渤海導(dǎo)管架平臺延壽評估及應(yīng)對措施

藍(lán)國陽，孫 浩，秦 江，王子堂，王 燕

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

1 導(dǎo)管架平臺臨近服役年限所面臨的風(fēng)險

在設(shè)計導(dǎo)管架平臺過程中，行業(yè)做法一般都是根據(jù)規(guī)范要求對其在服役期間可能承受的各種惡劣地質(zhì)條件、水文條件進(jìn)行分析，并將這些極端的風(fēng)、波浪、海流和冰載荷組合起來作為平臺承載的依據(jù)和參考。但隨著服役年限的增長，導(dǎo)管架平臺還會面臨一些新的風(fēng)險，主要有以下幾個方面。

①重量變化風(fēng)險：長期服役的導(dǎo)管架平臺一般都經(jīng)歷過結(jié)構(gòu)和設(shè)備改造，重大結(jié)構(gòu)和設(shè)備改造必會導(dǎo)致平臺重量、重量分布及可變荷載等發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而影響平臺結(jié)構(gòu)安全。

②結(jié)構(gòu)缺陷風(fēng)險：導(dǎo)管架平臺長期在海洋環(huán)境中作業(yè)，受到海洋環(huán)境荷載作用的影響，不可避免地會產(chǎn)生各種腐蝕、變形、裂紋，甚至造成結(jié)構(gòu)破壞，降低了平臺結(jié)構(gòu)承載能力，甚至影響平臺的安全。

③船舶撞擊風(fēng)險：船舶撞擊也是導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)面臨的一個重要風(fēng)險。船舶撞擊將導(dǎo)致平臺近水線面附近結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凹陷變形甚至斷裂，船舶撞擊產(chǎn)生的巨大作用力可能使平臺面臨倒塌的風(fēng)險。

④海生物風(fēng)險：海生物對于平臺的影響主要體現(xiàn)在海生物增加波浪、海流對于平臺的作用力，同時增加導(dǎo)管架重量，在嚴(yán)重的情況下，海生物對于平臺結(jié)構(gòu)造成的影響可能是決定性的。

⑤基礎(chǔ)沖刷風(fēng)險：土壤是海洋平臺基礎(chǔ)的保證，如果平臺底部海流的沖刷作用強(qiáng)烈，則極有可能造成海底土壤沖刷嚴(yán)重，導(dǎo)致鋼樁嵌固點下移和鋼樁承載能力降低。

⑥上浪風(fēng)險：由于設(shè)計或安裝原因，導(dǎo)致平臺高程不足，在極端環(huán)境條件下存在上浪風(fēng)險。平臺上浪會對平臺產(chǎn)生巨大的作用力，嚴(yán)重時可能使平臺面臨倒塌的風(fēng)險。

綜上所述，對老齡化平臺的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行安全評估是非常必要的。目前行業(yè)內(nèi)主要依據(jù)相應(yīng)的安全評估導(dǎo)則和法律、規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評估［1］，主要的評估流程如圖1所示。

圖1 主結(jié)構(gòu)安全評估流程圖Fig.1 Flow chart of main structure safety assessment

2 平臺結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)收集

目前整個導(dǎo)管架平臺檢測指標(biāo)數(shù)據(jù)收集主要包括以下內(nèi)容：

①外觀檢驗，結(jié)構(gòu)涂層狀況、海生物生長情況和機(jī)械損傷；

②基礎(chǔ)沖刷檢驗；

③海生物檢驗；

④超聲波測厚；

⑤陽極檢測及電位測量結(jié)果；

⑥對方案確定的節(jié)點進(jìn)行焊縫無損檢測。

3 平臺延壽評估方法

依據(jù)評估前搜集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、篩選，選取合適的技術(shù)參數(shù)，對平臺進(jìn)行設(shè)計水平評估。評估分析相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則和安全系數(shù)等應(yīng)基于原始設(shè)計采用的規(guī)格書，任何損壞、修理、侵蝕或其他結(jié)構(gòu)性能影響因素均應(yīng)考慮在內(nèi)。本評估中，所有結(jié)構(gòu)分析工作都使用由Bentley公司開發(fā)研制的SACS軟件進(jìn)行，這是國際上比較先進(jìn)的得到普遍使用的海工結(jié)構(gòu)分析程序。

3.1 渤海導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)靜力分析

渤海導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)靜力分析為平臺在位分析最重要的內(nèi)容，用來校核其在冰載荷、風(fēng)載荷和波流載荷聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在位分析按照設(shè)計規(guī)范［3］要求進(jìn)行，分為操作工況、極端工況和輕載工況三大類校核。

①操作工況校核：該工況為一年期下最極端的氣候條件下平臺正常作業(yè)，同時承受來自8個主方向的一年一遇的風(fēng)、波和流載荷聯(lián)合作用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，按照一年期的天文潮細(xì)分為操作高水位和操作低水位，共計16種校核工況。

②操作冰工況校核［4］：由于渤海海域冬季冰情嚴(yán)重，所以還特別需要校核冰載荷的影響，即操作冰工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。該工況為平臺正常作業(yè)情況下承受來自8個主方向的一年一遇的風(fēng)、流和冰載荷聯(lián)合作用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核；其中冰載荷按照所處水位作用在導(dǎo)管架主腿和隔水套管上，相應(yīng)的冰載荷計算詳見渤海海域鋼質(zhì)固定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定，同樣按照一年期的天文潮細(xì)分為操作高水位和操作低水位，共計16種校核工況。

③極端工況校核：該工況為平臺在百年一遇的極端氣候條件下已停止作業(yè)，按照設(shè)計規(guī)范要求部分作業(yè)載荷減半的情況，平臺同時承受來自8個主方向的百年一遇的風(fēng)、波和流載荷聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核；同時，按照百年期的極端天文潮細(xì)分為極端高水位和極端低水位，共計16種校核工況。

④極端冰工況校核：該工況為平臺在百年一遇的極端氣候條件下已停止作業(yè)，按照設(shè)計規(guī)范要求部分，作業(yè)載荷減半的情況下，承受來自8個主方向的一年一遇的風(fēng)、流和冰載荷聯(lián)合作用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核；其中冰載荷按照所處水位作用在導(dǎo)管架主腿和隔水套管上，相應(yīng)的冰載荷計算詳見渤海海域鋼質(zhì)固定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定；同時，按照百年期的極端天文潮細(xì)分為極端高水位和極端低水位，共計16種校核工況。

⑤極端輕載工況校核：此工況是考慮百年極端氣候條件下平臺是否有發(fā)生極端傾覆的風(fēng)險，考慮將上部組塊的所有設(shè)備設(shè)施撤離，只保留上部組塊和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)自身存在的情況下，觀察平臺的樁基能否承受極端載荷的影響和是否會發(fā)生傾覆。該工況為平臺在百年一遇的極端氣候條件下已停止作業(yè)，按照設(shè)計規(guī)范要求減掉所有作業(yè)載荷的情況下承受來自8個主方向的百年一遇的風(fēng)、波浪和流載荷聯(lián)合作用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核；同時，按照百年期的極端天文潮細(xì)分為極端高水位和極端低水位，共計16種校核工況。

⑥冰輕載工況校核：此工況是考慮百年極端冰厚條件下平臺是否有發(fā)生極端傾覆的風(fēng)險，考慮將上部組塊上的所有設(shè)備設(shè)施撤離，只保留上部組塊和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)自身存在的情況下，觀察平臺的樁基能否承受極端冰情的影響和是否會發(fā)生傾覆。該工況為平臺在百年一遇的極端氣候條件下已停止作業(yè)，按照設(shè)計規(guī)范要求，減掉所有作業(yè)載荷的情況下，承受來自8個主方向的百年一遇的風(fēng)、流和冰載荷聯(lián)合作用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核；同時，按照百年期的極端天文潮細(xì)分為極端高水位和極端低水位，共計16種校核工況。

3.2 渤海導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)地震分析

渤海導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)地震分析為平臺在位分析重要的一部分，用來校核其在地震力作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。抗地震設(shè)計一般遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則，國內(nèi)地震分析通常采取響應(yīng)譜法進(jìn)行設(shè)計，用有效地面加速度可以建立一個量化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計譜；至少要進(jìn)行強(qiáng)度水平和韌性水平2種情況下的結(jié)構(gòu)校核，其中強(qiáng)度水平加速度一般取200年一遇的地震加速度，韌性水平加速度一般取1 000年一遇的地震加速度。由于渤海海域3類地區(qū)的地震加速度過大，所以常規(guī)的響應(yīng)譜法韌性水平下結(jié)構(gòu)很難滿足規(guī)范要求，此時可采用響應(yīng)譜法和靜力彈塑性法結(jié)合進(jìn)行地震韌性分析。

3.3 渤海導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)疲勞分析

渤海導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)疲勞分析主要依據(jù)API RP 2A-WSD規(guī)范，對于結(jié)構(gòu)管節(jié)點的疲勞分析，該規(guī)范提供了一種簡化疲勞方法［5］。

4 平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)對措施

依據(jù)安全評估規(guī)范要求，首先，對渤海導(dǎo)管架平臺進(jìn)行平臺整體檢測并將檢測數(shù)據(jù)形成報告文件；其次，將檢測報告中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、篩選，從而將部分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)在SACS計算中更新，并按照相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則和安全系數(shù)等基于原始設(shè)計采用的規(guī)格書對其重新進(jìn)行計算分析；最后，根據(jù)對應(yīng)的靜力、地震和疲勞分析結(jié)果對平臺采取不同的應(yīng)對處理措施。

①在設(shè)計水平評估下，目標(biāo)導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)、管節(jié)點強(qiáng)度均滿足要求，無需任何處理即可繼續(xù)使用。

②在設(shè)計水平評估下，目標(biāo)導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求，只能采取報廢處理措施。

③對于在設(shè)計水平評估下，目標(biāo)導(dǎo)管架僅地震韌性水平下主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求，此時可以采取極限評估方法，若極限評估下主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，則平臺可以繼續(xù)使用。

④對于在設(shè)計水平評估下，目標(biāo)導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，但管節(jié)點強(qiáng)度不滿足要求的，此時仍可進(jìn)行不帶此管節(jié)點弦桿的設(shè)計水平評估；若此時主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度仍滿足要求，那么平臺只需進(jìn)行局部加強(qiáng)處理即可。具體實施方法為先切掉此管節(jié)點弦桿對應(yīng)段，然后換上加厚的管段重新焊接，使之滿足管節(jié)點強(qiáng)度要求。