海洋平臺全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)分析

林曉，楊陽，王驊鐘，魏偉，竇明

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油(天津)管道工程技術有限公司，天津 300452)

0 引言

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，固定式導管架結(jié)構(gòu)海上生產(chǎn)平臺廣泛應用于海上石油的開發(fā)與生產(chǎn)工作，導管架平臺的主結(jié)構(gòu)作為支撐整個設施正常功能的基礎設施為工業(yè)界廣為重視，但是作為導管架結(jié)構(gòu)的另一項功能，支撐隔水套管的結(jié)構(gòu)能力也應被重點關注。隔水套管通常由導管架結(jié)構(gòu)水上和水下的水平層井口區(qū)結(jié)構(gòu)支撐，主要目的是通過在不同高程規(guī)劃水平支撐結(jié)構(gòu)，有效減小隔水套管跨距，控制隔水套管在風浪下的變形以保證隔水套管完整性，同時減小跨距以避免隔水套管渦激振動的發(fā)生。如圖1所示，為典型的隔水套管與導管架結(jié)構(gòu)的關系以及其支撐狀態(tài)[1]。

目前，在中國海洋石油行業(yè)，廣泛采用圓管截面水平結(jié)構(gòu)組成隔水套管支撐陣列框架，位于導管架水平層井口區(qū)，通過三個或者四個圓管短節(jié)連接隔水套管導向結(jié)構(gòu)，為隔水套管提供水平支撐。此類結(jié)構(gòu)的特點是空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)保持水流連續(xù)性，且圓管結(jié)構(gòu)較小拖曳系數(shù)和附加質(zhì)量系統(tǒng)的水動力特性比較有利于減少整體波浪載荷，故該類結(jié)構(gòu)廣泛得到應用。

圖1 隔水套管工作狀態(tài)示意

除了框架結(jié)構(gòu)外，早期墨西哥灣以及中國渤海某些平臺還使用了整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)。如圖2所示，為中國渤海某油田部分平臺的整體全封閉式隔水套管典型支撐結(jié)構(gòu)。

整體全封閉式隔水套管支撐在結(jié)構(gòu)分析中有其獨特的分析要求和特點，尤其是該類結(jié)構(gòu)對于其周邊支撐主結(jié)構(gòu)的影響需要在結(jié)構(gòu)設計以及后期結(jié)構(gòu)完整性維護中予以重視。

圖2 整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)

整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)分析主要從以下幾個方面進行：

(1)水動力載荷分析；(2)結(jié)構(gòu)強度分析；(3)結(jié)構(gòu)疲勞分析。

本文以中國渤海某平臺的整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)分析為例，對分析要點予以歸納闡述。

1 結(jié)構(gòu)特點和水動力特性

全封閉式隔水套管支撐片通常在邊界處與主結(jié)構(gòu)框架連接構(gòu)成結(jié)構(gòu)整體，并由平臺結(jié)構(gòu)主體框架支撐，即載荷最終由導管架結(jié)構(gòu)主框架承受，如圖3所示。盡管隔水套管支撐結(jié)構(gòu)非主結(jié)構(gòu)但是其對于主結(jié)構(gòu)承載的影響非常巨大，需要進行非常詳細的分析。

圖3 全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)整體示意

在海洋環(huán)境中，水下獨立板結(jié)構(gòu)的應用非常慎重，主要原因是在海浪和海流作用的水下環(huán)境中，實體板結(jié)構(gòu)的水動力特性不是很理想，通常導致波較大的非線性波浪拖曳力和較高的附加質(zhì)量影響，因此如何模擬該結(jié)構(gòu)的水動力特性是對其結(jié)構(gòu)強度正確分析的關鍵。

鑒于對于圓管結(jié)構(gòu)各種分析軟件均采用莫爾森公式成熟的計算方法分析，故在實際分析中一般采用虛擬圓管結(jié)構(gòu)模擬板結(jié)構(gòu)的作用用于承擔對應的水動力載荷，但是需要根據(jù)板結(jié)構(gòu)的特性調(diào)整虛擬圓管結(jié)構(gòu)的水動力系數(shù)來準確模擬其承載狀態(tài)，當然更為精細的分析可通過CFD數(shù)值模擬的方式進行，鑒于工程需要，采用保守的修正Cd/Cm的方式來進行結(jié)構(gòu)的分析。

對于在無限流體中受連續(xù)水質(zhì)點作用的板結(jié)構(gòu)，DNV-RP-C205[2]和DNV-RP-F205[3]中均進行了討論，方形平板結(jié)構(gòu)的附連水質(zhì)量系數(shù)Cm推薦采用公式(1)計算，當結(jié)構(gòu)尺寸較大時，該數(shù)值可達到非?？捎^的程度。

而方形板結(jié)構(gòu)在流體方向上的拖曳力系數(shù)采用DNVGL-RP-F205[3]中三維物體拖曳力系數(shù)提供的計算方法計算。計算所得的等效Cd系數(shù)將用于結(jié)構(gòu)分析。拖曳力系數(shù)的計算采用公式(2)計算，相關文獻[4]分析顯示該數(shù)值一般取到5至10。注意此系數(shù)的基礎為整個封閉板的面積，在采用莫爾森單元模擬時應考慮額外的系數(shù)放大其面積至需要的面積。

采用經(jīng)驗公式，勢流理論也可以對該類結(jié)構(gòu)的載荷情況進行分析，不過仍然避免不了對于粘性阻尼的討論和模擬，本文不對此類分析進行討論。

2 結(jié)構(gòu)強度分析

導管架結(jié)構(gòu)的強度分析一般采用基于整體結(jié)構(gòu)對海底參考面的整體剪力或者傾覆力矩進行波浪周期搜索得到設計波浪相位用于結(jié)構(gòu)的整體強度計算分析，在此過程中忽略了水質(zhì)點垂直方向的運動導致的局部載荷。而對于本文關注的全封閉式結(jié)構(gòu)，由于其幅面較為寬大，故其垂直方向的水動力載荷較為明顯，不能簡單忽略。故在結(jié)構(gòu)分析中，除了上述基于總體基底彎矩剪力的波浪相位搜索外，還應該就水下板式隔水套管支撐框架結(jié)構(gòu)對于邊界結(jié)構(gòu)的影響執(zhí)行額外的相位搜索作為額外的載荷工況對連接結(jié)構(gòu)進行分析。作為對比，在分析中對完整波浪周期進行載荷分析，得到的考慮板結(jié)構(gòu)特殊水動力系數(shù)后結(jié)構(gòu)載荷情況與平臺在位工況波浪相位選擇的偏差。

如圖4所示，顯示了在100年一遇的環(huán)境條件下，作用于隔水套管支撐結(jié)構(gòu)的垂向載荷隨波浪相位角的變化而變化的情況。根據(jù)在位分析，最大基底剪力的相位為300°，而根據(jù)曲線，產(chǎn)生最大垂向載荷的相位為50度，故對于局部構(gòu)架，受到局部載荷的影響在總體強度分析時并未予全面考慮。不過由于結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)構(gòu)架設計較為保守，局部的垂向載荷一般不會嚴重影響結(jié)構(gòu)能力，載荷差別在值差別在20%至30%左右。

圖4 套管支撐結(jié)構(gòu)的垂直載荷與相位角關系

3 結(jié)構(gòu)疲勞分析

為清晰分析全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)水動力特性對于邊界支撐結(jié)構(gòu)的影響，有必要對圓管截面組成隔水套管支撐陣列框架結(jié)構(gòu)與全封閉式隔水套管結(jié)構(gòu)的疲勞特性進行分析對比。已知中國渤海某平臺隔水套管支撐結(jié)構(gòu)為板式結(jié)構(gòu)，水深約30 m，隔水套管陣列為5 m×8 m，分析采用SESAM海洋工程分析軟件執(zhí)行，導管架模型如圖5所示。

圖5 疲勞分析導管架模型

結(jié)構(gòu)疲勞分析過程包括：(1)平臺樁土線性化；(2)平臺結(jié)構(gòu)模態(tài)分析；(3)平臺結(jié)構(gòu)動態(tài)響應分析；(4)導管架疲勞壽命分析。

通過建模，針對分析模型，如圖6所示，對兩種隔水套管支撐結(jié)構(gòu)分別進行了模擬分析，包括：

圖6 隔水套管分析模型

(1)隔水套管支撐為圓管406 mm×13 mm；

(2)隔水套管支撐為板結(jié)構(gòu)：模擬繼續(xù)采用406 mm×13 mm圓管模擬但是修正Cd，Cm模擬平臺的水動力特性。

疲勞分析采用API RP2A 21[5]的分析方法，采用API-X＇疲勞分析S-N曲線進行分析。波浪譜采用平臺所在海域的年度統(tǒng)計波浪散布圖譜。針對上述兩種模擬狀態(tài)的疲勞分析結(jié)果如圖7、圖8所示。根據(jù)疲勞分析結(jié)果，其差異非常明顯，采用圓管支撐的結(jié)構(gòu)疲勞壽命遠高于采用全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)，詳細分析結(jié)果如下：

圖7 基于圓管支撐的疲勞分析結(jié)果(最小壽命54年)

(1)采用圓管支撐結(jié)構(gòu)模擬分析，最小疲勞壽命為54年，相對平臺20年設計壽命，能夠滿足2倍疲勞安全系數(shù)的要求；

(2)采用全封閉式板結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)模擬分析，最小疲勞壽命為4.7年，相對平臺20年設計壽命，遠不能達到規(guī)定的安全系數(shù)要求。

綜合疲勞分析對比的結(jié)論，可以清晰地確認采用整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)設計，其疲勞壽命遠低于采用圓管支撐的支撐結(jié)構(gòu)設計。

4 結(jié)語

采用整體全封閉式支撐結(jié)構(gòu)設計用于海洋平臺隔水套管支撐結(jié)構(gòu)早期應用于墨西哥灣以及北海的部分平臺，在服役過程此類平臺結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了水下第一層隔水套管支撐結(jié)構(gòu)邊界節(jié)點疲勞裂紋的情況?？紤]到水下裂紋尤其是貫穿裂紋維修難度較大，后期的設計中已經(jīng)很少采用整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)設計。

目前，中國渤海海域少量采用此類設計的平臺出現(xiàn)水下裂紋的情況已經(jīng)引起作業(yè)者的重視，為避免該類型結(jié)構(gòu)的不利影響，建議按照本文提供的分析要點對該類結(jié)構(gòu)進行詳細的分析校核，分析其影響程度。此外加強對水下尤其是水下第一層隔水套管支撐結(jié)構(gòu)以及其邊界支撐節(jié)點的檢驗，如采用水下無損探傷技術加密檢驗重要的連接樁腿的節(jié)點，如出現(xiàn)裂紋即采取打磨和加強等措施防止裂紋擴展至貫穿性裂紋。另外，如有條件，建議采取有效手段減小整體全封閉式板結(jié)構(gòu)的水動力影響，如：對板結(jié)構(gòu)開口使上下水體聯(lián)通進而減少上下表面壓差帶來的總體影響。