，，

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063； 2.深圳市潤渤船舶與石油技術(shù)服務(wù)有限公司,廣東 深圳 518067)

鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺在復(fù)雜的海洋環(huán)境中工作，除了受到正常的工作荷載外，還要受到海風(fēng)、波浪、海流和海冰等環(huán)境荷載的作用[1]。同時還可能發(fā)生意外事故，如供應(yīng)船與平臺結(jié)構(gòu)的碰撞，平臺上部模塊落下的重物等。碰撞經(jīng)常使平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生整體彎曲和局部凹陷變形，承載能力降低，影響構(gòu)件的安全，由于海上受損構(gòu)件的修理比較困難，而且費(fèi)用較高，對海洋平臺結(jié)構(gòu)受損構(gòu)件剩余強(qiáng)度進(jìn)行評估，是提出合理可行的修理加固方案的前提條件。在研究海洋導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)碰撞文獻(xiàn)中，大多是從動力學(xué)和準(zhǔn)靜態(tài)角度研究平臺碰撞過程。本文主要從工程意義角度出發(fā)，以某海洋導(dǎo)管架平臺在安裝時某構(gòu)件受損為例，對受損構(gòu)件進(jìn)行剩余強(qiáng)度評估，并采用有限元方法研究受損構(gòu)件的截面縮減公式。

1 受損平臺概述

該平臺是一座4腿12裙樁深水導(dǎo)管架鋼質(zhì)平臺，設(shè)計水深為101 m。在導(dǎo)管架平臺完成組塊吊裝后，對導(dǎo)管架水下桿件進(jìn)行檢查時，發(fā)現(xiàn)該導(dǎo)管架EL(-)32 m水平層一根構(gòu)件發(fā)生局部凹陷變形。該損傷降低了導(dǎo)管架的安全系數(shù)，需根據(jù)實際情況對損傷情況進(jìn)行評估，為平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析和提出合理修復(fù)方案提供依據(jù)。

2 桿件損傷情況描述

受損構(gòu)件的位置位于導(dǎo)管架EL(-)32 m水平層，是一根直徑914 mm，壁原19 mm的水平圓管，長度18.3 m(見圖1)。其材料的屈服強(qiáng)度415 MPa。局部凹陷變形的深度150 mm，寬度400 mm，長度1 200 mm，位于構(gòu)件中部。

圖1 EL(-)32.00 m水平層結(jié)構(gòu)布置

3 受損構(gòu)件剩余強(qiáng)度評估

為評估受損構(gòu)件剩余強(qiáng)度以及對平臺整體強(qiáng)度的影響，采用原詳細(xì)設(shè)計的SACS模型和載荷條件等，對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性范圍內(nèi)的靜力分析。根據(jù)桿件的受損情況，強(qiáng)度評估的假設(shè)條件如下。①受損構(gòu)件與其它相鄰桿件連接焊縫完好；②受損構(gòu)件變形部分不考慮產(chǎn)生裂紋；③受損構(gòu)件的整體變形按75 mm考慮。

3.1 受損構(gòu)件截面縮減

API RP 2A中[2]沒有對受損構(gòu)件截面折算的推薦做法，目前導(dǎo)管架平臺整體分析的SACS軟件引用了EN ISO 19902[3]等做法來評估受損桿件。ISO和大量支持文獻(xiàn)對截面的凹陷程度要求為h≤0.3D且h≤10t。此受損桿件的h/t=7.9<10，在ISO推薦公式的范圍內(nèi)。受損構(gòu)件截面積縮減公式如下。

Ad=ξcA

(1)

Id=ξmIo

(2)

ξc=e-0.08h/t

(3)

ξm=e-0.06h/t

(4)

式中：h——凹陷的最大深度；

t——圓管壁厚；

Ad——受損截面的有效面積；

A——未受損截面面積；

ξc——截面面積縮減系數(shù)；

Id——受損截面有效慣性矩；

Io——未受損截面慣性矩；

ξm——慣性矩縮減系數(shù)。

按照上述公式對凹陷截面積和慣性矩進(jìn)行折算。受損截面有效面積Ad=283.9 cm2；受損截面有效慣性矩Id=333 072.1 cm4。

3.2 評估結(jié)果及分析

在導(dǎo)管架平臺SACS模型中輸入修正后受損構(gòu)件的截面特性(見圖2)和屈服強(qiáng)度進(jìn)行平臺整體強(qiáng)度核算，核算采用的載荷與詳細(xì)設(shè)計一致。

圖2 受損導(dǎo)管架平臺SACS實體模型

1)未受損時，在極端情況下(即百年一遇工況)，按415 MPa校核，該桿件應(yīng)力比為0.33；承受的最大軸向力為3 948.7 kN。

2)受損后，按415 MPa屈服強(qiáng)度校核，極端情況下最大應(yīng)力比值為0.51。承受的最大軸向力為3 891.8 kN。

由上述結(jié)果可知，該構(gòu)件受損后最大應(yīng)力比值增大了0.18，軸向承載力降低了56.9 kN。該構(gòu)件受損后的最大應(yīng)力比值小于1.0，仍滿足API規(guī)范要求。整個平臺強(qiáng)度仍能滿足作業(yè)要求，但需要對受損構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)。

4 有限元方法求截面縮減公式

4.1 有限元模型

受損構(gòu)件是長度為18 300 mm的圓管，其直徑914 mm、壁厚19 mm。用板單元對圓管進(jìn)行模擬，采用大量四邊形單元，過渡處采用少量三角形單元。網(wǎng)格劃分時，圓管環(huán)向劃分為28等分，縱向為100 mm等分。將凹陷變形簡化為橢圓進(jìn)行模型，凹陷位置假定在圓管中部。凹陷變形處單元細(xì)化為30 mm×30 mm的四邊形單元。圖3所示為凹陷深度為150 mm時有限元模型。建立一組不同凹陷深度的圓管模型，凹陷深度分別取為0、30、60、90、120、150、180 mm。

圖3 凹陷深度為150 mm的圓管有限元模型與載荷

4.2 載荷及邊界條件

從SACS結(jié)果文件中，提取出該構(gòu)件應(yīng)力比值最大時兩端節(jié)點的位移值，作為強(qiáng)迫位移通過MPC(多點約束)加載到圓管有限元模型的兩端。

4.3 分析結(jié)果

(5)

(6)

圖4 截面面積縮減曲線回歸與修正

凹陷深度/(h·mm-1)截面面積縮減系數(shù)縮減后截面面積/mm2折算后內(nèi)徑/mm折算后慣性矩I/cm4ξdm=Ii/I101.00 53 395.7 876.0 534 882.1 1.00 30 0.8746 689.5 880.9 470 196.6 0.88 60 0.76 40 825.5 885.1 413 048.4 0.77 90 0.67 35 698.0 888.8 362 629.0 0.68 120 0.58 312 14.6 892.0 318 198.9 0.59 150 0.51 27 294.2 894.8 279 086.7 0.52 180 0.4523 866.2 897.2244 686.2 0.46

圖5 截面慣性矩縮減曲線

將所得式(5)和(6)與ISO推薦式(3)和(4)分別比較可知(見圖4和圖5)，當(dāng)h/t比值相同時，式(5)和(6)算得的系數(shù)比式(3)和(4)小。

4.4 受損構(gòu)件再評估

將折算后截面數(shù)據(jù)輸入SACS模型中，計算得：按415 MPa屈服強(qiáng)度校核，極端情況下最大應(yīng)力比值為0.51。承受最大軸向力為3 891.8 kN。

受損構(gòu)件的應(yīng)力比小于1.0，仍滿足API規(guī)范要求。

與ISO標(biāo)準(zhǔn)推薦公式計算結(jié)果很相近，應(yīng)力比大0.01，軸向承載力降低了4.4 kN。

5 結(jié)論

1)按照ISO推薦公式對受損構(gòu)件截面進(jìn)行縮減，利用SACS軟件計算可知，按415 MPa屈服強(qiáng)度校核，極端情況下最大應(yīng)力比值為0.51。承受的最大軸向力為3 891.8 kN。該構(gòu)件剩余強(qiáng)度仍滿足API規(guī)范要求，不影響平臺作業(yè)，但需要對受損構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)。

3)采用有限元計算得出的截面縮減公式對受損構(gòu)件截面進(jìn)行折算，按屈服強(qiáng)度415 MPa校核，該受損構(gòu)件在極端情況下最大應(yīng)力比值為0.51，承受的最大軸向力為3 891.8 kN。與結(jié)論1)結(jié)果相似。

本文從工程意義和靜力學(xué)角度出發(fā)，分析了某導(dǎo)管架平臺受損構(gòu)件的剩余強(qiáng)度，未考慮受損構(gòu)件發(fā)生碰撞時的動力響應(yīng)過程及圓管的初始幾何缺陷和殘余應(yīng)力。采用有限元軟件分析截面縮減公式時，將凹陷形狀簡化為橢圓形；只分析了凹陷深度的變化與截面縮減公式的關(guān)系，未對凹陷長度及寬度的變化與截面縮減的關(guān)系進(jìn)行分析。

[1] 金偉良，龔順風(fēng)，宋 劍.大型船舶碰撞引起的海洋導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)損傷分析[J].海洋工程，2003，21(2):20-25.

[2] American Petroleum Institute. API recommended practice 2A-WSD(RP2A-WSD)[S].Twenty-First Edition,2000.

[3] American Petroleum and natural gas industries—Fixed steel offshore structures(BS EN ISO19902)[S].2007.