張 偉， 黃 焱

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452； 2. 天津大學(xué)， 天津 300072)

錦州9-3油田CEPD平臺(tái)冰激振動(dòng)數(shù)值模擬

張 偉1， 黃 焱2

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452； 2. 天津大學(xué)， 天津 300072)

該文針對(duì)錦州9-3油田CEPD平臺(tái)導(dǎo)管架和組塊的工程設(shè)計(jì)，進(jìn)行了冰激振動(dòng)分析，包括平臺(tái)自振特性、平臺(tái)冰激振動(dòng)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,并根據(jù)不同的甲板位置進(jìn)行了人員舒適度檢驗(yàn)。分析結(jié)果可為我國(guó)渤海淺水重冰區(qū)類(lèi)似平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)分析提供借鑒和參考。

導(dǎo)管架平臺(tái)； 冰激振動(dòng) ； 數(shù)值模擬

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋總面積10%的海域都不同程度的受到了海冰的影響，我國(guó)渤海的海冰與石油分布特征導(dǎo)致渤海的冰激振動(dòng)問(wèn)題比極區(qū)國(guó)家更加突出。隨著寒區(qū)海域油氣開(kāi)采事業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的冰激振動(dòng)現(xiàn)象開(kāi)始出現(xiàn)，一些強(qiáng)烈的冰激振動(dòng)事件甚至對(duì)正常的生產(chǎn)作業(yè)造成了嚴(yán)重的威脅，例如：1979年，“海四井”號(hào)采油平臺(tái)被海冰推倒，事故造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]；1986年，大型石油鉆探沉箱式平臺(tái)Molikpaq號(hào)在Beaufort 海險(xiǎn)些被冰激振動(dòng)摧毀[4]；1999年～2000年冬季，渤海JZ20-2中南平臺(tái)，由于冰激振動(dòng)導(dǎo)致了平臺(tái)管線的斷裂。

該文針對(duì)錦州9-3油田CEPD平臺(tái)進(jìn)行研究。錦州9-3油田位于渤海遼東灣北部海域，平均水深約6.5 m～10.5 m，屬于淺水重冰區(qū)，一些嚴(yán)重的海冰災(zāi)害多發(fā)生在這一區(qū)域。CEPD平臺(tái)與傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺(tái)相比，兩個(gè)支撐體系間的較大跨度使平臺(tái)具有更大的橫向剛度，其抗扭剛度也相應(yīng)變大，但是，由于跨度變大，使得側(cè)向面積增加，樁腿間橫撐、斜撐長(zhǎng)度增加，結(jié)構(gòu)將受到更大波浪載荷沖擊，導(dǎo)致其橫向及軸向應(yīng)力增加，撐桿撓度變形加大，同時(shí)受壓桿件發(fā)生失穩(wěn)的可能性增加。相較于傳統(tǒng)導(dǎo)管架，大跨度式導(dǎo)管架需要支撐更大重量的上部模塊，隨著其跨度的增大，甲板面積相應(yīng)增加，甲板將會(huì)發(fā)生更大的撓曲變形，不僅如此，較大跨度將增加結(jié)構(gòu)的用鋼量，結(jié)構(gòu)自重和成本也會(huì)隨之增加。因此，對(duì)大跨度式導(dǎo)管架平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上提出了新的要求。

1 分析思路

針對(duì)該文研究?jī)?nèi)容所開(kāi)展的數(shù)值模擬工作，具體的冰激振動(dòng)機(jī)理決定了數(shù)值模型中具體冰力形式與輸入方式。因此，必須建立完備的冰激振動(dòng)機(jī)理與輸入冰力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而這一重要關(guān)系的建立則需要依靠針對(duì)冰激振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行詳盡的分析研究來(lái)完成。

事實(shí)上，冰激振動(dòng)進(jìn)程同樣受到冰排破壞模式與結(jié)構(gòu)條件的共同影響和控制，也就是說(shuō)，在不同的冰條件與結(jié)構(gòu)條件組合情況下，將發(fā)生不同冰激振動(dòng)機(jī)理所控制的振動(dòng)事件，按照結(jié)構(gòu)振動(dòng)現(xiàn)象的不同可分為以下幾種情況：

(1) 準(zhǔn)靜態(tài)振動(dòng)：與冰排在直立結(jié)構(gòu)前的屈曲破壞模式相對(duì)應(yīng)。

(2) 穩(wěn)態(tài)振動(dòng)：與冰排在直立結(jié)構(gòu)前的延-脆轉(zhuǎn)化破壞模式相對(duì)應(yīng)。

(3) 隨機(jī)振動(dòng)：與冰排在直立結(jié)構(gòu)前的脆性擠壓破壞模式相對(duì)應(yīng)。

(4) 準(zhǔn)強(qiáng)迫振動(dòng)：與冰排在窄錐型結(jié)構(gòu)前的彎曲破壞模式相對(duì)應(yīng)。

(5) 準(zhǔn)隨機(jī)振動(dòng)：與冰排在寬錐型結(jié)構(gòu)前的非同時(shí)性彎曲破壞模式相對(duì)應(yīng)。

上述冰激振動(dòng)現(xiàn)象均對(duì)應(yīng)于特定的冰條件與結(jié)構(gòu)條件的匹配范圍，而不同的匹配范圍則又可導(dǎo)致不同的輸入冰力形式，同時(shí)具體的冰激振動(dòng)機(jī)理也將決定數(shù)值模型中冰荷載的輸入形式。

前期在天津大學(xué)冰力學(xué)與冰工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)，為數(shù)值模擬提供了冰力輸入依據(jù)與基礎(chǔ)。其中，抗冰錐體模型試驗(yàn)建立了冰排破壞特征與作用條件間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)冰排破壞特征的甄別結(jié)果，對(duì)不同冰排破壞進(jìn)程冰力時(shí)程波動(dòng)特征進(jìn)行歸類(lèi)，并在每一類(lèi)別的波動(dòng)特征中選取典型的冰力時(shí)程，根據(jù)模型試驗(yàn)中遵循的相似準(zhǔn)則，將保持一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的作用條件與典型性冰力時(shí)程還原于CEPD平臺(tái)的原型情況，并作為基礎(chǔ)輸入時(shí)程。由于模型試驗(yàn)中僅針對(duì)現(xiàn)實(shí)情況中的部分作用條件進(jìn)行了模擬，因此將通過(guò)冰排破壞特征與冰力時(shí)程特征間的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析，遞推所有計(jì)算工況中的冰力時(shí)程。

與此同時(shí)還進(jìn)行了冰激振動(dòng)模型試驗(yàn)，結(jié)果表明：冰排在不同錐體結(jié)構(gòu)前的非同時(shí)破壞效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)具有顯著的影響。在最高天文潮和平均水位下，由于冰排的彎曲破壞模式占據(jù)主導(dǎo)地位，進(jìn)而致使冰速小于1.0 m/s時(shí)，冰排的非同時(shí)破壞效應(yīng)較為顯著，不同錐體間冰力時(shí)程的相位差的平均水平為1/4的冰力周期；冰速大于1.0 m/s時(shí)，冰排的非同時(shí)破壞效應(yīng)削弱至可忽略的水平，不同錐體上的冰力時(shí)程可保持同相位輸入；在最低天文潮水位下，由于冰排的擠壓破壞模式占據(jù)主導(dǎo)地位，進(jìn)而致使冰排的非同時(shí)破壞效應(yīng)影響水平很低，此時(shí)，不同錐體上的冰力時(shí)程可保持同相位輸入。這樣，根據(jù)模型試驗(yàn)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，可以確定CEPD平臺(tái)冰力時(shí)程輸入中的相位關(guān)系。

依據(jù)上述原理，給出冰速為1.4 m/s，冰厚為49.2 cm最高天文潮，平均水位，最低天文潮下的典型冰力時(shí)程曲線，如圖1～圖3所示。

圖1 最高天文潮冰力時(shí)程 圖2 平均水位冰力時(shí)程 圖3 最低天文潮冰力時(shí)程

2 有限元模型

圖4 CEPD平臺(tái)有限元模型

如圖4所示，有限元模型共4層甲板，甲板在X方向上長(zhǎng)69.5m，Y方向上長(zhǎng)39.8m，頂層甲板高程為34m，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的阻尼比為5%。

在平臺(tái)下部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)中，飛濺區(qū)以下部分采用pipe59單元模擬，飛濺區(qū)以上部分采用pipe16單元模擬，忽略了附屬構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，將其質(zhì)量施加在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置處。平臺(tái)上部模塊的結(jié)構(gòu)形式在數(shù)學(xué)模型中完整模擬，包括甲板、梁格、立柱和撐桿等。其中，甲板采用shell63單元模擬，梁格結(jié)構(gòu)使用beam188單元模擬，立柱和撐桿采用pipe16單元模擬，忽略了甲板上各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于需要進(jìn)行冰激振動(dòng)響應(yīng)分析的設(shè)備采用mass21單元模擬，其它設(shè)備的質(zhì)量通過(guò)調(diào)整相應(yīng)位置甲板單元(shell63單元)的密度，折合到整體的質(zhì)量矩陣中。樁基礎(chǔ)的模型建立采用在泥面以下建立完整的彈性長(zhǎng)樁，通過(guò)提供的土體資料查得不同深度的P-y、t-z以及Q-z曲線的數(shù)據(jù)，在相應(yīng)位置處通過(guò)combin39單元的非線性D-f特性模擬土體對(duì)彈性長(zhǎng)樁的約束作用。

3 甲板響應(yīng)分析

3.1 計(jì)算工況的確定

根據(jù)前期進(jìn)行的物理模型試驗(yàn)研究結(jié)果，導(dǎo)致平臺(tái)響應(yīng)出現(xiàn)明顯變化的水位可歸納為三種：最高天文潮水位、平均水位和最低天文潮水位。在計(jì)算工況中將冰速分為0.15 m/s、0.3 m/s、0.6 m/s、1.2 m/s和1.4 m/s共5種情況；將冰厚分為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm和49.2 cm共9種情況；將冰向分為NE、SW、NNE和SSW共4種情況。這些冰作用條件涵蓋了錦州9-3油田附近海域可能遭遇的冰情特征，組合上述四種條件參數(shù)共形成540組計(jì)算工況。

按照三種海冰作用參數(shù)對(duì)計(jì)算工況進(jìn)行區(qū)分和命名，命名示例：

其中：①表示作用水位，1代表最高天文潮水位、2代表平均水位、3代表最低天文潮水位；②表示冰速，cm/s；③表示冰厚，cm；④表示冰向。

3.2 甲板響應(yīng)情況分析

3.2.1 模型試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)前期的大量模型試驗(yàn)，已經(jīng)得到了結(jié)構(gòu)整體的響應(yīng)規(guī)律，圖5為在冰攻角22.5°、100年一遇目標(biāo)冰厚下模型加速度波動(dòng)范圍隨冰速的變化分布情況。模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果反映的是結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)規(guī)律，但不能用于對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)細(xì)節(jié)的評(píng)價(jià)，而數(shù)值模擬中的計(jì)算結(jié)果，則描述了多層次結(jié)構(gòu)上各具體位置的振動(dòng)響應(yīng)細(xì)節(jié)，反映的是結(jié)構(gòu)細(xì)致、全面的響應(yīng)水平，但必須在規(guī)律上與模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果保持一致。

CEPD平臺(tái)共有4層甲板，分析中針對(duì)每層甲板的計(jì)算結(jié)果，各選取5個(gè)位置進(jìn)行結(jié)果提取，即每層甲板的4個(gè)角點(diǎn)和中心點(diǎn)。為形成對(duì)于每層甲板振動(dòng)水平的綜合性評(píng)價(jià)，將上述5個(gè)位置的結(jié)果進(jìn)行疊加平均，形成對(duì)于每層甲板的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。與設(shè)備響應(yīng)情況相同，每層甲板的響應(yīng)在1-1200-49.2-SSW工況下達(dá)到最大水平，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

由表1、表2中顯示的結(jié)果可以看出，EL+34 m甲板的振動(dòng)水平最為劇烈，因此以該層甲板為例進(jìn)行計(jì)算結(jié)果時(shí)程的展示，如圖6、圖7所示，由于y方向的響應(yīng)最為劇烈，故該文僅展示y方向的結(jié)果。

圖5 CEPD模型加速度波動(dòng)范圍隨冰速的變化分布(冰攻角22.5°、100年一遇目標(biāo)冰厚)

表1 CEPD平臺(tái)各層甲板最大位移響應(yīng)(mm)

表2 CEPD平臺(tái)各層甲板最大加速度響應(yīng)(GAL)

圖6 CEPD平臺(tái)甲板沿y方向的位移響應(yīng) 圖7 CEPD平臺(tái)甲板沿y方向的加速度響應(yīng)

圖8 CEPD平臺(tái)甲板沿y方向的加速度響應(yīng)頻譜 圖9 CEPD平臺(tái)甲板沿x方向的加速度響應(yīng)頻譜

對(duì)EL+34 m甲板的水平向和垂向的加速度響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析，可得到如圖8～圖10所示的結(jié)果。由圖8～圖10可知，甲板結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)在高頻段形成了明顯的能量集中，具體在x、y、z三個(gè)方向的集中頻率分別為：0.55Hz、0.48Hz、2.44Hz。對(duì)比模態(tài)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)不僅結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)被激發(fā)出穩(wěn)態(tài)振型，而且結(jié)構(gòu)的二、三階模態(tài)也被激發(fā)出了穩(wěn)態(tài)振型。

將上述EL+34m的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的分布情況(如圖11所示)與模型試驗(yàn)測(cè)試規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，可以看到數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果反映了與模型試驗(yàn)結(jié)果相同的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化規(guī)律，由此可以判定，依據(jù)上面制定的技術(shù)路線所進(jìn)行的CEPD平臺(tái)冰激振動(dòng)響應(yīng)分析計(jì)算，具備充足的合理性。

兩種結(jié)果的對(duì)比還表明，模型試驗(yàn)中所測(cè)得的平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)水平是高于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的。導(dǎo)致這一差異的根本原因正是整體響應(yīng)與局部響應(yīng)間的差別，由模型試驗(yàn)測(cè)試得到的平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)，是將各層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量匯聚在一起的結(jié)果，而數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果則是將這一集中振動(dòng)能量在整個(gè)甲板層上分散后的結(jié)果。

圖11 CEPD平臺(tái)甲板加速度波動(dòng)范圍隨冰速的變化

4 平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

當(dāng)平臺(tái)在冰排作用下發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平將較靜力分析結(jié)果具有一種動(dòng)力放大效應(yīng)，因此，該節(jié)將對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)中的重點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核。在振動(dòng)過(guò)程中平臺(tái)結(jié)構(gòu)的主要交變式構(gòu)件變形均體現(xiàn)在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，進(jìn)而致使導(dǎo)管架上的應(yīng)力放大效應(yīng)最為顯著。同時(shí)，在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，8根主樁腿的應(yīng)力水平較高，另外，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上連接主樁腿的部分撐桿上的應(yīng)力同樣處于很高的水平。

對(duì)構(gòu)件上的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核，計(jì)算結(jié)果顯示，上述構(gòu)件的應(yīng)力在1-1400-49.2-SSW工況下達(dá)到最大，計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4。

表3 CEPD平臺(tái)導(dǎo)管架主樁腿最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

注：應(yīng)力計(jì)算值為Von Mises應(yīng)力。

表4 CEPD平臺(tái)導(dǎo)管架部分撐桿最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

注：應(yīng)力計(jì)算值為Von Mises應(yīng)力。

由導(dǎo)管架構(gòu)件應(yīng)力分析結(jié)果可以看到，所有構(gòu)件的應(yīng)力均未超過(guò)API規(guī)范[5]中規(guī)定的構(gòu)件許用應(yīng)力，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在冰激振動(dòng)工況下也滿足要求。主樁腿與撐桿中最大應(yīng)力出現(xiàn)位置的計(jì)算時(shí)程分別如圖12、圖13所示。

圖12 A2樁腿上的最大應(yīng)力波動(dòng) 圖13 A1-B1撐桿上的最大應(yīng)力波動(dòng)

5 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)錦州9-3油田CEPD 平臺(tái)冰激振動(dòng)所進(jìn)行的一系列數(shù)值模擬分析研究工作，可以得到以下結(jié)論：

(1)渤海淺水重冰區(qū)的導(dǎo)管架平臺(tái)將面臨較為嚴(yán)重的冰激振動(dòng)事件。

(2)對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)分析，采用以模型試驗(yàn)測(cè)試為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬分析方法，將獲得更為準(zhǔn)確的平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)評(píng)估結(jié)果。

(3)對(duì)于具有雙塔式大跨度的CEPD平臺(tái)結(jié)構(gòu)來(lái)講，其冰激振動(dòng)的形態(tài)將更為復(fù)雜，即平臺(tái)在海冰的作用下容易引發(fā)較高階的振動(dòng)響應(yīng)。

[1] 張方儉，費(fèi)立淑.我國(guó)的海冰災(zāi)害及其防御[J].海洋同胞，1994,13(5)：75-83.

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[5] API. Recommended practice 2A-WSD-2007[S].2007.

Numerical Simulation of Ice-induced Vibration of CEPD Platform in Jinzhou 9-3 Oilfield

ZHANG Wei1, HUANG Yan2

(1. Offshore Oil Engineering Co.， Ltd， Tianjin 300452，China；2. Tianjin University, Tianjin 300452，China)

Aiming at the engineering design of Jinzhou oilfield CEPD 9-3 platform jacket and modules, the paper makes ice-induced vibration analysis, including the free vibration characteristics of the platform, platform deck ice-induced vibration and strength, and comfort of personnel according to different location decks test. The work carried out in this paper, for the shallow waters of the Bohai Sea in heavy icing area similar to ice-induced vibration analysis of platform structures will provide some references.

jacket platform; ice-induced vibration; numerical simulation

2015-01-06

張 偉(1982-)，男，工程師。

1001-4500(2015)04-0076-06

P75

A