海洋導管架平臺結構極限強度分析方法

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(中海石油(中國)有限公司 惠州作業(yè)公司,深圳 518000)

0 引 言

自20世紀80年代以來，我國海上石油工業(yè)飛速發(fā)展，在渤海、東海和南海海域約有近200座固定式導管架平臺。在平臺的設計階段，通?？紤]100年一遇(對于渤海海域也可采用50年一遇)的環(huán)境載荷與相應的功能載荷疊加，校核結構的完整性。該設計方法屬于線形響應分析方法。但是，隨著近年來異常環(huán)境事件的頻繁出現(xiàn)和服役年限的增加、平臺水下構件的腐蝕、地基總體或局部的沖刷、平臺構件的機械損傷、節(jié)點疲勞損傷等結構退化帶來的不利影響使平臺結構的風險大大增加。因此，需要對老舊平臺導管架結構進行極限強度評估，極限強度評估的主要目的在于確認平臺導管架結構剩余強度，這與結構固有的魯棒特性密切相關。通常，這種極限強度分析稱為非線性倒塌分析?；谘芯砍晒I(yè)界結合長期的運營經(jīng)驗編制了非線性倒塌分析的設計規(guī)范/指南，例如：ISO 19902，API 2A WSD，NORSOK N-006等。目前，國內(nèi)的固定式導管架設計主要采用API 2A WSD作為主要設計規(guī)范，該規(guī)范中提出強度儲備系數(shù)(Ration of Reserve Strength,RSR)的概念。RSR的基本定義是平臺極限側向載荷能力與100年環(huán)境載荷的比值。根據(jù)API RP 2A規(guī)范，如果結構不能通過設計水平結構分析(即線性分析)，則可采用非線性倒塌分析評估結構的承載能力和安全裕度。 相比線性分析，非線性分析更復雜，這對分析工程師和采用分析結論作工程判斷的關鍵技術人員提出了更高的技術要求。

本文基于非線性倒塌分析的要點和注意事項進行定性討論，為采用非線性分析評估老舊平臺提供參考，并以中國南海的某典型的導管架平臺為例，研究采用SACS軟件進行非線性倒塌分析的基本流程和注意事項。

1 非線性倒塌分析中考慮的非線性

非線性倒塌分析中的非線性一般指結構材料非線性和大變形致結構響應非線性。

圖1 材料非線性

1.1 結構材料非線性

非線性結構分析需要根據(jù)結構最終失效的情況評價當前結構的完整性狀態(tài)，故其分析中主要結構的應力一般會超過材料屈服限而進入塑性應變區(qū)間。在這種情況下，需要在分析中保守且合理地設置材料的彈塑性屬性。復雜的非線性分析須相對準確地模擬材料屬性，定義如圖1實線所示的材料模型。在一般的靜態(tài)結構非線性分析中，基于算法簡化和保守起見，忽略材料硬化過程而直接采用如圖1中虛線所示的簡化模型。

1.2 大變形非線性

在平臺結構的極限能力分析中，由于平臺結構整體側向變形而引起的二次載荷非常明顯，由于平臺重力的影響，表現(xiàn)為基底傾覆彎矩隨變形顯著增加；而這種結構變形導致的附加載荷在線性分析中可忽略。另外在計算結構桿件抗屈曲能力時，其計算一般不是根據(jù)經(jīng)典的歐拉臨界原理，而是直接模擬結構可能的初始缺陷，這也為結構分析帶來挑戰(zhàn)，需要在分析中予以正確地模擬和處理。

2 非線性倒塌分析的結構模擬

非線性倒塌分析的模型一般可以由在位分析模型轉化得到，但是由于結構非線性分析的特殊要求，須對模型進行相關簡化和特殊處理。

首先，為減少非線性分析的復雜性，提高分析效率，減少二級構件對非線性迭代計算的影響，一般不把整個平臺結構作為非線性結構的分析對象。根據(jù)分析的主要目的，整體倒塌分析主要關注導管架結構的能力，而是將上部相關結構直接模擬為線性結構，同理導管架附件以及次要結構也須模擬為線性結構。綜合相關經(jīng)驗，建議結構材料非線性模擬的要求為：上部組塊結構為線性材料；導管架附件為線性材料或從模型中剔除；導管架樁腿為非線性材料；導管架水平撐和斜撐為非線性+屈曲初始缺陷；樁土作用為非線性彈簧；鋼樁為非線性材料。

模型簡化的另一個基本原則是不影響結構總體剛度、載荷和傳遞路徑。簡化后需要重新確認載荷，與線性分析的結果進行對比分析，并作相應調(diào)整。此外，非線性分析的結果與結構的模擬有直接關系，在進行結構模擬的同時，必須對可能的失效模式有清晰的認識并根據(jù)其失效模式特點調(diào)整結構模擬。

3 非線性結構分析要點

3.1 圓管截面承載能力

考慮到導管架主要結構均為圓管結構，在結構分析時必須對圓管結構的特點和失效模式進行分析，不僅需要考慮其最大承載能力，還要注意其不同失效模式之間的相互影響，如結構屈服后的截面穩(wěn)定性、薄壁管截面局部屈曲、非充水桿件的靜水壓力。

3.2 結構屈曲能力

導管架結構體系的水平撐和斜撐結構一般應用其截面拉壓能力，故其截面屈曲一般在非線性倒塌分析中是最典型的失效模式。為準確分析結構的屈曲，需要對結構件的屈曲計算長度和在最不利受力平面內(nèi)的初始缺陷進行準確的分析。

3.3 管節(jié)點能力

在非線性倒塌分析中，必須分析管節(jié)點的能力，由于API規(guī)范設計的鋼結構沒有強節(jié)點設計要求，故有可能節(jié)點先于結構失效進而導致系統(tǒng)失效。

3.4 載荷步設置

載荷步的設置對結構的非線性響應有較大影響，過小的載荷步會影響分析效率，而過大的載荷步會跳過個別失效模式，過高地估計結構的能力。應該依據(jù)結構可能的失效模式進行敏感性分析，確定合理的載荷步設置。

3.5 可能的甲板上浪

在設計時，如果下甲板高度過低或者平臺運行時間過長，平臺可能產(chǎn)生下沉。在風暴工況時，波浪波峰會高于下甲板標高，產(chǎn)生波浪拍擊甲板荷載，API RP 2A和API RP 2SIM規(guī)范中都給出了簡單預測作用在平臺甲板上的整體波浪力的方法[1]。如果可能出現(xiàn)甲板上浪，波浪載荷增加非常大，直接影響導管架的整體能力。

4 計算實例

4.1 接受標準

由于所分析平臺結構設計主要依據(jù)的是API RP 2A WSD規(guī)范，本文算例得到的RSR必須滿足該規(guī)范的要求。

4.2 極限強度分析的載荷

極限強度分析有：

圖2 P-Delta效應示意圖

(1) 自重荷載。自重荷載包括導管架和組塊結構重量荷載、 導管架附屬構件荷載、組塊設備荷載和導管架所受浮力。

(2) 風、波、流荷載。風、波、流荷載在極限強度分析中為控制荷載，波浪又為三者中的主導荷載。在一般情況下，應選擇風暴條件中的特定波高以及相應的流、風荷載。在分析中的波浪運動系數(shù)、波流阻擋系數(shù)、拖曳力系數(shù)及慣性力系數(shù)選擇與API RP 2A中相同[1]。但是，波浪參數(shù)在各個方向可能不同，在極限強度分析中也應考慮，這樣可以更加精確地計算平臺的承載能力。

(3) P-Delta效應荷載。P-Delta(P指豎向荷載；Delta為水平位移)效果是指平臺在同時受到水平力和軸力作用時，在水平力作用下產(chǎn)生的位移和軸力組合產(chǎn)生附加彎矩的效果[2-3]。固定平臺在達到極限狀態(tài)下的水平位移較大，產(chǎn)生的附加彎矩也較大、P-Delta效應對平臺的極限承載能力也會產(chǎn)生影響，在極限強度分析中應重點考慮[4]。圖2為P-Delta效應示意圖。

4.3 主要的分析過程

非線性分析的主要步驟為：(1)建立導管架模型和組塊模型，組塊上施加設備荷載；(2)施加重力荷載、活荷載、浮力荷載，這些與重力相關的荷載在極限強度分析時是恒定的；(3)為極限強度分析選擇海洋環(huán)境條件，一般波浪條件為控制工況，風、流與其統(tǒng)一(風一般在小于15 m水深時作為控制工況)，通常在極限強度分析中選擇100年一遇環(huán)境條件；(4)確定是否有甲板上浪問題，如存在，則按照API 2A WSD規(guī)范的相關規(guī)定進行計算；(5)在程序中設定P-Delta效應荷載，隨著結構位移的增大，荷載效應逐步增大；(6)施加最初荷載，即將前4步的荷載施加到模型上，以上所提到的載荷都施加1倍力，作為極限強度分析的最初荷載；(7)垂向荷載保持恒定，水平荷載以逐漸遞增的方式施加至結構上，直至結構發(fā)生倒塌。

圖3 結構模型

結構進入倒塌狀態(tài)的判斷準則為：導管架樁腿和樁進入塑性狀態(tài)，基礎土壤發(fā)生破壞，結構桿件發(fā)生大變形。分別對不同方向進行分析，分析完成后統(tǒng)計各個方向的RSR是否滿足規(guī)范要求，一般須大于1.6。

4.4 平臺概述

HZ26-1導管架平臺主要由組塊、導管架和樁3部分組成，平臺作業(yè)水深為112 m。平臺導管架為8腿12裙樁結構型式，樁通過導管架打入海底土壤中。導管架頂部標高為EL+6.5 m，在此標高處通過8個工作點支撐平臺甲板結構。平臺組塊包括2層甲板式結構，即上甲板和下甲板，各層甲板標高分別為EL+27.09 m和EL+19.47 m。甲板上有吊機結構、火炬臂結構等。整體結構模型如圖3所示。

4.5 環(huán)境參數(shù)

HZ26-1平臺選用環(huán)境條件為百年一遇條件，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同材質管線沖洗和試壓過程中的水質情況

4.6 荷載描述

在HZ26-1導管架平臺極限強度分析中，荷載可分為2部分，即固定荷載和可變荷載。固定荷載包括：導管架自重、導管架附屬結構重量、組塊重量、組塊設備荷載、活荷載?？勺兒奢d包括：風、波、流環(huán)境荷載。固定荷載在計算中是恒定不變的，可變荷載以逐漸遞增的方式施加到結構上。

倒塌分析采用的環(huán)境條件為百年一遇最大波浪+對應流和風，共考慮8個方向：0°，63°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。在倒塌分析過程中，對結構作如下假定：組塊次梁、火炬臂、隔水套管、立管靠船件為彈性構件，即在整個分析過程中都在彈性范圍內(nèi)；應變率為0.5%。

4.7 分析結果

當環(huán)境荷載加載到一定程度時，結構會達到倒塌原則，以90°方向為例，當環(huán)境荷載加載至2.17倍時，x向位移驟然增大，樁基發(fā)生塑性破壞，發(fā)生倒塌。倒塌數(shù)據(jù)見表2。

表2 倒塌數(shù)據(jù)

續(xù)表2 倒塌數(shù)據(jù)

圖5 載荷系數(shù)與整體位移的關系曲線

極限強度分析RSR與位移關系如圖5所示，可以看出：當RSR達到2.17后，位移持續(xù)變大，說明平臺已經(jīng)倒塌。

由結構變形失效結果可知：平臺樁腿與斜撐桿件逐漸達到塑性破壞，在RSR達到2.14時，平臺已經(jīng)達到極限強度，如果RSR再次增大，平臺倒塌。

5 結 語

非線性倒塌分析是評估固定式海洋平臺結構完整性的有效工具，通過該分析可以得到所分析平臺導管架的RSR，可以定量地確認平臺的安全余量，為結構完整性的維護做理論支持。

非線性分析不同于線性分析，其分析結果在很大程度上取決于對材料和結構失效模式特點的把握。可靠的非線性分析需要通過多次的分析計算并根據(jù)分析結果調(diào)整分析輸入。采用SACS進行結構分析時，針對細長桿件的屈曲能力的分析必須非常注意，如果結構參數(shù)設置不合理，可能導致高估結構的能力。

[1] Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[M].2007.

[2] Ultimate Limit Strength (ULS) of Fixed Offshore Platforms[M].Chevron,2007.

[3] 李潤培,王志農(nóng).海洋平臺強度分析[M].上海:上海交通大學出版社,1992.

[4] 陳新權.導管架平臺環(huán)境荷載計算及強度分析[D].上海:上海交通大學,2004.