渤海導管架結構裂紋評估方法與失效分析

紀蒙生 張延軍 劉登輝 李風順 運濤

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津塘沽 300459）

1 引言

渤海某平臺水深27.6 米；該平臺導管架2005年安裝， 2017 年水下檢驗發(fā)現(xiàn)部分節(jié)點出現(xiàn)裂紋，其中最嚴重的裂紋出現(xiàn)在水下-8米水平層井口區(qū)支撐桿件與A2 腿連接管節(jié)點以及附近另一平面管節(jié)點，分別標記為220 節(jié)點和214 節(jié)點，兩個節(jié)點檢測顯示裂紋為貫穿裂紋如下圖所示。

圖1 導管架貫穿裂紋節(jié)點N220/N214

圖2 導管架裂紋走向

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 船舶長期錨泊產(chǎn)生的影響

基于應急響應日報信息，注意到該平臺清理污油時平臺南北兩側同時會錨泊7-8艘支持船舶進行潛水和污油收集作業(yè)，一般的配置為兩側各三艘潛水作業(yè)船+各一艘污油回收船。船舶錨泊方式一般為首錨錨固海底，雙尾錨連接導管架樁腿，作業(yè)船舶撤離的海況條件為Hs=2.0m以上。根據(jù)記錄，平臺系泊船舶的時間為6月應急工作開始至封堵結束，作為敏感性分析，模擬七艘船舶持續(xù)錨泊4個月，采用簡化的錨泊力計算方法對其影響進行模擬。根據(jù)分析，船舶持續(xù)錨泊對+8.5米水平層以及A/B軸立面結構主要節(jié)點的影響非常明顯，其疲勞累積效應可能是導致立面結構節(jié)點裂紋初始裂紋的成因。計算結果顯示這種錨泊呈現(xiàn)的整體效應對兩個貫穿性裂紋處的應力存在直接影響，但由于應力較小其影響效果有限。

2.2 應急作業(yè)導致邊界變化產(chǎn)生的影響

該導管架為封堵泥面漏點投放了大梁的沙袋覆蓋了幾乎整個區(qū)域，后通過沿樁腿布設灌漿管線至海底，對沙包間隙進行了灌漿作業(yè)。結合后期水下檢驗的觀察，覆蓋沙包/水泥的厚度約為1.2米。泥面水平層1軸和3軸間均被沙包和水泥覆蓋。由此，導管架泥面層的支撐條件發(fā)生了變化，如由樁基礎支撐變?yōu)槟嗝嫘纬傻臏\基礎支撐，根據(jù)模擬上述邊界條件的獨立結構分析，注意到邊界變化對兩個貫穿性裂紋位置的節(jié)點的疲勞壽命影響約2%。根據(jù)該分析可以理解底部邊界的影響對目前報告的裂紋影響非常有限。

2.3 超設計生長海生物產(chǎn)生的影響

平臺設計海生物厚度為15.4cm，根據(jù)水下檢驗報告顯示，海域海生物生長速度很快，雖然經(jīng)常進行海生物清理，不過最大檢測海生物厚度還是達到25cm。隨著海生物的增長，作用在結構上的波浪力會顯著增加，從而影響結構節(jié)點的疲勞壽命。敏感性分析中采用22cm海生物進行分析。分析結果顯示基于原設計的分析，不考慮其他因素影響，當海生物厚度從設計15.4cm增加至22cm在N220節(jié)點處疲勞壽命從87.5年降至27.1年；而N214節(jié)點疲勞壽命由則由165年減少到53.4年。參考前期針對海生物厚度的修改，其對疲勞壽命的影響則導致兩個節(jié)點N220/N214壽命降至15.4/26.1年。

2.4 導管架封閉板式隔水套管結構波浪力產(chǎn)生的影響

該導管架結構的隔水套管支撐結構與傳統(tǒng)渤海平臺有明顯差別，該結構隔水套管導向結構通過整體封閉板結構連城整體，在邊界處通過管結構傳遞到導管架主結構，這種結構存在于水面上8.5米水平層和水下8米水平層。水面上的這種結構如果處于海浪通過區(qū)域，會導致波浪嚴重抨擊以及明顯的水平載荷增加，不過由于該平臺預留了足夠的氣隙，故對水上封閉平板結構沒有明顯影響。而水下8米層的封閉整體板結構支撐則在1軸和2軸之間構成11.35x15.28m的平面封閉構造，面積約170多平方米。這種結構在波浪力計算時不符合傳統(tǒng)小尺寸桿結構波浪力計算條件，需做大體積板結構考慮；考慮到結構與水平面平行，其主要影響將是垂直方向在波浪作用下的載荷，類似于SPAR平臺的垂蕩板結構；主要的波浪力為慣性力和粘性力。

根據(jù)DNV-RP-C205規(guī)范推薦的做法，本文對該結構在風浪中的載荷情況進行了模擬，通過對虛擬支撐梁修正Cm和Cd來模擬其在海浪中的真實響應，修正的Cd/Cm比傳統(tǒng)桿結構的數(shù)值明顯增加，進而導致結構載荷遠大于采用桿結構。而其承受的載荷最終通過連接的邊界梁系傳遞到主結構導致結構承受遠大于傳統(tǒng)導管架井口結構的子載荷，分析顯示這種情況出現(xiàn)在靜力分析中，更明顯表現(xiàn)在結構疲勞分析結果中。

根據(jù)分析的結果，未考慮波浪作用于板的垂向作用，節(jié)點N214和節(jié)點N220的疲勞壽命分別為87.5年和165年。這兩個節(jié)點的疲勞壽命在第二種情形中分別減小為2.48年和7.22年，在第三種情形中減小為3.43年和10.0年。若考慮隔水套管帶來的遮蔽效應，節(jié)點N214和節(jié)點N220的疲勞壽命分別為3.61年和10.3年。若考慮所有隔水套管的橫截面積，節(jié)點N214和節(jié)點N220的疲勞壽命分別為3.63年和10.4年。從敏感性分析的結果可以看出，考慮到封閉板式隔水套管支撐結構的波浪載荷，節(jié)點N220和節(jié)點N214的疲勞壽命顯著減少，且小于其已服役壽命。

3 導管架結構強度分析

由于裂紋的出現(xiàn)，平臺的結構完整性會收到直接的影響，尤其是兩個大的貫穿性裂紋，直接影響平臺在風暴作用下的承載能力，考慮到目前的大裂紋不能及時修復，需要評估其當前的結構狀態(tài)，以確認在修復實施之前導管架平臺的運行作業(yè)是否需要進行適當控制。

采用海洋工程結構非線性分析軟件USFOS開展導管架強度分析。分析的模型由SESAM結構模型轉換，分析中考慮了在位分析工況的所有載荷，包括自重，波浪流載荷等。

為模擬N220節(jié)點和N214節(jié)點失效的影響，在結構分析中將節(jié)點連接的所有結構設置為非結構件，使其不參與結構剛度，受損情況的結構模型見圖3。

圖3 導管架強度分析模型

分析結果顯示，該導管架結構的極限能力受樁的能力的影響，其失效模式是樁截面塑性失效，見下圖。

圖4 導管架剩余強度分析

根據(jù)USFOS倒塌分析，在結構完整狀態(tài)下，其結構能力指標RSR（剩余強度因子）最小為2.568；在結構受損情況下其RSR指標最小為2.391，相對完整結構有10%的結構能力下降，兩種工況均為270度風浪條件下。

表1 剩余強度因子RSR

WLC56 2.702 2.492 WLC57 2.803 2.587 WLC58 4.823 4.311 WLC59 WLC60 WLC61 4.924 4.321 2.678 2.501 2.799 2.608 WLC62 2.568 2.404 WLC63 2.568 2.404 WLC64 2.705 2.553 WLC65 2.705 2.553

4 結論

根據(jù)導管架的靜力和疲勞分析，包括一些敏感性工況分析的結果顯示，造成N220和N214兩個節(jié)點貫穿性裂紋的主要影響因素為隔水套管板式支撐結構在風浪中承相對較大的水動力載荷，造成問題節(jié)點處疲勞應力過大致使疲勞壽命非常小。

此外，應急動作（長期錨泊船舶等）等則可能是在節(jié)點熱點處造成初始裂紋擴展的因素，而超預期的海生物生長情況（高于設計厚度）也在一定程度上加劇了疲勞載荷并增加了節(jié)點處疲勞損傷累積。