海生物對(duì)南海導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

胡永明，趙佳寧，王子堂

（海洋石油工程股份有限公司 天津300451）

0 引 言

導(dǎo)管架平臺(tái)安裝就位后，海生物在結(jié)構(gòu)表面附著并持續(xù)生長(zhǎng)。海生物的種類將近 600種，主要包含硬質(zhì)的貝殼以及軟質(zhì)的海草，其中硬質(zhì)海生物密度（干基）為 1300～1400kg/m3。海生物的存在會(huì)增加平臺(tái)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并且增大結(jié)構(gòu)桿件尺寸，從而加大波浪、海流對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力。

目前我國(guó)南海平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)均考慮一定的海生物厚度，以保證平臺(tái)服役期內(nèi)的安全。部分平臺(tái)安裝了防海生物裝置[1-2]或在結(jié)構(gòu)表面涂敷特殊涂層，限制海生物的生長(zhǎng)。但部分平臺(tái)的海生物檢測(cè)結(jié)果表明，硬質(zhì)海生物在幾年之內(nèi)就能生長(zhǎng)到50～60mm甚至更高，使平臺(tái)結(jié)構(gòu)部分區(qū)域海生物厚度超過設(shè)計(jì)值。因此，有必要研究海生物的實(shí)際厚度對(duì)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，根據(jù)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平及樁基礎(chǔ)承載力制定合理的海生物清理方案，保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全。

1 海生物影響計(jì)算方法

1.1 海生物質(zhì)量

導(dǎo)管架主要由圓管組成，單根圓管結(jié)構(gòu)上單位長(zhǎng)度海生物的質(zhì)量可通過以下公式計(jì)算：

式中：D 為光滑桿件外徑；tm為海生物平均厚度；ρm為海生物密度；ρw為海水密度。

實(shí)際測(cè)量時(shí)采用鋼尺測(cè)量桿件不同位置處的周長(zhǎng)，取平均值，再計(jì)算海生物平均厚度。

1.2 波流荷載

單根桿件單位長(zhǎng)度的波流荷載采用莫里森方程[3]進(jìn)行計(jì)算：

式中：CD為拖曳力系數(shù)；w為海水重力密度；g為重力加速度；A為桿件在荷載方向上單位長(zhǎng)度的投影面積，對(duì)于圓管等于包含海生物在內(nèi)的有效直徑，A = D + 2 ×tm；U為水質(zhì)點(diǎn)速度；Cm為慣性力系數(shù)；V為桿件單位長(zhǎng)度排開水的體積，圓管為水質(zhì)點(diǎn)加速度。

海生物的存在會(huì)影響拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)[4]，API規(guī)范[3]建議平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)按表 1取值。

表1 拖曳力系數(shù)與慣性力系數(shù)Tab.1 Drag and inertia coefficients

2 工程實(shí)例

2.1 海生物厚度

選取我國(guó)南海某平臺(tái)，研究海生物對(duì)平臺(tái)質(zhì)量、水平環(huán)境力以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。該平臺(tái)為固定式導(dǎo)管架平臺(tái)，8腿 12裙樁，水深 199m，2009年投產(chǎn)。原始設(shè)計(jì)時(shí)采用的海生物厚度如表2所示。

表2 海生物設(shè)計(jì)厚度Tab.2 Design marine growth thickness

在 2014年進(jìn)行了水下海生物測(cè)量，結(jié)果如表 3所示。

從測(cè)量結(jié)果可以看出，海生物厚度超過了原始設(shè)計(jì)值，水深 28～98m 測(cè)量值與設(shè)計(jì)值相差較大。2014年測(cè)量完成后清除了水深 0～35m范圍內(nèi)的海生物。根據(jù)《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》，我國(guó)海上固定平臺(tái)水下檢測(cè)周期一般為 5年。為了確定下一次水下檢測(cè)即2019年時(shí)海生物是否需要清理以及清理范圍，分析表4～6所示情況。

表3 海生物實(shí)測(cè)厚度Tab.3 Measured marine growth thickness

表4 一直不清理情況下海生物厚度Tab.4 No marine growth removal

表5 每5年清理0～35m水深下海生物厚度Tab.5 Remove marine growth 0～35m per 5 years

對(duì)表 4～6中 2019年及 2024年海生物厚度在2014年清理后的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)，假定水深0～50m海生物每年增長(zhǎng)10mm，水深50～100m海生物每年增長(zhǎng) 3mm，水深 100m～泥面海生物每年增長(zhǎng)2mm。

表6 每5年清理0～50m水深下海生物厚度Tab.6 Remove marine growth 0～50m per 5 years

2.2 分析結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，該平臺(tái)在 2014年清理海生物前，海生物質(zhì)量（濕基）約 818t，百年一遇工況下海生物引起的波流力約 370t，占平臺(tái)受到的總波流力的5.5%。分析結(jié)果（表 7）顯示，如果不清理海生物，結(jié)構(gòu)應(yīng)力持續(xù)增加，樁基礎(chǔ)承載力安全系數(shù)降低，到2024年會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力比超1且承載力安全系數(shù)不滿足要求。定期清理海生物將有效控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平并保證極端工況下基礎(chǔ)承載力安全系數(shù)大于 1.5，綜合考慮平臺(tái)的應(yīng)力水平和清理難度，建議定期清理水深0～35m范圍的海生物。

表7 導(dǎo)管架強(qiáng)度分析結(jié)果Tab.7 Jacket structural strength analysis results

3 結(jié) 論

通過以上海生物影響分析，本文主要得出如下結(jié)論，可供南海導(dǎo)管架平臺(tái)檢測(cè)和完整性管理參考。

①平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮一定的海生物厚度，有些平臺(tái)會(huì)在潮差帶安裝防海生物裝置，控制海生物的最大厚度。但部分平臺(tái)檢測(cè)資料顯示，實(shí)際海生物厚度可能會(huì)超過設(shè)計(jì)值，水深超過 50m 區(qū)域也可能會(huì)有海生物大量生長(zhǎng)，防海生物裝置也會(huì)因?yàn)楹Ｉ锷L(zhǎng)或其他因素失去效用。因此有必要定期監(jiān)測(cè)海生物的生長(zhǎng)狀態(tài)。

②海生物生長(zhǎng)速度無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，一般認(rèn)為平臺(tái)安裝初期生長(zhǎng)較快，隨后生長(zhǎng)速度減慢。海生物最大厚度也沒有明確規(guī)律，根據(jù)目前我國(guó)南海部分平臺(tái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，局部硬質(zhì)海生物可達(dá) 80～100mm，軟質(zhì)海生物可達(dá)200mm以上。目前僅考慮了硬質(zhì)海生物的影響，軟質(zhì)海生物還有待進(jìn)一步研究。

③南海固定平臺(tái)由于水深較大，水深超過 50m后部分水下作業(yè)需要?jiǎng)佑蔑柡蜐撍M(fèi)用很高。由于平臺(tái)在水面附近受到的波流荷載較大，目前南海固定平臺(tái)一般會(huì)清理水深 0～35m 范圍內(nèi)的海生物。當(dāng)深水區(qū)海生物生長(zhǎng)嚴(yán)重時(shí)，可根據(jù)平臺(tái)實(shí)際情況清理0～50m范圍或考慮采用水下機(jī)器人ROV清理深水區(qū)結(jié)構(gòu)外表面的海生物。