導管架平臺冰振特征分析及冰振風險應對措施

吳奇兵，張士超

中海油安全技術服務有限公司，天津 300450

渤海遼東灣海域冬季冰情嚴重，海冰在導管架平臺的堆積及其對平臺結(jié)構(gòu)的撞擊給海洋石油開發(fā)生產(chǎn)帶來諸多安全隱患[1]。其中持續(xù)的冰激振動可引起平臺劇烈振動，長久作用下甚至會引發(fā)結(jié)構(gòu)失效。趙海培等[2-3]運用仿真計算分析了固定式平臺的自振特征，王譯鶴等[4-5]利用振動監(jiān)測技術實地監(jiān)測平臺區(qū)域的冰激頻率。但目前研究重點多在振動機理及振動特征的研究方面，關于冰振作用下平臺的預防性應對措施研究較少且不夠完善[6-7]。本文以遼東灣某導管架平臺為例，利用有限元方法進行模態(tài)分析，計算結(jié)構(gòu)的自振頻率等動力特性，結(jié)合平臺結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測響應分析振動風險，為有效避免共振所帶來的結(jié)構(gòu)損傷和破壞提供參考依據(jù)。此外針對遼東灣海冰期冰情特點，提出了多種操作性強的風險應對措施。

1 冰振作用下平臺動力特性分析

1.1 平臺自振特征分析

要研究導管架采油平臺在海冰作用下的動力特性，主要通過有限元方法進行平臺的模態(tài)計算[8]。由于目標平臺模型復雜，且包含大變形的幾何非線性計算，因此選用ABAQUS軟件進行分析，其強大的非線性求解能力可以很好地解決計算模型不收斂問題。

1.1.1 平臺模型建立

C平臺是一座常見的4腿4主樁導管架鋼結(jié)構(gòu)井口平臺，設計工作水深為7.5 m。平臺現(xiàn)場實況見圖1，共設置工作甲板、下層甲板、中層甲板和上層甲板四層。上層甲板尺寸為38.5 m×28 m，標高EL.+28.5 m（相對海圖基準面，以下同）；中層甲板尺寸為28 m×34.5 m，標高EL.+23.5 m；下層甲板尺寸為33m×28m，標高EL.+17m；工作甲板尺寸為21.5 m×21 m，標高EL.+12 m。生活樓安置于上層甲板。建立的三維模型見圖2。位于A軸的兩條導管架腿柱為雙斜，B軸的兩條導管架腿柱為單斜，正面投影的斜度是10∶1；4根樁的直徑是1 829 mm，預計入土深度為80 m。在平臺井槽區(qū)布置有20根隔水套管，直徑是610 mm，預計入土深度50 m。該導管架平臺結(jié)構(gòu)為典型的空間板梁組合結(jié)構(gòu)，建模時忽略附屬部件，所有梁、筋、肋等均與實際結(jié)構(gòu)保持一致。

圖1 C平臺實況

圖2 C平臺三維結(jié)構(gòu)模型

平臺通過鋼樁固定在海基上，其樁腿與土的相互作用直接影響到平臺的振動形式。因此，模型建立的一個重要工作是要確定樁腿的約束方式，它直接影響到模型計算的準確性和精度。有些學者給樁腿施加彈簧約束來模擬與土的作用，本文采用將其嵌固點取泥線以下6～8倍樁徑距離這種普遍的約束方式。這種約束方式在滿足模型計算精度要求的前提下，極大簡化了結(jié)構(gòu)模型，減少了計算成本。

1.1.2 平臺模態(tài)分析

采用ABAQUS/Standard模塊自帶的子空間迭代法進行模態(tài)計算分析，用來研究C平臺的自由振動特點。使用Frequency模態(tài)分析模塊，利用振型疊加方法、線性攝動分析步提取特征值，計算導管架結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。由于導管架平臺整體剛度較大，因此其振動頻率較低。由于對運動起主導作用的只是前面的幾階模態(tài)，為了減小計算規(guī)模，在此分析其前8階的振型及固有頻率。前8階振型見圖3，前8階自振頻率見表1。

從前8階振型圖中可以看出，C平臺結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)繞Y軸扭轉(zhuǎn)，第二階模態(tài)沿X向偏移振動，第三階模態(tài)繞Y軸呈與第一階模態(tài)相反方向的扭轉(zhuǎn)。此外在平臺前6階振動中，直升機甲板邊緣上均存在較大的振動變形。通過對導管架平臺的模態(tài)分析，可知振動變形的主要原因是平臺局部剛度不足。因此在結(jié)構(gòu)抗震設計中應充分考慮前幾階模態(tài)的影響，應適當增大已建平臺的剛度，進而增加結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)移的能力，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1.2 平臺振動風險分析

為評估導管架平臺實際振動特征，針對渤海遼東灣抗冰導管架平臺的冰振風險，對海冰引起的災害隱患進行冰振監(jiān)測。以C平臺為例，通過建立在平臺上的監(jiān)測系統(tǒng)（振動傳感器）測量平臺甲板加速度值。具體實施方式是將振動測量儀器布置在相應位置，利用振動傳感器監(jiān)測采集海冰對結(jié)構(gòu)造成振動的振動數(shù)據(jù)。C平臺振動監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。

由表1可知，計算的一階固有頻率（基頻）為1.416 4 Hz，而由圖4可知，現(xiàn)場監(jiān)測的冰振頻率為1.391 6 Hz，可見海冰的冰激頻率與平臺結(jié)構(gòu)基頻十分相近，因此冰情嚴重時不可避免地會產(chǎn)生強烈的共振現(xiàn)象，進而對海洋平臺結(jié)構(gòu)造成振動或強度破壞。

圖3 C平臺前8階振型

表1 C平臺前8階模態(tài)頻率

圖4 C平臺振動監(jiān)測頻譜圖

2 海冰風險應對措施

大量研究及數(shù)據(jù)顯示，冰振作用是冰期導管架結(jié)構(gòu)失效的重要風險因素。因此需要制訂針對性的應對措施來避免平臺結(jié)構(gòu)失效事故的發(fā)生。針對C平臺制訂了4種應對技術措施。

2.1 海冰數(shù)值預報

應對海冰風險首要工作即做好冰情預警。每天接收WRF模式的渤海海面數(shù)值氣象預報，與海冰模式聯(lián)接，制作海冰數(shù)值預報；密切關注渤海冰情進展和演變，按時發(fā)送渤海海冰數(shù)值預報及未來冰情展望：包括冰厚、冰速、海冰外緣線等。

2.2 冰情監(jiān)測

冰期現(xiàn)場海冰實時監(jiān)測系統(tǒng)是海冰預警和應急響應的關鍵技術。通過海冰和海冰監(jiān)測的氣象和水文條件，收集和掌握海冰的實時信息，可以得到更多的海冰分布、類型和強度等數(shù)據(jù)，進而為導管架平臺的冬季生產(chǎn)安全管理提供依據(jù)。平臺海冰現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括：冰厚、冰速度、冰濃度、冰類型等。目前海冰現(xiàn)場監(jiān)測技術主要包括：現(xiàn)場人員觀測、雷達跟蹤監(jiān)測、氣象站實時監(jiān)測、視頻監(jiān)控、振動實時監(jiān)測及衛(wèi)星云圖等。可依據(jù)具體冰情特點選擇合適的監(jiān)測技術監(jiān)測冰情。

2.3 抗冰錐的應用

為減小海冰對平臺的水平推力，可在冰區(qū)的導管架平臺樁腿均安裝抗冰錐，抗冰錐可以很好地減小平臺由于低平潮時海冰帶來的振動[9]。當抗冰錐抗冰效果不理想時，需進行改造，結(jié)合具體冰況，從錐徑、錐角等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設計和加工。按照此思路對遼東灣多個導管架平臺抗冰錐進行改造（見圖5），監(jiān)測結(jié)果顯示改造后的抗冰錐有效降低了海冰對平臺沖擊造成的振動，降低了安全隱患。

圖5 抗冰錐改造

2.4 沖冰裝置的配置

平臺一般利用空壓機輸出的高壓空氣作用在海面以下結(jié)構(gòu)周圍，形成海水的高速擾動，借助海水動能及壓縮空氣的壓力防止海冰結(jié)成、堆積。針對C平臺設計使用的沖冰裝置（見圖6）應用了一套氣爆沖冰設備，利用地下水增壓帶溫沖擊導管架之間的堆積冰。但沖冰技術存在局限性，在冰情較輕時沖冰效果良好，當冰情較重時沖冰裝置效果一般。沖冰裝置的除冰效果除了取決于冰情的輕重外，還要參考海冰流速、潮水、風速等信息，因此在使用這項應對措施時需要結(jié)合冰情綜合考慮。

圖6 導管架平臺沖冰裝置

3 結(jié)論

（1）通過對導管架平臺進行模態(tài)分析，確定了C平臺的振型和自振頻率?，F(xiàn)場海冰監(jiān)測顯示，冰力能量頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相近，易產(chǎn)生強烈的共振，進而對海洋平臺結(jié)構(gòu)造成振動或強度破壞，應當引起足夠重視。

（2）分別從預測和處置兩個角度提出了多種風險應對技術措施：包括海冰數(shù)值預報、冰情監(jiān)測、抗冰錐的使用及配備沖冰裝置，現(xiàn)場應用顯示應對措施具有很高的可操作性及適用性。

（3）在進行海冰期冰區(qū)導管架平臺的風險管理時，除了引進先進的抗冰技術外，還需要完善海冰應急管理制度及程序，才能確保導管架平臺海冰期的結(jié)構(gòu)安全。