別為一、二階波激力；Fwind(t)為風力；Fcurrent(t)為流力；Fmoor(t)為筋腱、立管系統(tǒng)的回復力。

方程(1)中的水動力系數(shù)和波浪激勵力等可根據(jù)三維勢流理論求得，再通過傅里葉逆變換得到時域的結(jié)果，求解時域耦合運動方程即可得到TLP整體性能。本文利用HARP完成TLP的動態(tài)耦合計算。

1.2 筋腱強度校核方法

TLP筋腱強度校核分析目的是對在位狀態(tài)下的平臺系泊筋腱的強度進行校核，確保筋腱在設(shè)計環(huán)境條件下滿足要求。根據(jù)API RP 2T中的推薦作法，需計算A、B、S 3個安全等級的筋腱利用比因子(UR)和相互作用比因子(IR)來校核其強度是否滿足要求。

根據(jù)API RP 2T，可以依據(jù)工作應(yīng)力法(WSD)和載荷抗力法(LRFD)計算筋腱利用比因子UR和相互作用比因子IR，UR和IR應(yīng)小于1。

1.2.1 WSD法

IR=A2+B2η+0.6|A|B≤1.0

(3)

UR=A=(ft+fb)SFt/Fy

(4)

B=fhSFC/Fhc

(5)

η=5-4Fhc/Fy

(6)

式中：ft為張力引起的筋腱軸向拉伸應(yīng)力；fb為彎矩引起的筋腱彎曲應(yīng)力；fh為靜水壓力引起的筋腱環(huán)向應(yīng)力；Fhc為臨界環(huán)向屈曲應(yīng)力。

筋腱彈性環(huán)向屈曲應(yīng)力Fhe為

Fhe=0.88E(t/D)2

(7)

式中：D為筋腱外徑；t為筋腱壁厚；E為筋腱材料彈性模量。

如果Fhe<0.55Fy(彈性屈曲)，F(xiàn)hc=Fhe。

如果Fhe≥0.55Fy(非彈性屈曲)，

Fhc=0.7Fy(Fhe/Fy)0.4≤Fy。

公式中的張力安全系數(shù)SFt和靜水力壓潰系數(shù)SFC，可以根據(jù)API RP 2T選取。

1.2.2 LRFD法

IR=A2+B2η+0.6|A|B≤1.0

(8)

A=(ft+fb)/(φtFy)

(9)

B=fh/(φhFhc)

(10)

公式中的系數(shù)與WSD法一致。校核過程中筋腱張力按下式進行計算。

T=L1Tmargin+L2Tpre+L3(Ttide+Tmean+Tdyn)

(11)

式中：Tmargin為張力余度修正，包括筋腱樁基水平安裝誤差；Tpre為筋腱預(yù)張力；Ttide為筋腱張力的潮汐修正；Tmean為平均環(huán)境載荷引起的平均筋腱張力；Tdyn為動態(tài)張力響應(yīng)部分。

式(11)中的載荷和抗力因子可以根據(jù)API RP 2T選取。

2 數(shù)值計算模型

2.1 筋腱參數(shù)

張力腿平臺每個立柱上設(shè)計布置2根張力腿筋腱，總共8根。張力腿筋腱由不同部分的圓柱形鋼管密封而成，每根筋腱由頂部、底部連接段和若干段長度相同的主體段構(gòu)成。頂部連接段用于筋腱與平臺Porch連接固定，底部連接段用于筋腱與樁基接收器的連接，主體段將頂部和底部連接段在海水中連接成完整的張力腿筋腱。筋腱參數(shù)和安裝坐標見表1。

表1 張力腿平臺筋腱參數(shù)及導覽孔坐標

2.2 數(shù)值計算模型

張力腿平臺系統(tǒng)的動態(tài)耦合分析需要利用HARP軟件完成，在HARP中建立張力腿平臺與筋腱、立管系統(tǒng)的耦合模型，見圖1。利用Orcaflex進行樁基水平安裝誤差分析和筋腱強度分析，數(shù)值模型見圖2。根據(jù)HARP耦合計算結(jié)果篩選出張力最大的#1號和#5號筋腱作為分析的關(guān)鍵筋腱。

圖1 張力腿平臺耦合分析模型

圖2 張力腿平臺筋腱樁基誤差和強度分析模型

3 計算結(jié)果

3.1 筋腱樁基水平安裝誤差對筋腱張力的影響

在進行樁基安裝誤差分析時，假設(shè)樁基安裝誤差變化范圍在0.15～0.90 m，間隔0.15 m，計算張力腿平臺在不同設(shè)計海況下，不同安裝誤差的筋腱張力時歷結(jié)果。樁基誤差對筋腱預(yù)張力的影響見圖3，樁基安裝偏離設(shè)計位置越遠，安裝誤差越大，筋腱預(yù)張力較設(shè)計初始預(yù)張力逐漸增大。

圖3 樁基水平誤差對筋腱預(yù)張力影響

各設(shè)計海況中筋腱樁基水平誤差影響結(jié)果見圖4～6。圖4～6中“max變化值”表示有安裝誤差的張力最大值與準確安裝張力最大值的差值，“min變化值”表示有安裝誤差的張力最小值與準確安裝張力最小值的差值。“max變化率”等于“max變化值”與準確安裝張力最大值的比值，“min變化率”等于“min變化值”與準確安裝張力最小值的比值。

圖4 一年一遇海況中樁基水平誤差對筋腱張力極值影響

圖5 百年一遇海況中樁基水平誤差對筋腱張力極值影響

圖6 千年一遇海況中樁基水平誤差對筋腱張力極值影響

由圖4～6可見，同樣的安裝誤差量，在不同的海況中導致張力最大值和最小值變化不一樣：例如，對于0.30 m(1 ft)樁基水平安裝誤差，一年一遇海況張力最大值變化81.1 mTon，百年一遇海況張力最大值變化206.3 mTon，千年一遇海況張力最大值變化265.8 mTon。由此可見，同樣的安裝誤差，越惡劣的海況筋腱張力極值變化越大。

在海況不變的情況下，安裝誤差量越大對筋腱張力極值的影響越大：一年一遇海況中，最大值變化率由1.74%增大為10.81%，最小值變化率由1.53%增大為10.35%；百年一遇海況中，最大值變化率由3.38%增大為20.73%，最小值變化率由4.09%增大為24.73%；千年一遇海況中，最大值變化率由3.66%增大為22.63%，最小值變化率由2.77%增大為23.33%。

3.2 筋腱強度校核分析

由方程(11)可知，筋腱張力分量Tmargin包括筋腱樁基水平安裝誤差。在筋腱強度校核時，需要考慮樁基水平安裝誤差影響，根據(jù)3.1結(jié)果對張力進行修正。校核筋腱強度時，考慮樁基安裝誤差為0.30 m和0.60 m的余度修正。例如，0.30 m安裝誤差修正：對于一年一遇海況Tmargin增加81.1 mTon余度修正，百年一遇海況Tmargin增加206.3 mTon余度修正，千年一遇海況Tmargin增加265.8 mTon余度修正。

考慮樁基安裝誤差后筋腱強度校核結(jié)果見表2，圖7為筋腱強度校核得到的利用比因子UR和相互作用比因子IR沿筋腱高度方向的變化。由表2可見，在校核筋腱強度時考慮樁基水平安裝誤差修正計算得到的校核系數(shù)UR和IR要大于沒有誤差修正的值。同樣的誤差水平，海況條件越惡劣，誤差對筋腱強度的影響越大。例如，按照WSD法計算UR，考慮安裝誤差計算得到的因子要大4%～9%。如果沒有誤差修正，計算得到的UR和IR值達到0.95，那么考慮樁基安裝誤差后校核的結(jié)果就無法滿足設(shè)計要求。所以在設(shè)計階段，筋腱強度校核時考慮樁基水平安裝誤差修正，是一個更為合理安全的做法。由圖7可見，校核計算得到的UR和IR在每個連接處會發(fā)生突變，原因是整根筋腱由不同部分連接而成，在每個連接處因為截面不一致，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，在強度校核時更應(yīng)注意。

表2 筋腱強度校核結(jié)果

圖7 樁基水平誤差0.3 m筋腱強度校核結(jié)果——UR和IR沿筋腱長度分布

4 結(jié)論

1)樁基水平安裝誤差對筋腱張力極值的影響不可忽略，樁基水平安裝誤差能顯著增大筋腱頂部最大張力或者減小筋腱底部最小張力。同樣的安裝誤差，海況越惡劣，筋腱張力極值受到的影響越大，在設(shè)計時應(yīng)需加以重視。

2)在進行筋腱強度校核時，樁基水平安裝誤差修正項對校核系數(shù)利用比因子UR和相互作用比因子IR的影響顯著，尤其對極限工況和自存工況下筋腱強度校核結(jié)果的影響更為明顯。設(shè)計階段，筋腱強度校核時考慮樁基水平安裝誤差修正，是一個更為合理、安全的做法。

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The Effect of Horizontal Installation Error for TLP Tendon Pile

GAOJing-kun1,WANGYi-jiang1,LIANGYuan-hua2,WEISi-jun2,SUNZheng-ce2

(1.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd., Shenzhen Guangdong 518000, China; 2.CCS Ocean Engineering Technology Research and Development Center, Beijing 100007, China)

The TLP motions in designed sea states were simulated and tendon tension time history results were obtained with various pile installation errors to investigate the relation between installation error and tendon tension. The corrections about tendon tension were decided by the relation between installation error and tendon tension. The tendon strength was analyzed by considering the tendon pile installation error corrections. The results showed that it is necessary to consider pile installation corrections when calculating tendon tension in global performance analysis and performing tendon strength analysis.

tension leg platform; tendon pile; installation error; correction

P751

A

1671-7953(2017)05-0090-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.025

2016-11-09

修回日期：2016-11-28

工信部“500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”專項經(jīng)費資助

高靜坤(1975—)，男，碩士，高級工程師

研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計及工程管理