楊耀鵬，張大勇，婁春娟，岳前進(jìn)

(大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤(pán)錦 124221)

渤海某新建升壓站平臺(tái)的抗冰性能分析

楊耀鵬，張大勇，婁春娟，岳前進(jìn)

(大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤(pán)錦 124221)

為了明確海上升壓站平臺(tái)設(shè)計(jì)中抗冰設(shè)計(jì)的合理性，以渤海某新建升壓站平臺(tái)為例，采用有限元數(shù)值模擬方法分析典型冰況下升壓站平臺(tái)的抗冰性能，與渤海典型的油氣平臺(tái)對(duì)比表明，動(dòng)冰力下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)不明顯，在極值靜冰下結(jié)構(gòu)具有很大的靜力安全儲(chǔ)備；新設(shè)計(jì)的升壓站平臺(tái)具有較好的抗冰性能。

風(fēng)電，升壓站平臺(tái)，抗冰性能，數(shù)值模擬

海上升壓站是將小電壓變?yōu)榇箅妷旱暮Ｉ献冸娧b備。海上升壓站需要一定剛度的支撐結(jié)構(gòu)(升壓站平臺(tái))以保證風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行。目前升壓站平臺(tái)在無(wú)冰淺水海域發(fā)展比較成熟，而在冰區(qū)還未使用。

我國(guó)渤海冬季結(jié)冰，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，海冰對(duì)海上構(gòu)筑物的作用要遠(yuǎn)比其他載荷大。海冰對(duì)海上結(jié)構(gòu)物(如石油平臺(tái)、海上燈塔、海上升壓站)的作用通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制荷載。歷史上國(guó)內(nèi)外抗冰結(jié)構(gòu)曾發(fā)生多次工程事故[1-4]，使寒區(qū)海上油氣平臺(tái)的抗冰性能引起了人們的關(guān)注。海上升壓站平臺(tái)抗冰性能對(duì)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

根據(jù)與海冰作用處結(jié)構(gòu)形式的不同，現(xiàn)有冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)可分為直立結(jié)構(gòu)和錐體結(jié)構(gòu)?；诓澈４罅康默F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，海冰與直立結(jié)構(gòu)作用時(shí)，會(huì)在不同冰速下產(chǎn)生三種不同的冰破碎形式，導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)振動(dòng)形式。在冰速很慢且冰面比較平整時(shí)，冰會(huì)發(fā)生準(zhǔn)靜態(tài)(間歇性)擠壓破碎，結(jié)構(gòu)發(fā)生準(zhǔn)靜態(tài)振動(dòng)；當(dāng)冰與結(jié)構(gòu)作用速度緩慢增加，稍快于間歇性擠壓破碎時(shí)冰速，冰破碎的頻率會(huì)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率產(chǎn)生耦合，引起結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)的自激振動(dòng)，也稱(chēng)之為頻率鎖定；當(dāng)冰以較快的速度擠壓作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，冰板會(huì)發(fā)生脆性擠壓破碎，結(jié)構(gòu)響應(yīng)變?yōu)殡S機(jī)激勵(lì)下的隨機(jī)振動(dòng)[5]。冰與錐體結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)主要發(fā)生彎曲破壞，通常冰的彎曲強(qiáng)度要低于壓縮強(qiáng)度，冰與錐體結(jié)構(gòu)作用的荷載要低于直立結(jié)構(gòu)。錐體結(jié)構(gòu)情況，海冰的斷裂周期要明顯大于直立結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。錐體結(jié)構(gòu)交變冰力的基本形式是由加載、卸載和完全卸載組成的周期性脈沖，分別對(duì)應(yīng)海冰的彎曲斷裂、破碎冰上爬和破碎冰完全清除。有學(xué)者對(duì)在我國(guó)渤海JZ20-2MUQ平臺(tái)上測(cè)量得到的冰力與冰破碎行為進(jìn)行研究，認(rèn)為在窄錐結(jié)構(gòu)上的冰力具有一定的周期性，并建立錐體冰力函數(shù)[6]。有學(xué)者在已經(jīng)建立的確定性冰力函數(shù)的基礎(chǔ)上，利用實(shí)測(cè)的冰力數(shù)據(jù)，分析錐體冰力幅值和周期的統(tǒng)計(jì)特性，建立了隨機(jī)冰力函數(shù)，并借鑒波浪荷載的Neumann譜形式，建立錐體冰力譜[7-8]。

目前冰與規(guī)則的直立柱狀和錐體結(jié)構(gòu)相互作用研究已相對(duì)比較成熟，研究者從理論分析、模型實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段取得相應(yīng)成果。升壓站平臺(tái)還未在冰區(qū)投入使用，其功能特點(diǎn)與油氣平臺(tái)有所差異，但結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較類(lèi)似。因此，這里對(duì)升壓站平臺(tái)的抗冰性能分析借鑒目前渤?？贡蜌馄脚_(tái)的相關(guān)研究成果。

以渤海某新建海上升壓站平臺(tái)為例，基于數(shù)值模擬，明確該類(lèi)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并與典型的渤海導(dǎo)管架平臺(tái)比對(duì)；結(jié)合渤海多年的海冰現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析該升壓站平臺(tái)在極值靜冰力和典型動(dòng)冰力下的抗冰性能；最后，對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計(jì)提出建議。

1 海上升壓站平臺(tái)的力學(xué)特性分析

1.1 有限元模型的建立及模態(tài)分析

選取渤海某新建海上升壓站平臺(tái)，該平臺(tái)上部質(zhì)量為3 000 t，支撐結(jié)構(gòu)采用4腿斜導(dǎo)管架形式，導(dǎo)管架4個(gè)面的斜度均為2.5∶1.0，采用ANSYS軟件，建立該結(jié)構(gòu)的有限元模型，見(jiàn)圖1。建模過(guò)程中選取的單元類(lèi)型及單元作用見(jiàn)表1。

圖1 海上升壓站平臺(tái)的有限元模型

單元單元作用Mass21質(zhì)量點(diǎn)單元,模擬上部質(zhì)量Shell181模擬甲板或上部質(zhì)量Pipe288模擬導(dǎo)管架Beam188模擬水面以上導(dǎo)管架

由于海上升壓站平臺(tái)附屬設(shè)施較多，在建模過(guò)程中對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，保證結(jié)構(gòu)的主要幾何形狀、頻率及振型的真實(shí)性。表2為結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率，基頻為1.04 Hz。圖2～4為結(jié)構(gòu)的前3階振型，前2階結(jié)構(gòu)為水平振動(dòng)，而第3階為扭轉(zhuǎn)?；谀B(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)結(jié)構(gòu)與渤海典型的導(dǎo)管架平臺(tái)在基頻和振型上比較類(lèi)似。

表2 升壓站平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有頻率

圖2 1階振型

圖3 2階振型

圖4 3階振型

1.2 海上升壓站平臺(tái)力學(xué)性能分析

為了比對(duì)該升壓站平臺(tái)與渤海典型導(dǎo)管架平臺(tái)的力學(xué)特性，選取渤海遼東灣中北平臺(tái)。該平臺(tái)也是4腿導(dǎo)管架形式，但是用鋼量和上部質(zhì)量與升壓站平臺(tái)有所差異，表3是兩座平臺(tái)的等效力學(xué)參數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，由于升壓站平臺(tái)上部質(zhì)量較大，結(jié)構(gòu)基頻略高于中北平臺(tái)；兩者在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性上比較類(lèi)似，但由于升壓站平臺(tái)具有較大的水平剛度，其抗冰性能要優(yōu)于中北平臺(tái)。

經(jīng)多年在渤海海域?qū)１O(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)冰況下，冰力能量譜頻率多數(shù)集中在1 Hz左右[13]。

表3 導(dǎo)管架平臺(tái)的等效結(jié)構(gòu)參數(shù)

從表3可以看出，海上升壓站平臺(tái)結(jié)構(gòu)固有周期與冰力周期十分接近，海冰容易引起該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大問(wèn)題。

2 冰激海上升壓站平臺(tái)的響應(yīng)分析

2.1 極值冰力下平臺(tái)的響應(yīng)分析

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)，海上升壓站平臺(tái)所在海域設(shè)計(jì)冰厚取為39.8 cm(100年一遇)，對(duì)于直立結(jié)構(gòu)，靜冰力按API-RP-2N[14]規(guī)范給出的公式計(jì)算。

(1)

式中：α——常數(shù)，0.4～0.7，取α=0.7；σc——海冰的單軸壓縮強(qiáng)度，2.1 MPa；D——冰與結(jié)構(gòu)接觸寬度，2 m；t——冰厚，40 cm。

基于有限元數(shù)值模擬，得到極值冰力下升壓站平臺(tái)的最大強(qiáng)度和變形。極值冰力下平臺(tái)的最大應(yīng)力為107 MPa，遠(yuǎn)低于Q235鋼的屈服強(qiáng)度(235 MPa)；極值冰力下平臺(tái)的最大位移是0.010 4 m,滿(mǎn)足剛度要求。因此，在極值冰力作用下，升壓站平臺(tái)結(jié)構(gòu)具有很大的靜力安全儲(chǔ)備。

圖5 極值靜冰力下結(jié)構(gòu)的變形圖

圖6 極值靜冰力下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

3.2 典型動(dòng)冰力下平臺(tái)的冰振響應(yīng)分析

冰與直立結(jié)構(gòu)作用時(shí)，隨著冰速變化，冰擠壓破碎可以分為三種模式：低冰速時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)冰力，中冰速時(shí)的穩(wěn)態(tài)冰力，快冰速時(shí)隨機(jī)冰力。其中，準(zhǔn)靜態(tài)冰力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，本文不做考慮；穩(wěn)態(tài)冰力對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大，而快冰速下的隨機(jī)冰力占據(jù)絕大數(shù)冰況[15]。因此，動(dòng)冰力下該結(jié)構(gòu)的抗冰性能分析中選取典型冰況下的穩(wěn)態(tài)冰力和隨機(jī)冰力。

當(dāng)冰與結(jié)構(gòu)作用速度緩慢增加，快于間歇性擠壓破碎時(shí)(冰速為2 cm/s

圖7 穩(wěn)態(tài)冰力模型

本文選取的穩(wěn)態(tài)冰力冰況為冰厚36 cm，冰力周期與結(jié)構(gòu)基頻一致?；谟邢拊獢?shù)值模擬，到升壓站平臺(tái)的最大位移為1.57 cm、最大振動(dòng)加速度為39 cm/s2，見(jiàn)圖8、9。

圖8 動(dòng)冰力作用下平臺(tái)的甲板位移

圖9 動(dòng)冰力作用下甲板的冰振加速度

當(dāng)冰速很快時(shí)，冰板在樁腿上發(fā)生連續(xù)不規(guī)則的脆性擠壓破碎，由于接觸面上冰的碎塊大小不一，且壓力分布不均，形成的合力為不規(guī)則的隨機(jī)變化，同時(shí)引起結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)。K?rn?等[17]根據(jù)渤海和波斯尼亞灣燈塔上測(cè)得的大量樣本的隨機(jī)冰荷載數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析建立了隨機(jī)冰力譜。

(2)

本文選取冰厚0.36m、冰速1m/s冰況下的隨機(jī)冰力，基于譜分析方法，計(jì)算得到平臺(tái)最大位移為3.4cm，最大振動(dòng)加速度為31.84cm/s2，如圖10、11。

圖10 隨機(jī)冰力下結(jié)構(gòu)的位移

圖11 隨機(jī)冰力下甲板的冰振加速度譜

實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，渤海遼東灣中北平臺(tái)在該冰況下結(jié)構(gòu)的最大振動(dòng)加速度為35 cm/s2，略低于升壓站平臺(tái)，主要原因是中北平臺(tái)位于冰情較為嚴(yán)重的JZ20-2海域，為了保障平臺(tái)的冬季安全生產(chǎn)，該平臺(tái)在樁腿處安裝了抗冰錐體。

冬季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中北平臺(tái)冰振加速度見(jiàn)圖12。

圖12 基于實(shí)測(cè)的渤海遼東灣中北平臺(tái)振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)

由圖12可見(jiàn)，平臺(tái)甲板振動(dòng)加速度基本小于20 cm/s2。對(duì)升壓站平臺(tái)與中北平臺(tái)的比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，渤海某新建的升壓站平臺(tái)結(jié)構(gòu)具備一定的抗冰振性能(相對(duì)石油平臺(tái)而言)，但是否滿(mǎn)足升壓站平臺(tái)上供電系統(tǒng)的振動(dòng)要求，還有待進(jìn)一步分析。

3 結(jié)論

本文對(duì)渤海某新建海上升壓站平臺(tái)，利用ANSYS有限元數(shù)值模擬，明確結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特征，與典型的抗冰導(dǎo)管架平臺(tái)相比，結(jié)構(gòu)固有頻率都在1 Hz左右，但水平剛度較大?；谝延械暮１芯砍晒?，對(duì)升壓站平臺(tái)進(jìn)行極值靜冰力和動(dòng)冰力下的響應(yīng)分析，并與渤海典型的油氣平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，極值靜冰下，結(jié)構(gòu)具有很大的靜力安全儲(chǔ)備；動(dòng)冰力下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)不是很顯著?？傊?，與海洋石油平臺(tái)相比，該新設(shè)計(jì)的升壓站平臺(tái)具有較好的抗冰性能。

研究認(rèn)為，冰區(qū)海上升壓站平臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)以海冰為主要控制荷載，采取合理的冰力模型。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜力安全儲(chǔ)備太大，可以基于冰激結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析開(kāi)展結(jié)構(gòu)的抗冰基本設(shè)計(jì)。

3)冰激結(jié)構(gòu)振動(dòng)是否滿(mǎn)足升壓設(shè)施的運(yùn)行要求，還需進(jìn)一步研究。

4)平臺(tái)樁腿處安裝抗冰錐體是提高結(jié)構(gòu)抗冰性能的有效措施。

5)為了降低平臺(tái)的冰振，保護(hù)上部設(shè)施的安全，應(yīng)采取冰振控制措施。

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Analysis of the Structural Ice-resistant Performance for the Booster Station Platform in the Bohai Sea

YANG Yao-peng, ZHANG Da-yong, LOU Chun-juan, YUE Qian-jin

(School of Ocean Science and Technology, Dalian University of Technology, Panjin Liaoning 124221, China)

In order to make clear the ice-resistant performance and the rationality of the ice-resist design for the offshore boost station platform. A new boost station platform in Bohai is taken as an example. Its ice resistance performance under typical ice conditions is analyzed by FEM, and compared with the typical oil and gas platforms in Bohai. The results showed that the structure of the new designed boost station platform has a lot of static safety reserve under the extreme ice condition, and the structural vibration is not obvious under the dynamic ice loads. So the new designed booster station platform has good ice-resistant performance.

wind power; booster station platform; ice-resistant performance; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.026

2015-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(51309046)； 中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司科技專(zhuān)項(xiàng) (SD2013-11)

楊耀鵬(1988-)，男，碩士生

U674.38

A

1671-7953(2015)06-0111-05

修回日期：2015-07-03

研究方向:海洋裝備結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與設(shè)計(jì)分析

E-mail: yangyp@mail.dlut.edu.cn