基于風(fēng)級增量分析的導(dǎo)管架平臺承載能力

(中國石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心， 山東 青島 266580)

0 引 言

作為海上油氣資源開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，導(dǎo)管架平臺得到了廣泛應(yīng)用，且不斷向大型化、深水領(lǐng)域發(fā)展[1]。臺風(fēng)是極具破壞力的極端天氣[2]，能夠破壞甚至摧毀海上石油平臺。在極端臺風(fēng)環(huán)境下，導(dǎo)管架平臺一旦倒塌，將會帶來嚴(yán)重的后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。我國南海海域的導(dǎo)管架平臺常年受臺風(fēng)影響，對臺風(fēng)環(huán)境下導(dǎo)管架平臺的極限承載能力進(jìn)行合理分析具有重要意義。API[3]、ISO[4]和DNV[5]規(guī)范均推薦采用靜力推覆分析方法評估海洋平臺的極限承載能力，但該方法只單純地放大設(shè)計載荷，無法直觀反映平臺所處的海洋環(huán)境，存在一定缺陷。為此，國內(nèi)外人員進(jìn)行了深入研究。朱本瑞等[6]提出載荷增量分析方法，對平臺施加不同重現(xiàn)期的環(huán)境載荷，分析平臺的抗倒塌性能。GOLAFSHANI等[7]提出增量波浪分析(Incremental Wave Analysis, IWA)方法，考慮波高和波浪的變化對計算結(jié)果的影響，合理評估平臺的承載能力和倒塌行為。周社寧[8]研究船舶抗風(fēng)能力與風(fēng)級的關(guān)系，探討將船舶抗風(fēng)能力通過風(fēng)級當(dāng)量進(jìn)行評估的可行性。

將承載能力分析與蒲福風(fēng)級結(jié)合起來，提出風(fēng)級增量分析方法，并以兩種導(dǎo)管架平臺為研究對象，模擬平臺所處的海洋環(huán)境，對平臺整體結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行分析，為導(dǎo)管架平臺的安全等級劃分提供依據(jù)。

1 風(fēng)級增量分析原理

靜力推覆分析是國內(nèi)外計算極限承載能力時比較常用的一種方法[9-10]，該方法有助于研究人員了解結(jié)構(gòu)從彈性、屈服、強(qiáng)度失效直至倒塌的整個過程的發(fā)展規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)在復(fù)雜海洋環(huán)境下的極限承載力。但是，通過該方法加載的設(shè)計載荷和放大載荷與實際的環(huán)境載荷有較大差別，只能對平臺進(jìn)行整體把握和計算。

在靜力推覆分析的基礎(chǔ)上，提出風(fēng)級增量分析方法。與靜力推覆分析的研究方式不同，風(fēng)級增量分析的基本原理是：調(diào)研平臺所處海域環(huán)境數(shù)據(jù)，通過耿貝爾模型確定環(huán)境參數(shù)分布，選取初始風(fēng)級上限風(fēng)速對應(yīng)的環(huán)境載荷，加載至平臺有限元模型進(jìn)行一次非線性靜力分析，接著增大風(fēng)級，直至平臺倒塌，此時對倒塌風(fēng)級范圍內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行搜索，并進(jìn)行模型加載和計算，直至得到平臺臨界倒塌點所對應(yīng)的風(fēng)速。具體分析流程如圖1所示。該方法不僅能夠反映導(dǎo)管架平臺所處環(huán)境的真實現(xiàn)狀，而且還能將平臺的承載能力與風(fēng)級緊密聯(lián)系起來，使風(fēng)級大小作為評估平臺抗風(fēng)能力的重要指標(biāo)。

圖1 風(fēng)級增量分析流程

2 導(dǎo)管架平臺有限元模型及環(huán)境載荷

2.1 有限元模型

以南海某導(dǎo)管架平臺為例，利用ANSYS軟件建立兩種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管架平臺有限元模型，分別命名為平臺A和平臺B，如圖2所示。兩平臺的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖2 導(dǎo)管架平臺有限元模型

名稱上甲板長×寬/(m×m)下甲板長×寬/(m×m)甲板氣隙/m導(dǎo)管架頂部長×寬/(m×m)導(dǎo)管架底部長×寬/(m×m)導(dǎo)管架高度/m樁腿深度/m平臺A53.45×2347.85×2216.526×14.326×28.98066平臺B66.45×2360.85×2216.539×14.339×28.98060

在分析過程中需模擬平臺的倒塌行為，在建模過程中單元的選取尤為重要：采用PIPE 16和SHELL 63單元模擬甲板，MASS 21單元模擬集中質(zhì)量；利用PIPE 288單元建立平臺導(dǎo)管架，并通過該單元直接模擬波浪和海流載荷；考慮樁-土非線性耦合作用，通過PIPE 20單元建立平臺樁腿，并通過COMBIN 39彈簧單元模擬樁-土的關(guān)系。

2.2 風(fēng)載荷

在極端風(fēng)載荷下，南海固定式平臺有受損甚至倒塌的風(fēng)險，因此對風(fēng)載荷下導(dǎo)管架平臺的安全性能進(jìn)行合理評估具有重要意義。根據(jù)API[3]標(biāo)準(zhǔn)，平臺結(jié)構(gòu)所受風(fēng)力大小為

F=KKZP0A

(1)

式中：F為風(fēng)載荷；K為形狀因數(shù)，對梁和建筑物側(cè)壁取1.5，對圓柱體側(cè)壁取0.5，對平臺總投影面積取1.0；KZ為高度變化因數(shù)，根據(jù)平臺甲板所處高度取1.1；P0為風(fēng)壓，Pa；A為受風(fēng)載荷面積，m2。

風(fēng)壓P0為

P0=αv2

(2)

式中：α為風(fēng)壓系數(shù)，取0.613 N·s2/m4；v為風(fēng)速，m/s。

2.3 上浪載荷

當(dāng)導(dǎo)管架平臺所處環(huán)境極為惡劣時，就會發(fā)生甲板上浪現(xiàn)象，本次計算采用API[3]關(guān)于上浪載荷的計算公式：

(3)

式中：Fd為上浪載荷，N；awkf為波浪的運動因數(shù)，取0.88；acbf為導(dǎo)管架對海流的阻塞因數(shù)，取0.8；V為甲板上浪處的水質(zhì)點速度，m/s；U為與波浪同方向的海流速度，m/s；ρ為海水密度，kg/m3；Cd為拖曳因數(shù)，取2.0；η為波面高度，m；ya為甲板氣隙，m；D為甲板寬度。V與η可由斯托克斯五階波浪理論[11]計算得出。

2.4 工況設(shè)計

根據(jù)導(dǎo)管架平臺作業(yè)海域，參考南海歷年海洋環(huán)境資料，采用耿貝爾分布[12]對風(fēng)速、波高、周期和海流流速進(jìn)行推算。分布函數(shù)的具體表達(dá)式為

(4)

式中：a為位置參數(shù)；b為尺度參數(shù)。

當(dāng)重現(xiàn)期為T時，極值的設(shè)計值為

(5)

工況設(shè)計的方法是：采用矩法對風(fēng)速、有效波高、跨零周期，以及流速的位置參數(shù)和尺度參數(shù)進(jìn)行求解，提取各風(fēng)級上限風(fēng)速，代入風(fēng)速極值表達(dá)式(5)求得重現(xiàn)期，將重現(xiàn)期作為中間變量進(jìn)而求得有效波高、跨零周期、流速，其中最大波高為有效波高的1.72倍，最大周期為跨零周期的1.27倍。載荷方向垂直于平臺側(cè)面，由于兩平臺側(cè)面結(jié)構(gòu)基本相同，因此風(fēng)載荷與上浪載荷大小基本相同， API[3]和海上平臺狀態(tài)評定指南[13]給出了風(fēng)載荷具體計算公式。通過APDL編程得出最大相位角。平臺所處海域的具體工況參數(shù)如表2所示，為方便分析，沿平臺水平方向施加載荷。

表2 平臺所處海域環(huán)境參數(shù)

圖3 導(dǎo)管架平臺承載能力曲線

3 導(dǎo)管架平臺承載能力分析

對導(dǎo)管架平臺分別進(jìn)行靜力推覆分析和風(fēng)級增量分析，得到相應(yīng)的承載能力曲線，如圖3所示，各曲線主要分為線彈性階段、彈塑性階段和延性倒塌階段。

通過兩種分析方法得到的承載能力曲線的增長方式存在較大的不同：在平臺結(jié)構(gòu)線彈性階段，靜力推覆分析得到的承載能力曲線斜率較大，增長速度較快；風(fēng)級增量分析考慮了環(huán)境載荷的變化以及甲板上浪現(xiàn)象的出現(xiàn)，從線彈性到彈塑性階段，承載能力曲線呈現(xiàn)較為平滑的過渡，曲線斜率有逐漸減小的趨勢。風(fēng)級增量分析得到的平臺A和平臺B的極限承載能力分別為59.68 MN、86.84 MN，比靜力推覆分析得到的結(jié)果分別小11.53 MN、11.46 MN，這表明靜力推覆分析得到極限承載力數(shù)值明顯偏大。

平臺甲板和導(dǎo)管架采用高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為360 MPa。根據(jù)風(fēng)級增量分析，在風(fēng)力達(dá)到17級時，平臺構(gòu)件開始屈服。提取風(fēng)速59.5 m/s工況下導(dǎo)管架平臺A的單元應(yīng)力和位移，以及風(fēng)速61.2 m/s工況下導(dǎo)管架平臺B的單元應(yīng)力和位移。如圖4和圖5所示，導(dǎo)管架的大量構(gòu)件已達(dá)到屈服極限，將進(jìn)入彈塑性階段，此時得到的基底剪力遠(yuǎn)小于靜力推覆分析出現(xiàn)大量構(gòu)件屈服時得到的結(jié)果；如圖6和圖7所示，在風(fēng)級增量分析下兩導(dǎo)管架平臺的最大位移同樣小于靜力推覆分析的結(jié)果。當(dāng)環(huán)境載荷大到一定程度時，通過靜力推覆分析得到的評估結(jié)果是平臺安全可靠，但在實際工況下平臺已十分危險。因此，考慮真實環(huán)境的風(fēng)級增量分析能更好地評估海洋平臺的安全性能，靜力推覆分析可能會造成較大的誤差。

圖4 風(fēng)速59.5 m/s工況下導(dǎo)管架平臺A的單元應(yīng)力 圖5 風(fēng)速61.2 m/s工況下導(dǎo)管架平臺B的單元應(yīng)力

圖6 風(fēng)速59.5 m/s工況下導(dǎo)管架平臺A的位移 圖7 風(fēng)速61.2 m/s工況下導(dǎo)管架平臺B的位移

根據(jù)風(fēng)級增量分析，取平臺倒塌前的數(shù)據(jù)，并剔除4～5個風(fēng)速較小的數(shù)據(jù)點，作出平臺A與平臺B的基底剪力-風(fēng)速擬合曲線和最大位移-風(fēng)速擬合曲線如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出兩曲線皆呈現(xiàn)較大的規(guī)律性，曲線走勢與對數(shù)函數(shù)相關(guān)。

圖8 基底剪力-風(fēng)速擬合曲線 圖9 最大位移-風(fēng)速擬合曲線

擬合曲線函數(shù)為

Vw=c·lnX+d

(6)

式中：Vw為風(fēng)速(m/s)；X為最大位移(m)或基底剪力(MN);c、d為相應(yīng)因數(shù)，具體大小如表3所示。

表3 平臺參數(shù)與風(fēng)速所確定的因數(shù)大小

通過式(6)可直接求得不同風(fēng)速下平臺的最大位移和基底剪力，計算結(jié)果雖然存在一定誤差，但可對倒塌前的平臺狀態(tài)進(jìn)行合理預(yù)測，省去大量計算流程，對平臺安全分級具有重要意義。

4 基于風(fēng)級增量分析的導(dǎo)管架平臺安全分級

4.1 導(dǎo)管架平臺狀態(tài)劃分

可根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞的不同形式對平臺狀態(tài)進(jìn)行劃分。以下破壞形式可作為劃分平臺安全等級的界限：斜撐出現(xiàn)屈服，此時導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部損傷，但平臺還能正常工作；樁管出現(xiàn)屈服，此時平臺結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響平臺安全作業(yè)；平臺節(jié)點嚴(yán)重變形，結(jié)構(gòu)大量失效，若承受更大載荷，平臺將會倒塌，此時為臨界倒塌點。

為合理評估導(dǎo)管架平臺的安全性能，確定承載能力與平臺狀態(tài)間的關(guān)系，提出平臺強(qiáng)度余量因數(shù)：

(7)

式中：R為強(qiáng)度余量因數(shù)；Fw為風(fēng)載荷，N；Fa為波浪載荷，N；Fc為海流載荷，N；Fu為平臺極限承載能力，N。

該因數(shù)將平臺承載能力與海洋環(huán)境載荷結(jié)合起來，可作為平臺安全評估的指標(biāo)。根據(jù)安全等級界限的劃分以及風(fēng)級增量分析得到的風(fēng)速-承載能力擬合曲線大致確定強(qiáng)度余量因數(shù)的閾值分別為0.77、0.42和0，并將導(dǎo)管架平臺在風(fēng)浪載荷下的狀態(tài)劃分為完整、損傷、破壞和倒塌等4種，如表4所示。完整狀態(tài)指平臺構(gòu)件呈線彈性，平臺能夠安全可靠地工作；損傷狀態(tài)指少量構(gòu)件出現(xiàn)屈服，可能會影響平臺的正常工作；破壞狀態(tài)指平臺大量關(guān)鍵構(gòu)件出現(xiàn)屈服，對平臺的安全作業(yè)產(chǎn)生較大影響；倒塌狀態(tài)指構(gòu)件完全失效，平臺已無法進(jìn)行正常作業(yè)。

表4 導(dǎo)管架平臺狀態(tài)劃分

4.2 導(dǎo)管架平臺安全分級

對平臺進(jìn)行安全分級，通過4種線型描述4種不同的安全級別，如表5所示。

表5 導(dǎo)管架平臺安全分級

利用MATLAB軟件編寫程序，作出兩導(dǎo)管架平臺的安全分級窗口，如圖10和圖11所示，圖中虛線為各個風(fēng)級對應(yīng)風(fēng)速的界限。通過平臺安全分級窗口，可根據(jù)風(fēng)級大小快速判斷導(dǎo)管架平臺的安全狀態(tài)。

圖10 導(dǎo)管架平臺A安全分級窗口

圖11 導(dǎo)管架平臺B安全分級窗口

以圖11為例，對不同風(fēng)力下導(dǎo)管架平臺B的安全狀態(tài)進(jìn)行評估：在風(fēng)力≤12級時，平臺結(jié)構(gòu)完整；在12級<風(fēng)力<13級時，平臺處于結(jié)構(gòu)完整與損傷的臨界狀態(tài)；在13級≤風(fēng)力≤15級時，平臺呈現(xiàn)損傷狀態(tài)；在15級<風(fēng)力<16級時，平臺處于結(jié)構(gòu)損傷與破壞的臨界狀態(tài)；在16級≤風(fēng)力<17級時，平臺呈現(xiàn)破壞狀態(tài)；在風(fēng)力=17級時，平臺達(dá)到承載能力極限；在風(fēng)力>17級時，平臺倒塌。平臺A與平臺B的安全分級窗口雖有一定差別，但在不同風(fēng)級所對應(yīng)的平臺狀態(tài)基本一致。該模型能夠?qū)⑵脚_狀態(tài)與風(fēng)級緊密聯(lián)合起來，能夠起到安全評估的作用。

5 結(jié) 論

(1) 基于靜力推覆分析理論，建立風(fēng)級增量分析方法，對兩種導(dǎo)管架平臺的承載能力曲線進(jìn)行對比，結(jié)果說明風(fēng)級增量分析能充分考慮導(dǎo)管架平臺所處環(huán)境及不同載荷分布狀況，模擬平臺所受極端載荷，準(zhǔn)確計算不同環(huán)境下導(dǎo)管架平臺的承載能力，從而明確該方法的可行性。

(2) 風(fēng)級增量分析得到的位移和基底剪力根據(jù)風(fēng)速的不同會產(chǎn)生規(guī)律性變化?？蛇M(jìn)行曲線擬合并建立相應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式，預(yù)測倒塌前的導(dǎo)管架平臺承載能力，為平臺安全等級劃分打下基礎(chǔ)。

(3) 根據(jù)導(dǎo)管架平臺的破壞形式提出強(qiáng)度余量因數(shù)和平臺狀態(tài)劃分的方法，對導(dǎo)管架平臺安全等級進(jìn)行劃分，建立導(dǎo)管架平臺安全分級窗口，直觀反映導(dǎo)管架平臺的承載能力與平臺狀態(tài)的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)力大于15級時平臺結(jié)構(gòu)受到破壞，大于17級時平臺存在倒塌風(fēng)險，結(jié)果說明利用風(fēng)級當(dāng)量能夠合理評估平臺的安全性能。