50年與100年一遇極端環(huán)境荷載對渤海導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響分析

李翔云，肖輝，程霖，薄昭，郝銘

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計主要參考的規(guī)范為美國石油學(xué)會API RP 2A-WSD。API規(guī)定，對于美國海域的一類結(jié)構(gòu)物，采用百年一遇重現(xiàn)期環(huán)境條件開展極端工況校核[1]。渤海屬于內(nèi)海，風(fēng)、浪、流、冰的極端條件重現(xiàn)期按50年考慮[2]。在QHS 3003—2013發(fā)布后，風(fēng)、浪、流、冰的極端條件重現(xiàn)期調(diào)整為100年[3]。為評估極端工況環(huán)境參數(shù)重現(xiàn)期調(diào)整對平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，通過對比渤海不同區(qū)域海洋平臺的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，選擇極端環(huán)境工況作為控制工況的JZ9-3WHPC平臺，分別施加50年和100年重現(xiàn)期環(huán)境荷載，對比平臺導(dǎo)管架和鋼樁在不同重現(xiàn)期環(huán)境荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，為評估平臺結(jié)構(gòu)用鋼量的變化提供參考。

1 平臺概述

JZ9-3WHPC平臺位于中國渤海的遼東灣北部，平臺位置處海圖水深為8 m。如圖1所示，該平臺為4腿4主樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式；導(dǎo)管架工作點處間距為18.5 m×18.0 m。組塊共設(shè)3層甲板，采用梁柱板和斜支撐構(gòu)成的空間桁架結(jié)構(gòu)。平臺設(shè)置有135 t修井機，注聚系統(tǒng)、注水泵和其他公用系統(tǒng)。

圖1 JZ9-3WHPC平臺結(jié)構(gòu)模型

2 極端環(huán)境荷載影響分析

2.1 環(huán)境參數(shù)對比

錦州9-3海域冬季由于水淺，熱容量小，又受北岸淺灘冰的影響，一般冰年份都處于流冰覆蓋之中，是遼東灣冰情較重的區(qū)域，是導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計需要重點考慮的因素之一[4-5]。該海域工程設(shè)計水位見表1。50年和100年環(huán)境參數(shù)對比見表2、3，最大波高相差6.25%，冰厚相差5.28%。

表1 JZ9-3平臺場址工程設(shè)計水位

2.2 環(huán)境荷載對比

基于上述環(huán)境參數(shù)，計算平臺受到的風(fēng)力、波流耦合力和冰力荷載；根據(jù)規(guī)范要求，對平臺自重及風(fēng)力、波流力和冰力進行組合，得出極端工況環(huán)境荷載及平臺在極端環(huán)境荷載作用下的基底剪力和傾覆力矩響應(yīng)，見表4～7。在100年重現(xiàn)期環(huán)境荷載作用下，平臺受到的波流耦合力增大10.9%，極端風(fēng)暴荷載增大9.58%；基底剪力增大1.46%，傾覆力矩增大1.74%。

表2 錦州9-3油田風(fēng)、浪、流重現(xiàn)期極值

表3 海冰設(shè)計參數(shù)

表4 極端工況環(huán)境荷載對比

表5 極端工況組合荷載對比

表6 基底剪力 kN

表7 傾覆力矩 kN·m

3 平臺結(jié)構(gòu)影響分析

3.1 組塊

由于風(fēng)荷載不是組塊結(jié)構(gòu)的控制荷載，因此，極端環(huán)境荷載對組塊的影響主要體現(xiàn)在最大波高的變化對組塊底甲板標(biāo)高的影響。組塊底甲板標(biāo)高計算方法如下。

1)海洋石油工程設(shè)計指南[6]。底層甲板與海面間的高度應(yīng)按設(shè)計環(huán)境條件時潮汐與波浪最不利組合情況下的最大波峰高程以上，并留有至少1.5 m的間隙設(shè)計。

底甲板標(biāo)高=2/3百年一遇波高+百年一遇高水位+底層甲板結(jié)構(gòu)梁高+1.5 m氣隙。

2)渤海海域鋼質(zhì)固定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)則。下甲板底標(biāo)高=設(shè)計波浪波峰高度+極端高水位+1.5 m氣隙。

設(shè)計波浪波峰高度應(yīng)根據(jù)適宜的波浪理論計算得出。根據(jù)本海域波浪特點，選擇流函數(shù)對波浪進行模擬。

基于上述2種算法，得出50年和100年一遇環(huán)境條件下的底甲板標(biāo)高對比見表8。采用100年一遇環(huán)境條件，組塊底層甲板標(biāo)高將升高0.3 m。

表8 底層甲板標(biāo)高 m

3.2 導(dǎo)管架

平臺結(jié)構(gòu)強度主要衡量指標(biāo)是桿件UC和節(jié)點UC，見圖2。

圖2 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)UC值

API規(guī)范規(guī)定了桿件和節(jié)點UC值的算法，桿件UC是將桿件受到的軸向力和彎矩按照一定方式進行組合，再與許用值相除得到的比值；節(jié)點UC分為LOAD UC和STRN UC，LOAD UC主要與節(jié)點所受荷載有關(guān)，而STRN UC綜合考慮了節(jié)點構(gòu)造與荷載的影響[7]。分別對平臺加載50年與100年一遇環(huán)境荷載，得出桿件UC和節(jié)點UC對比見表9。

表9 桿件和節(jié)點最大UC

在百年一遇環(huán)境荷載作用下，導(dǎo)管架桿件最大UC和管節(jié)點最大LOAD UC增加5%左右。由于最大UC值并沒有超過1，不會導(dǎo)致桿件規(guī)格的改變，即百年一遇環(huán)境荷載不會導(dǎo)致導(dǎo)管架用鋼量上升。

3.3 鋼樁

鋼樁的重要評價參數(shù)是樁基承載力系數(shù)及鋼樁UC值。由于靜力工況不是鋼樁UC值的控制工況，主要論證極端環(huán)境條件對平臺樁基承載力系數(shù)的影響。樁基承載力系數(shù)是樁基極限承載力與樁頭力的比值，樁基極限承載力由土壤及鋼樁入泥深度決定，而樁頭力則與平臺在位期間所受到的荷載有關(guān)。分別對平臺加載基于50年和100年一遇環(huán)境荷載，得出平臺樁基承載力系數(shù)對比結(jié)果見表10。在百年一遇環(huán)境條件作用下，壓樁樁頭力增加370 kN，樁基承載力系數(shù)減少1.3%。

表10 樁基承載力系數(shù)

4 結(jié)論

在100年一遇環(huán)境條件下，平臺受到的環(huán)境荷載增幅不明顯，波流耦合力增大10.9%，極端風(fēng)暴荷載增大9.58%；基底剪力增大1.46%，傾覆力矩增大1.74%；組塊底層甲板將抬高0.3 m；導(dǎo)管架桿件UC和管節(jié)點最大LOAD UC增加5%左右，不會導(dǎo)致導(dǎo)管架用鋼量上升；壓樁樁頭力增加370 kN，樁基承載力系數(shù)減少1.3%。即極端環(huán)境荷載重現(xiàn)期由50年變?yōu)?00年對鋼樁設(shè)計影響很小，不會導(dǎo)致渤海常規(guī)導(dǎo)管架平臺用鋼量的顯著上升；對于簡易井口平臺，還需進一步論證。