導(dǎo)管架海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)海冰載荷環(huán)境下響應(yīng)分析

邱少華

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣資源，對(duì)其開(kāi)采關(guān)系著國(guó)家巨大經(jīng)濟(jì)效益，是國(guó)家能源開(kāi)發(fā)的重中之重[1-3]。導(dǎo)管架平臺(tái)作為海洋工程裝備的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于海洋資源開(kāi)發(fā)的各個(gè)方面[4-7]。導(dǎo)管架平臺(tái)主要包括上船體、樁腿、采油裝置等部分[8-9]。其中樁腿是用來(lái)支撐平臺(tái)主體，使其處于正常工作狀態(tài)。與陸地工程結(jié)構(gòu)相比，導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿長(zhǎng)期處于復(fù)雜的服役環(huán)境中，受到風(fēng)、浪、流、冰等沖擊載荷的作用，同時(shí)由于環(huán)境溫度和濕度變化，海洋微生物侵蝕，平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)還會(huì)發(fā)生腐蝕，這些不利因素都會(huì)導(dǎo)致海洋平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力的衰減，所以平臺(tái)樁腿發(fā)生疲勞斷裂的事故時(shí)有發(fā)生[10-12]。且當(dāng)前我國(guó)擁有大量的在役海洋鉆井平臺(tái)，隨著服役年限的增加，其中一些海洋平臺(tái)已屬于老齡化結(jié)構(gòu)，有相關(guān)分析表明，對(duì)于役齡在25年以上的海洋結(jié)構(gòu)，其體系的失效概率高達(dá)25%～45%[13]。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)學(xué)者研究了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在海冰災(zāi)害的預(yù)防措施，工程應(yīng)對(duì)策略和機(jī)制。但針對(duì)海洋平臺(tái)上海冰負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及影響因素的分析報(bào)告相對(duì)較少，基礎(chǔ)研究主要集中在冰力計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)破壞模式分析、工程結(jié)構(gòu)的冰力抗力，以及疲勞壽命計(jì)算等方面[14-15]。且由于不同海上工程結(jié)構(gòu)對(duì)海冰災(zāi)害的分類(lèi)結(jié)果和海冰因素的差異，評(píng)估結(jié)構(gòu)性冰災(zāi)所需的海冰數(shù)據(jù)也有所不同。因此，我國(guó)海洋工程結(jié)構(gòu)科學(xué)評(píng)估方法、在役平臺(tái)維護(hù)保養(yǎng)、腐蝕防護(hù)等方面落后于一些發(fā)達(dá)國(guó)家，需開(kāi)展相關(guān)的優(yōu)化評(píng)估。如何在更接近于實(shí)際工程的情況下，綜合考慮環(huán)境載荷和腐蝕對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿的影響，對(duì)海洋平臺(tái)實(shí)際服役過(guò)程中提出維修保養(yǎng)方案，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義。本文以中國(guó)渤海地區(qū)常用的導(dǎo)管架平臺(tái)為具體研究對(duì)象，分析不同工況下海洋平臺(tái)不同區(qū)域的變形情況，探索結(jié)構(gòu)變形的敏感性因素，分析樁基入泥深度對(duì)變形情況的影響。

1 模型建立

模型采用商用有限元軟件ABAQUS建立，建模時(shí)，采用shell(殼)、beam(梁)、pipe(管)模型分別對(duì)甲板、甲板支撐梁及樁腿進(jìn)行建模。導(dǎo)管架平臺(tái)甲板為30 m×20 m、壁厚0.028 m；支撐梁長(zhǎng)20 m、截面為0.4 m×0.4 m；甲板立柱長(zhǎng)8 m、直徑0.88 m、壁厚0.038 5 m；水平撐桿長(zhǎng)18 m、直徑0.88 m、壁厚0.038 5 m；斜撐桿直徑0.51 m、壁厚0.258 m；樁腿直徑1.205 m、壁厚0.055 m。各部件對(duì)應(yīng)的建模單元見(jiàn)表1，所建模型見(jiàn)圖1。

表1 導(dǎo)管架平臺(tái)幾何參數(shù)屬性

圖1 三維輪廓模型

模型建立完成后，對(duì)樁腿底部施加全約束，并創(chuàng)建重力環(huán)境，重力加速度設(shè)置為-9.8 m/s2。平臺(tái)頂部包含有各種器械設(shè)備、建筑及人員，約5 000 t，轉(zhuǎn)換為重力為5×107N，建模采用質(zhì)量單元進(jìn)行等效。

重力環(huán)境創(chuàng)建完成后，繼續(xù)在模型上施加海冰載荷，模型中海冰載荷簡(jiǎn)化等效為水平方向(沿海平面)施加的集中力。通過(guò)中國(guó)固定平臺(tái)計(jì)算公式來(lái)確定，具體如下。

F=mIeKc(D/Hi)σc

式中：m為形狀系數(shù)，對(duì)圓柱取0.9；Ie為局部擠壓系數(shù)，取2.4；Kc為接觸條件系數(shù)，取0.45；根據(jù)已知，海冰厚度Hi取1.2 m；D為主導(dǎo)管的直徑，取1.2 m；根據(jù)已知，σc為冰的單軸抗壓強(qiáng)度，取980 kPa。

由于本例中D/Hi=1.0，所以Ie取2.5。則計(jì)算海冰載荷為F=1 428 840 N。其載荷形式為集中力，方向是沿海平面的水平方向，作用在主導(dǎo)管的樁腿上。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 導(dǎo)管架平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

圖2為環(huán)境載荷作用下靜力學(xué)分析結(jié)果，通過(guò)位移云圖可知，導(dǎo)管架下甲板長(zhǎng)端兩側(cè)位移較為明顯，約為0.75 m。

圖2 環(huán)境載荷作用下位移結(jié)果云圖

圖3為不同流速下樁腿的位移圖。由圖3可知，當(dāng)海平面流速為1.0 m/s時(shí)，樁頂?shù)奈灰茷?.21 m；當(dāng)海平面流速為1.73 m/s時(shí)，樁頂?shù)奈灰茷?.58 m；當(dāng)海平面流速為3.0 m/s時(shí)，樁頂?shù)奈灰茷?.92 m；當(dāng)海平面流速為4.0 m/s時(shí)，樁頂?shù)奈灰茷?.60 m；當(dāng)海平面流速為5.0 m/s時(shí)，樁頂?shù)奈灰茷?.03 m。因此可知，海平面流速越大樁腿頂端的位移越大。

圖3 不同海平面流速下樁腿的位移云圖

2.2 不同入泥深度對(duì)樁基變形的影響

導(dǎo)管架由于樁腿長(zhǎng)度，基本工作在沿海的大陸架淺水區(qū)域，海底表層為淤泥。在此條件下設(shè)置嵌巖樁不同的入泥深度，見(jiàn)表2。樁基XZ方向位移與轉(zhuǎn)角的模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，當(dāng)樁基打入海底的深度從-8 m變化到-13 m時(shí)，XZ方向位移與轉(zhuǎn)角逐漸減小；當(dāng)從-18 m變化到-25 m時(shí)，XZ方向位移與轉(zhuǎn)角基本沒(méi)有變化。樁基不同打入深度下的受力分析見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，D3方案的受力情況最為嚴(yán)重。隨著樁基打入深度的增加，受力情況也呈先減小后不變的趨勢(shì)，與圖3模擬結(jié)果相一致。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素與安全因素，在有淤泥地質(zhì)海域下，樁基打入海底的深度為-8 m時(shí)取得最佳效果，即D1方案。

表2 有淤泥地質(zhì)海域下樁基打入海底深度

圖4 有淤泥地質(zhì)海域樁體變形樁長(zhǎng)敏感性分析

圖5 有淤泥地質(zhì)海域樁基周?chē)鷰r土塑性區(qū)分布

3 結(jié)論

通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)海洋導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行建模，分析其在環(huán)境載荷下的響應(yīng)及不同海流速度下樁腿的位移變化結(jié)果，在正常服役工況下，導(dǎo)管架平臺(tái)甲板部分易受環(huán)境載荷影響，導(dǎo)管架下甲板長(zhǎng)端兩側(cè)位移較為明顯，產(chǎn)生較大位移，為易產(chǎn)生危險(xiǎn)部位。樁腿位移變化受海流速度的影響較大，海平面流速越大，樁腿上部位移越大，尤其當(dāng)處于某些極端情況下，樁腿上部位移可達(dá)5 m左右，在此情況下，導(dǎo)管架平臺(tái)應(yīng)及時(shí)停止作業(yè)，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。樁基變形受樁腿入泥深度影響較大，樁腿入泥深度8 m為最佳工況方案。