基于SACS的老齡導(dǎo)管架平臺靜力分析

摘" " 要：針對某渤海小型老齡導(dǎo)管架平臺，基于SACS軟件，對該平臺進(jìn)行了上浪及靜力分析，主要研究了平臺響應(yīng)對沉降/海底沖刷深度的敏感性。結(jié)果表明：極端冰工況為該平臺的控制工況，且新增結(jié)構(gòu)的安全性較弱。在極端冰工況下，平臺桿件及節(jié)點(diǎn)最大UC值隨沉降/沖刷深度的加深而接近線性增長，且新增結(jié)構(gòu)的最大桿件及節(jié)點(diǎn)UC值會超過1。同時(shí)，當(dāng)沖刷超過72.50cm時(shí)，平臺主體的樁基承壓安全系數(shù)不再滿足要求。本文分析結(jié)果對類似平臺的檢測維修和延壽評估具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架平臺；SACS；上浪；靜力分析；沉降；沖刷

中圖分類號：P752" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Static Analysis of Aged Jacket Platform Based on SACS Software

YAO Yunpeng，" FU Zhiguo，" XU Hui，" DING Guolin

（ Offshore Technology Center of China Classification Society， Tianjin 300457 ）

Abstract： In terms of a shallow water aged jacket platform in the Bohai Sea， the green water load and static analysis of the platform was carried out based on SACS software. The sensitivity of the platform response to subsidence/ submarine scour depth was mainly studied. The results show that the safety of the newly added structures is weak under extreme ice conditions which are control conditions. Under the extreme ice conditions， the maximum UC values of platform members and joints increase linearly with the deepening of subsidence/scour depth， and the maximum UC values of newly added structures exceed 1. Further， when the scour exceeds 72.50 cm， the bearing safety factor of the pile foundation of the main body of the platform can no longer meet the requirements. The results have certain reference significance for the inspection， maintenance and life extension evaluation of similar platforms.

Key words： jacket platform;" SACS;" green water;" static analysis;" subsidence;" scour

1" " "引言

如今對于海洋油氣的開發(fā)中，導(dǎo)管架平臺憑借其結(jié)構(gòu)形式簡單、成本低等特點(diǎn)在淺海和中深海域的油氣開發(fā)市場中占據(jù)優(yōu)勢地位。目前我國的海洋工程領(lǐng)域，存在大量的現(xiàn)役導(dǎo)管架平臺，其中大多數(shù)服役壽命為20到25年。由于長期服役在惡劣的海洋環(huán)境下，導(dǎo)管架樁腿的深度腐蝕[1]、較厚的海生物附著[2]和長期的疲勞損傷[3]等原因會造成導(dǎo)管架平臺整體安全性的劇烈衰減，尤其是在平臺服役后期，甚至超期服役期間，平臺的安全性會受到較大挑戰(zhàn)。

除上述不利因素外，大量的實(shí)際監(jiān)測結(jié)果顯示，相當(dāng)數(shù)量的老齡平臺存在整體沉降問題[4]，致使平臺受到更大的彎矩外載。同時(shí)，海底土層的持續(xù)沖刷[5]亦會導(dǎo)致平臺樁基承載能力的下降。另外，部分老齡平臺由于改造等原因，新增部分結(jié)構(gòu)，其可靠性亦較低，為了保證平臺的安全生產(chǎn)，需要及時(shí)對老齡以及超期平臺的安全性進(jìn)行詳細(xì)評估。徐輝等[6]對老齡平臺的評估方法及程序等進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為相關(guān)的評估工作給出了指導(dǎo)。本文則主要參考《導(dǎo)則》[7]要求，具體以某渤海淺水小型導(dǎo)管架平臺為例，基于SACS軟件，從靜力分析的角度，重點(diǎn)分析平臺沉降及海底沖刷帶給平臺的影響，為后續(xù)相關(guān)的檢測及延壽評估工作提供一定的參考。

2" " "計(jì)算原理

靜力分析過程中，平臺受到的主要環(huán)境載荷為風(fēng)浪流以及冰的作用力，其計(jì)算原理具體如下：

風(fēng)載荷計(jì)算公式為：

（1）

式中：FD為風(fēng)力；ρ為空氣質(zhì)量密度；u為風(fēng)速；CS為形狀系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

垂直于小尺度圓形豎直桿件軸線方向，單位長度上的波浪載荷按Morison公式計(jì)算：

（2）

式中：Fw為波浪力；CD為拖曳力系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)；ρ為海水密度；D為桿件直徑；u為垂直于桿件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對于桿件的速度分量；a為垂直于桿件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對于桿件的加速度分量。

作用于單位長度圓柱上的流載荷計(jì)算公式為：

（3）

式中：FC為流載荷；CD為拖曳力系數(shù)；ρ為海水密度；A為單位長度圓柱垂直于流的投影面積；uc為海流流速。

在風(fēng)和流作用下，大面積冰源擠壓垂直孤立樁柱所產(chǎn)生的冰載荷[8]按下式計(jì)算：

（4）

式中：F1為冰力；m為形狀系數(shù)，圓形截面取0.9；σc為冰無側(cè)限壓縮強(qiáng)度；D為冰接觸區(qū)域結(jié)構(gòu)的寬度；h為冰厚。嵌入系數(shù)I和fc接觸系數(shù)可由下式得到：

（5）

3" " 平臺模型及環(huán)境參數(shù)

3.1" "平臺模型

本文選取服役于渤海海域的某三腿淺水導(dǎo)管架平臺（設(shè)計(jì)使用年限15年，目前已超期服役11年，并發(fā)生沉降0.55 m，沖刷2.2 m）進(jìn)行評估。除平臺主體外，于服役中期改造加裝三根獨(dú)立樁及相應(yīng)的水平撐桿（用以連通新的井位，下文統(tǒng)一用“新增結(jié)構(gòu)”指代）。該平臺服役水深為12.5 m，其操作重可變載荷取100%，極端重可變載荷取75%，海生物密度為1.40 t/m3，厚度見表1。

建立SACS模型時(shí)，依據(jù)最新的檢測報(bào)告，分別考慮了各桿件的腐蝕深度。后又考慮了飛濺區(qū)腐蝕速率為0.3 mm/年，冰磨蝕速率為0.1 mm/年。鑒于檢測報(bào)告顯示目前平臺上部組塊及樁腿表面油漆發(fā)生了大面積掉落，故在其余部位整體考慮0.1 mm的腐蝕，具體取值如表2所示。

3.2" " 環(huán)境參數(shù)

考慮50年重現(xiàn)期的極端冰厚為45 cm，極限抗壓強(qiáng)度為2244 kPa。操作及極端風(fēng)暴工況分別取1年和50年重現(xiàn)期，其對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)如表3所示。

4" " 計(jì)算結(jié)果及討論

4.1" "甲板氣隙分析

導(dǎo)管架平臺需要保持足夠的氣隙高度，因此對該平臺的甲板氣隙進(jìn)行分析，具體的甲板氣隙計(jì)算方法如下：

（6）

式中：T為甲板高程或設(shè)備底面高程；H為校核高水位水面高程；Hb為校核高水位的最大波高；Δ為富裕高度。

由表4可知，該平臺的甲板氣隙為1.05 m，小于1.5 m，不滿足要求。后經(jīng)過詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)極端風(fēng)暴工況高水位下的水質(zhì)點(diǎn)高度距離甲板下表面1.07 m，不會抨擊甲板，故甲板高程滿足安全要求，無需在后續(xù)的靜力分析中施加額外的波浪抨擊載荷。

4.2" "平臺靜力分析

采用3.2節(jié)環(huán)境條件，對該平臺進(jìn)行操作工況、極端風(fēng)暴工況以及極端冰工況下的靜力分析，具體計(jì)算結(jié)果如下。

由表5可得，平臺主體及新增結(jié)構(gòu)的UC值均小于1，滿足規(guī)范要求。由于該平臺主體處于淺水區(qū)域，且結(jié)構(gòu)形式簡單，受到的波流力有限，故其控制工況為極端冰工況。計(jì)算結(jié)果顯示，其中新增結(jié)構(gòu)的最大桿件UC值為0.991，最大節(jié)點(diǎn)UC值為0.994，而平臺主體的最大桿件UC值為0.392，最大節(jié)點(diǎn)UC值為0.494。同時(shí)，平臺主體和新增結(jié)構(gòu)的樁強(qiáng)度最大UC值為0.524。顯然，平臺主體的安全性較高，而新增結(jié)構(gòu)的最大桿件及節(jié)點(diǎn)UC值接近于1，需要重點(diǎn)進(jìn)行分析。平臺新增結(jié)構(gòu)最大UC值桿件及節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的位置在水線以上，同時(shí)，該平臺會定時(shí)清理海生物，且腐蝕狀況較為良好，故下文不再針對海生物厚度及腐蝕深度進(jìn)行進(jìn)一步討論。

通過表6可知，平臺主體及新增結(jié)構(gòu)樁基在操作工況下的承載力安全系數(shù)大于2.0，在極端工況下的承載力安全系數(shù)大于1.5，滿足規(guī)范[10]要求。其中，新增結(jié)構(gòu)的樁基承載力安全系數(shù)遠(yuǎn)在規(guī)范要求之上，安全性較高，下文不再對其進(jìn)行分析。

4.3" "平臺沉降敏感性分析

由于平臺的整體沉降現(xiàn)象，進(jìn)一步地，鑒于極端冰工況為該平臺的控制工況，且其余工況下的平臺響應(yīng)較小，故在極端冰工況下，分析了平臺響應(yīng)對于沉降深度的敏感性，選取的最大沉降深度為55 cm，具體的計(jì)算結(jié)果如圖4～7所示。

通過圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)：由于沉降的加深，冰載荷的加載位置相對于平臺結(jié)構(gòu)變高，施加的力矩變大，故平臺主體及新增結(jié)構(gòu)的桿件及節(jié)點(diǎn)的最大UC值均隨沉降深度增加而接近線性增加。同時(shí)，當(dāng)新增結(jié)構(gòu)沉降超過4.17 cm時(shí)，最大節(jié)點(diǎn)UC值超過1，當(dāng)新增結(jié)構(gòu)沉降超過11.67 cm時(shí)，最大桿件UC值超過1，不再滿足規(guī)范要求。

由圖6和圖7可得，沉降深度對鋼樁UC值及樁基承壓安全系數(shù)影響極小，但會導(dǎo)致平臺主體的樁基抗拔安全系數(shù)隨沉降深度增加而接近線性減小，但均滿足規(guī)范要求。

4.4" 平臺沖刷敏感性分析

導(dǎo)管架平臺常會發(fā)生海底泥面的沖刷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其樁基剛度的降低，影響平臺的安全性能，故本節(jié)在平臺未出現(xiàn)沉降現(xiàn)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行平臺對于沖刷深度的敏感性分析，選取的最大沖刷深度為200 cm，計(jì)算工況為極端冰工況，具體結(jié)果如圖8～11所示。

通過圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)：由于沖刷的加深，導(dǎo)致樁基剛度的降低，從而造成平臺主體及新增結(jié)構(gòu)的桿件及節(jié)點(diǎn)最大UC值均隨沖刷深度增加而接近線性增加。同時(shí)，當(dāng)新增結(jié)構(gòu)沖刷超過33.33 cm時(shí)，最大節(jié)點(diǎn)UC值超過1，當(dāng)新增結(jié)構(gòu)沖刷超過11.11 cm時(shí)，最大桿件UC值超過1，不再滿足規(guī)范要求。

由圖10和圖11可得，隨著沖刷深度的增加，鋼樁UC值接近線性增加，樁基承載力系數(shù)線性減小。尤其是當(dāng)沖刷深度超過72.50 cm時(shí)，平臺主體的樁基承壓安全系數(shù)小于1.5，不再滿足規(guī)范要求。

5" " "結(jié)論

針對渤海區(qū)域小型導(dǎo)管架平臺，采用SACS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，考慮了海生物、腐蝕的作用，分析了平臺響應(yīng)對沉降/沖刷深度的敏感性，結(jié)論如下：

1）對于渤海區(qū)域的淺水小型導(dǎo)管架平臺，由于其結(jié)構(gòu)形式簡單，故其控制工況為冰工況，在僅考慮海生物和腐蝕的影響下，平臺靜力分析結(jié)果滿足規(guī)范要求；

2）一定程度的沉降和沖刷均會導(dǎo)致平臺不再滿足規(guī)范要求，且平臺的最大桿件及節(jié)點(diǎn)UC值對平臺沉降深度/沖刷深度的敏感性較高，隨其增加而接近線性上升，同時(shí)，沖刷現(xiàn)象甚至?xí)?dǎo)致平臺樁基承載力的不足；

3）相比于原始的平臺主體結(jié)構(gòu)，新增結(jié)構(gòu)的安全性較弱，應(yīng)對相關(guān)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)監(jiān)測并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)，保證其安全性。

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