自升式平臺可靠性分析法及海上模態(tài)測試驗證

馮 勤，劉 續(xù)，陳 達

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

目前，隨著對能源需求的加劇，海洋油氣資源的勘探開發(fā)力度越來越大。自升式鉆井平臺移動性良好，作業(yè)水深范圍較大，在中深水海洋油氣資源勘探開發(fā)中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。但是，在實際作業(yè)過程中，由于環(huán)境載荷、操作載荷和海床地質(zhì)條件等因素，自升式平臺結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生局部損壞失效。因此，亟需對自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)安全性的判斷標準進行研究。

由于自升式平臺結(jié)構(gòu)剛度相對較弱，結(jié)構(gòu)分析需要充分考慮結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征。平臺動力振動特性的研究主要有兩種方法，一是利用計算機仿真模型進行研究，二是通過實驗進行研究[1]。但由于自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，給自升式鉆井平臺的計算機仿真研究和實驗研究帶來了較大的困難。一方面體現(xiàn)在自升式鉆井平臺計算機仿真不夠精確，常常無法真實地反應(yīng)其結(jié)構(gòu)動力特性[2]；另一方面海上實驗條件惡劣，無法準確地掌握自升式鉆井平臺海上真實振動信號[3]。目前，自升式鉆井平臺的實驗研究主要以縮放模型為主，通過振動臺和激振器提供外界激勵的方法對自升式鉆井平臺縮放模型進行實驗研究，而較少進行海上現(xiàn)場實驗研究[4]。

本文以“勘探二號”自升式平臺為研究對象，建立了平臺USFOS 仿真有限元模型，首次提出了建立在失效概率分析基礎(chǔ)上，采用有限元仿真模型判斷自升式平臺的可靠性的計算法；同時，利用有限元模型計算得到平臺的固有周期與振型，并提出了以加速度傳感器來測試平臺結(jié)構(gòu)振動特征及驗證數(shù)字仿真模型的思路，驗證了有限元仿真模型的準確性。

1 可靠性評估理論

可靠性評估基于海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的極限狀態(tài)中的破壞準則，自升式平臺結(jié)構(gòu)的失效概率Pf為載荷水平超過結(jié)構(gòu)抗力的概率，其失效概率Pf表達式為：

式中：n為環(huán)境載荷方向數(shù)目，個；PE為環(huán)境載荷的年超越概率。

根據(jù)Shell 石油公司的結(jié)構(gòu)可靠性計算模型可知[5]，年超越概率PE為超過載荷水平E 的長期載荷指數(shù)分布函數(shù)，表達式為：

式中： A和E0為環(huán)境載荷分布的特征因子，推薦A=180，E0=0.102。E 為超過載荷參數(shù)，該參數(shù)是判斷自升式平臺結(jié)構(gòu)失效概率計算的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)。選取怎樣的基礎(chǔ)參數(shù)進行PE計算顯得尤為重要。因此，根據(jù)相關(guān)研究，參考平臺的結(jié)構(gòu)失效概率計算中采用的結(jié)構(gòu)儲備強度因子RSR（Reserved Strength Ratio）作為基礎(chǔ)參數(shù)，其表達式為：

式中：Fult為結(jié)構(gòu)倒塌時極限載荷，N；F100為100 年重現(xiàn)期環(huán)境載荷，N。

自升式平臺與導(dǎo)管架平臺在結(jié)構(gòu)強度和剛度分析方面具有很多相似之處，結(jié)構(gòu)在海上環(huán)境荷載下的結(jié)構(gòu)失效特征和規(guī)范監(jiān)測標準類似。因此，自升式平臺結(jié)構(gòu)的可靠性分析參考Shell 石油公司對導(dǎo)管架平臺研究的可靠性指標，結(jié)構(gòu)失效概率閾值定為3.0×10?5。采用此可靠性評估理論計算得到自升式平臺結(jié)構(gòu)失效概率，若計算值低于3.0×10?5，則認為自升式平臺是可靠安全的，否則被認為是不可靠不安全的。

可靠性評估的流程主要分為如下四步驟：

（1）根據(jù)自升式平臺結(jié)構(gòu)特征建立USFOS 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型；

（2）選取百年一遇8 個方向的環(huán)境荷載（波、流、風(fēng)）作用于平臺結(jié)構(gòu)，利用海洋工程結(jié)構(gòu)分析計算軟件USFOS 進行垮塌分析，計算得到平臺在不同環(huán)境方向環(huán)境荷載作用下的結(jié)構(gòu)儲備強度因子RSR值；

（3）根據(jù)Shell 標準計算平臺的年超越概率PE和失效概率Pf；

（4）基于Shell 海洋結(jié)構(gòu)物失效概率指標與平臺失效概率Pf進行對比，評估自升式平臺結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

2 有限元仿真模型

“勘探二號”平臺樁腿為桁架式樁腿，艏一艉二，分別編號為船艏1#、左舷3#、右舷2#樁腿。每個樁腿的橫截面形式是三角形，每個樁腿下部均設(shè)有多邊形的樁靴結(jié)構(gòu)。平臺圍阱區(qū)為方形，在艏部#2～#7 肋位設(shè)置一個圍阱區(qū)，在艉部#19～#25 肋位設(shè)置二個圍阱區(qū)。圍阱區(qū)上端設(shè)有升降室，升降裝置位于升降室內(nèi)，用以升降及約束樁腿垂直位移。升降室的頂部及圍阱區(qū)底部設(shè)有上、下導(dǎo)向，用以約束樁腿與船體之間水平相對運動。

結(jié)合“勘探二號”平臺的結(jié)構(gòu)特點，本文采用海洋工程非線性結(jié)構(gòu)分析軟件USFOS 進行建模[6]。

（1）根據(jù)“勘探二號”平臺的結(jié)構(gòu)特點，使用殼單元和梁單元來模擬自升式平臺的結(jié)構(gòu)，通過合理的簡化，將平臺結(jié)構(gòu)離散為空間的梁-殼組合模型。平臺船體的主甲板、底板、橫艙壁以及縱艙壁等主要結(jié)構(gòu)采用殼單元進行相應(yīng)的模擬，主要采用四節(jié)點殼單元，少量使用3節(jié)點殼單元；船體縱桁、強橫梁等構(gòu)件采用梁單元進行模擬，骨材、扶強材以及加強筋等結(jié)構(gòu)未考慮。

（2）樁腿主要由弦桿、水平撐桿及斜撐桿等組成，采用梁單元進行模擬。

（3）樁腿和船體采用具有適當剛度的梁單元進行特殊的結(jié)構(gòu)布置模擬齒輪齒條連接裝置，以反映連接區(qū)域的相對柔性。

（4）樁靴結(jié)構(gòu)采用等效剛度的梁單元空間結(jié)構(gòu)模擬，樁靴底部設(shè)置為鉸支約束。

（5）結(jié)構(gòu)垮塌分析采用結(jié)構(gòu)材料非線性分析方法，充分考慮了材料屈服后的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)狀況。

根據(jù)以上模擬處理方法建立“勘探二號”平臺USFOS 有限元模型（圖1）。

圖1 “勘探二號”平臺有限元模型Fig.1 The finite element model of “Kantan 2”

3 可靠性分析

基于自升式平臺在位作業(yè)的特點，以及遭受意外突發(fā)情況的可能性，著重考慮樁腿水線處和樁靴入泥處的弦桿、水平撐桿和斜撐桿遭遇意外情況后桿件受損失效后的情況；考慮到平臺具有一定的對稱性及意外情況的復(fù)雜性，重點考慮1#和3#樁腿的桿件受損失效，桿件編號示意圖見圖2～圖3。根據(jù)平臺遭受意外突發(fā)情況的可能性及最惡劣工況的組合，著重考慮了12 種工況，工況計算見表1。平臺載荷參考“勘探二號”平臺操船手冊，平臺及固定載荷、可變荷載以及大鉤活荷載以平臺等效密度的方式施加在全船上，通過調(diào)整重心使三個樁腿的反力大致相同。井架及底座荷載按照下底座在風(fēng)暴工況下和船體的滑道梁接觸位置，施加在實際接觸點上。由于環(huán)境載荷作用平臺的方向不同，對每種工況考慮0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°八個不同方向環(huán)境載荷作用進行垮塌分析，計算得到不同工況下不同方向的RSR 值，從而計算自升式平臺的結(jié)構(gòu)可靠性的年度失效概率，其結(jié)果見表2。

表1 工況計算表Table 1 Load cases

表2 平臺結(jié)構(gòu)可靠性概率值Table 2 Reliability probability of platform structure

圖2 1#樁腿桿件編號圖Fig.2 Elements ID of 1# leg

圖3 3#樁腿桿件編號圖Fig.3 Elements ID of 3# leg

從表2 可知，工況LC10、LC11 和LC12 年失效概率都大于3.50×10?5，超過可靠性判斷指標，平臺結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)作業(yè)。

4 模態(tài)測試方案

4.1 測試模型

為真實有效地獲得試驗數(shù)據(jù)，選取“勘探二號”自升式平臺作為結(jié)構(gòu)模型，采用海上試驗方法進行測試試驗?！翱碧蕉枴逼脚_為自升式桁架結(jié)構(gòu)，由平臺船體、桁架式樁腿、升降系統(tǒng)和樁靴四部分結(jié)構(gòu)組成。平臺船體為多邊形箱體結(jié)構(gòu)，由5 道縱艙壁和5道橫艙壁將箱形平臺主體劃分成若干艙室，平臺有內(nèi)外兩層底板?！翱碧蕉枴逼脚_尺寸為長71.9 m、寬64.6 m、高125.9 m。

4.2 測試系統(tǒng)

由于壓電式加速度傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕、體積小、對被測件的影響小以及安裝使用方便等優(yōu)點[6-9]，同時考慮到自升式平臺結(jié)構(gòu)響應(yīng)的頻率范圍，自升式平臺振動測試系統(tǒng)選取壓電式加速度傳感器。

結(jié)合試驗研究數(shù)據(jù)的需求，考慮到自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)響應(yīng)的頻率特征，確定結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實時顯示軟件三部分組成。加速度傳感器通過傳輸線纜連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)USB 連接線將自升式平臺時域振動信號數(shù)據(jù)和經(jīng)傅里葉變換（FFT）頻域數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)在軟件顯示界面上。

平臺樁腿位置選擇1A202E 低頻壓電式加速度傳感器，平臺甲板位置選擇2D001 速度傳感器，甲板上放置一臺32 通道的DH5983 便攜式動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，利用USB3.0 與計算機終端通訊。表3 和表4為1A202E 低頻加速度傳感器和2D001 磁電式低頻速度傳感器的主要技術(shù)指標。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用DH5983便攜式動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，DH5983 通過USB3.0與計算機終端連接。

表3 1A202E 低頻加速度傳感器Table 3 The 1A202E low frequency acceleration sensor

表4 2D001 磁電式低頻速度傳感器Table 4 The 2D001 magnetoelectric low frequency speed sensor

4.3 測試設(shè)計方案

試驗測點布置應(yīng)遵循以下原則：（1）安放在平臺及船體連接處；（2）安放在剛度變化較明顯的位置處；（3）盡可安放在平臺受力均勻處；（4）左右應(yīng)對稱配置。

根據(jù)測點布置原則，以及自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)特點，同時考慮到試驗數(shù)據(jù)的精確性，優(yōu)化設(shè)計了“勘探二號”平臺測試試驗測點。平臺每個樁腿各布置1 個測點，平臺甲板上布置1 個測點，圍阱區(qū)布置1 個測點，共計5 個測點，每個測點測量X、Y、Z三個方向的時間信號。

5 現(xiàn)場測試及分析

5.1 現(xiàn)場實施

根據(jù)結(jié)構(gòu)測試試驗方案，采用海上現(xiàn)場安裝實施方式進行試驗測試，1A202E 壓電式加速度傳感器采用磁力座安裝方式固定在樁腿上，2D001 速度傳感器采用橡皮泥固定在平臺甲板上，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見圖4。

圖4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 The site data acquisition system

5.2 試驗數(shù)據(jù)分析

結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)現(xiàn)場安裝調(diào)試結(jié)束后即開始數(shù)據(jù)采集，采集頻率為10 Hz，現(xiàn)場每個測點的部分測試原始信號見圖5(a)～圖5(e)。

圖5 測點1～5 現(xiàn)場測試原始信號Fig.5 Monitoring date of point 1～5 on site

采用傅里葉變換[10]對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行處理，處理后得到各個測點的相應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)試原始信號（圖6(a)～圖6(e)）。

圖6 測點1～5 頻譜數(shù)據(jù)Fig.6 The spectrum data of point 1～5

5.3 測試結(jié)果與仿真分析對比

提取各個測點X、Y 兩個方向的頻譜數(shù)據(jù)，然后進行加權(quán)平均，計算得到各個測點的自振周期[10-13]。采用USFOS 軟件對“勘探二號”平臺進行模態(tài)分析[10]，計算提取平臺前9 階的自振周期分別為一階4.85 s、二階4.58 s、三階3.13 s、四階1.55 s、五階1.16 s、六階0.87 s、七階0.65 s、八階0.41 s 及九階0.31 s。圖7(a)～圖7(e)分別展示了USFOS 仿真分析結(jié)果與試驗測試結(jié)果的對比。

圖7 1～5 號測點仿真分析和試驗結(jié)果對比Fig.7 Comparison of simulation analysis and monitoring results for point 1～5

從圖7(a)～圖7(e)可以看出，平臺仿真分析的前3 階固有自振周期分別為4.85 s、4.58 s、3.13 s，現(xiàn)場測試的平臺前3 階固有自振周期分別為4.83 s、4.05 s、2.84 s，與仿真分析結(jié)果相對誤差分別為0.59%、11.63%、9.08%，仿真模型計算的結(jié)果與測試結(jié)果基本一致。需要特別指出的是結(jié)構(gòu)的第一、二和三振型都非?？拷Ｇ叭A分別代表平臺結(jié)構(gòu)的整體振型。這測試結(jié)果驗證了所建USFOS 仿真結(jié)構(gòu)整體模型非常準確，能夠反映出真實的結(jié)構(gòu)動力特征。另外，第4 至9 階自振周期也變化趨勢一致，這5 階振型主要為平臺結(jié)構(gòu)局部振型。也說明有限元仿真模型較為準確可靠，從而驗證了仿真計算分析的準確性。

6 結(jié)論

本文以“勘探二號”自升式平臺為研究對象，建立了平臺數(shù)字仿真有限元模型，首次提出了建立在失效概率分析基礎(chǔ)上，采用有限元仿真模型判斷自升式平臺的可靠性的計算方法；從而可以在平臺作業(yè)中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部失效時，快速判斷平臺結(jié)構(gòu)的可靠性，為平臺繼續(xù)生產(chǎn)作業(yè)提供可靠的技術(shù)依據(jù)。同時，利用有限元模型計算得到平臺的固有周期與振型，并提出了以加速度傳感器來測試平臺結(jié)構(gòu)振動特征及驗證數(shù)字仿真模型的思路；完成了海上現(xiàn)場測試試驗，驗證了有限元仿真模型的準確性。取得的結(jié)論有：

（1）該項目的研究方法和結(jié)論為判斷自升式平臺的結(jié)構(gòu)可靠性提供了一種量化判斷方法，其結(jié)論可以運用于作業(yè)者的實際生產(chǎn)作業(yè)中。

（2）該項目發(fā)明了一種采用加速度傳感器測試自升式平臺自振頻率或周期的方法；其測試結(jié)果可以與仿真計算的自振頻率或周期進行對比分析；特別是前三階結(jié)構(gòu)主振型的對比分析，從而可以判定仿真模型的準確性。

（3）該項目的研究成果可以用于針對性平臺的大數(shù)據(jù)庫的建立，為將來的快速平臺結(jié)構(gòu)可靠性判斷提供技術(shù)依據(jù)。

（4）針對自升式平臺結(jié)構(gòu)振動特征，基于加速度傳感器設(shè)計了加速度傳感器測試系統(tǒng)，能夠較準確地測試自升式平臺的自振周期。