錦州9-3油田WHPC平臺冰激振動數(shù)值模擬

董坤，趙希寶

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司工程建設中心，天津 300452)

摘要：針對錦州9-3油田WHPC平臺導管架和組塊的工程設計，進行冰激振動分析，包括平臺自振特性、平臺甲板冰激振動響應以及強度校核，根據(jù)不同的甲板位置進行人員舒適度檢驗，以期為渤海淺水重冰區(qū)類似平臺結構的抗冰設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：導管架平臺；冰激振動；數(shù)值模擬

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.028

中圖分類號：U661.44;p751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0102-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一董坤 (1981-)，男，學士，工程師

Abstract:Aiming at the engineering design of the WHPC jacket and modules of Jinzhou 9-3 oilfield, the numerical analysis of the ice-induced structural vibration is carried out, including the free vibration characteristics of the platform, ice-induced vibration and strength of the platform deck, and comfort evaluation of personnel at different location on the decks. The work can provide some references for ice-resistant design of jacket platform in shallow heavy icing area of Bohai sea.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋工程設計、建造和工程項目管理

E-mail:dongkun@cnooc.com.cn

高緯度地區(qū)海洋石油開發(fā)工程無法回避海冰的影響，海冰已成為困擾寒區(qū)海洋工程的首要因素[1]。冰激結構振動并最終導致破壞性結果的事件屢見不鮮，如1973年波蘭在波茲尼亞灣建造的 Kemi-1鋼質(zhì)燈塔，于當年冬季在風驅(qū)動的漂移冰排作用下產(chǎn)生劇烈振動而倒塌。我國渤海的海冰與石油分布特征導致渤海的冰激振動問題比極區(qū)國家更加突出。1979年“海四井”號采油平臺被海冰推倒，造成重大經(jīng)濟損失[2-4]。1999-2000年冬季，渤海JZ20-2中南平臺，冰激振動導致平臺管線斷裂[5]。強烈的冰激振動會對結構上部生活模塊中的工作人員的基本生活產(chǎn)生影響，降低工作效率與舒適程度，振動嚴重時會對工作人員的人身健康產(chǎn)生危害[6]。

國內(nèi)外學者對于冰激振動現(xiàn)象給予了充分的重視。代表性的研究工作有，針對柔性錐體的冰激振動問題進行完備的模型試驗研究，提出柔性錐體前冰排前緣出現(xiàn)二次斷裂，導致已有試驗結果具有較明顯的兩個主頻[7]；依據(jù)冰激強迫振動理論,由結構的響應對渤海海洋平臺所受的冰荷載進行了反演和識別[8]。

錦州9-3油田位于渤海遼東灣北部海域，平均水深約6.5～10.5 m，屬于淺水重冰區(qū)，一些嚴重的海冰災害多發(fā)生在這一區(qū)域。錦州9-3 WHPC平臺屬于傳統(tǒng)的四樁腿導管架結構型式，該平臺在頂層甲板(EL+26.5 m)上分配了60%以上的重量，載重量比較集中,容易導致平臺上部結構出現(xiàn)顯著的冰激振動。為此，對其進行冰激振動分析。

1分析思路

在本項目所開展的數(shù)值模擬工作中，冰激振動機理決定了數(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機理與輸入冰力間的對應關系。

冰激振動進程同樣受冰排破壞模式與結構條件的共同影響和控制。在不同的冰條件與結構條件組合情況下，將發(fā)生不同冰激振動機理所控制的振動事件，按照結構振動現(xiàn)象的不同可分為以下幾種情況。

1)準靜態(tài)振動。與冰排在直立結構前的屈曲破壞模式相對應。

2)穩(wěn)態(tài)振動。與冰排在直立結構前的延-脆轉(zhuǎn)化破壞模式相對應。

3)隨機振動。與冰排在直立結構前的脆性擠壓破壞模式相對應。

4)準強迫振動。與冰排在窄錐型結構前的彎曲破壞模式相對應。

5)準隨機振動。與冰排在寬錐型結構前的非同時性彎曲破壞模式相對應。

前期在天津大學冰水池內(nèi)進行了大量的模型試驗，為數(shù)值模擬提供了冰力輸入依據(jù)與基礎。其中，抗冰錐體模型試驗建立了冰排破壞特征與作用條件間的對應關系，根據(jù)冰排破壞特征的甄別結果，對不同冰排破壞進程冰力時程波動特征進行歸類，并在每一類別的波動特征中選取典型性的冰力時程，根據(jù)模型試驗中遵循的相似準則，將保持一一對應關系的作用條件與典型性冰力時程還原為WHPC平臺的原型情況，并作為基礎輸入時程。

圖1～3中給出了基于試驗測試確定的典型冰力時程曲線(冰速1.4 m/s、冰厚49.2 cm、3種水位條件)。

圖1　最高天文潮

圖2　平均水位

圖3　最低天文潮

同時，采用了以模型試驗測試結果[7]為依據(jù)的技術路線，見圖4。

圖4　數(shù)值分析計算技術路線

2有限元模型的建立

如圖5所示，有限元模型共4層甲板，頂層甲板高程為26.5 m。平臺結構的阻尼比為5%。

圖5　WHPC平臺有限元模型

在平臺下部導管架結構中，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，忽略了附屬構件的結構形式，將其質(zhì)量施加在導管架結構相應位置處。平臺上部模塊的結構形式在數(shù)學模型中完整模擬，包括甲板、梁格、立柱、撐桿、生活樓及直升機甲板等。其中，甲板采用shell63單元模擬，梁格結構使用beam188單元模擬，立柱和撐桿采用pipe16單元模擬，忽略甲板上各種設備的結構形式，對于需要進行冰激振動響應分析的設備采用mass21單元模擬設備的質(zhì)量施加在對應重心位置。其他設備的質(zhì)量通過調(diào)整相應位置甲板單元(shell63單元)的密度折合進整體的質(zhì)量矩陣中。樁基礎的模型建立采用在泥面以下建立完整的彈性長樁，通過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)，在相應位置處通過combin39單元的非線性D-f特性模擬土體對彈性長樁的約束作用。

對WHPC平臺模型進行模態(tài)分析，前三階自振頻率，見表1。

表1　WHPC平臺模型前3階自振頻率

3甲板響應分析

3.1計算工況的確定

根據(jù)此前物理模型試驗研究結果，導致平臺響應出現(xiàn)明顯變化的水位可典型性歸納為3種：最高天文潮水位、平均水位和最低天文潮水位。

為配合后期所進行的冰激疲勞分析，在設置冰激振動與冰激疲勞工況時考慮海冰參數(shù)應與其概率分布相對應，因此在計算工況中將冰速分為0.15、0.30、0.60、1.20和1.40 m/s共5種情況，分別代表相應的概率分布冰速范圍；將冰厚分為5、10、15、20、25、30、35、40和49.2 cm共9種情況，分別代表相應的概率分布冰厚范圍；將冰向分為NE、SW、NNE和SSW共4種情況；將水位分上述3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4種條件參數(shù)共形成540組計算工況。

按照3種海冰作用參數(shù)對計算工況進行區(qū)分和命名，命名示例如下。

① ② ③④

其中:①為作用水位，1為最高天文潮水位,2為平均水位,3為最低天文潮水位；②為冰速，cm/s；③為冰厚，cm，④為冰向。

3.2甲板響應情況分析

3.2.1模型試驗結果

前期模型試驗已經(jīng)得到結構整體的響應規(guī)律。在冰攻角22.5°，100年一遇目標冰厚下模型加速度波動范圍隨冰速的變化分布見圖6。

圖6　WHPC模型加速度波動范圍隨冰速的變化

模型試驗測試結果反映的是結構整體響應規(guī)律，但不能用于對結構振動細節(jié)的評價，而數(shù)值模擬中的計算結果，則描述了多層次結構上各具體位置的振動響應細節(jié)，反映的是結構細致、全面的響應水平，其需在規(guī)律上與模型試驗測試結果保持一致。

3.2.2數(shù)值模擬結果分析

WHPC平臺共有4層甲板，分析中針對每層甲板的計算結果，每層甲板選取4個角點和中心點共5個位置進行結果提取。為形成對于每層甲板振動水平的綜合性評價，將上述5個位置的結果進行疊加平均，得到每層甲板的綜合評價結果。與設備響應情況相同，每層甲板的響應在1-1200-49.2-SSW工況下達到最大水平。具體計算結果見表2、3。由表2可見，EL+26.5 m甲板的振動水平最為劇烈。

表2　WHPC平臺各層甲板最大位移響應　mm

表3WHPC平臺各層甲板最大加速度響應

cm/s 2

對EL+26.5 m甲板的水平向和垂向的加速度響應進行頻譜分析，甲板結構的加速度響應在高頻段形成了明顯的能量集中，具體在x，y，z方向的集中頻率分別為：0.71、0.61及0.89 Hz。對比模態(tài)分析結果可以發(fā)現(xiàn)，此時不僅結構的一階模態(tài)被激發(fā)出穩(wěn)態(tài)振型，而且結構的二階模態(tài)也被激發(fā)出了穩(wěn)態(tài)振型。

提取數(shù)值模擬計算結果中*-*-49.2-SSW系列工況下的平臺EL+26.5 m甲板沿冰力作用方向的加速度響應結果，按照上式統(tǒng)計各組次計算結果的加速度波動范圍，并同樣繪制該參量隨冰速的變化分布，見圖7。

圖7　WHPC平臺EL+26.5 m甲板在 　　　*-*-49.2-SSW系列工況下 　加速度波動范圍隨冰速的變化

將上述數(shù)值模擬計算結果的分布情況與模型試驗測試規(guī)律(圖6)進行對比，可以看到數(shù)值模擬計算結果反映了與模型試驗結果相同的結構響應變化規(guī)律，說明數(shù)值計算是合理的。

4操作人員舒適度評估

根據(jù)國家標準《機械振動與沖擊-人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.1-2007)，對于暴露在振動過程中的人體舒適度評價，采用總計權加速度參數(shù)進行衡量：

(1)

式中：aw——頻率計權加速度；

Wi——第i個1/3倍頻程帶的計權因數(shù)；

ai——第i個1/3倍頻程帶均方根加速度。

同時，國家標準《機械振動與沖擊——人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.2-2008)還規(guī)定，對于處于非交通工具上的人員暴露振動評價，可將Wi修正為Wm。

對于分析平臺所處的三向振動環(huán)境，《機械振動與沖擊——人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.1-2007)標準則規(guī)定，應采用頻率計權均方根加速度的振動總量進行評價。

(2)

式中：awx，awy，，awz——x、y、z方向上的計權均方根加速度；

kx，ky，kz——x、y、z方向上的方向因數(shù)。

根據(jù)《機械振動與沖擊——人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.1-2007)標準對人體舒適度評價的推薦取值，kx、ky及kz均取為1.0。

在最新修訂的國家標準《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.2-2008)中，刪除了關于暴露持續(xù)時間對人體的不同影響附屬關系，原因是這一概念并未得到實驗研究結果的支持。因此，該標準僅作如下評價推薦。

頻率計權均方根加速度小于0.315 m/s2：感覺不到不舒適；處于0.315～0.63 m/s2：有點不舒適；處于0.5～1.0 m/s2：相當不舒適；處于0.8～1.6 m/s2：不舒適；處于1.25～2.5 m/s2：非常不舒適；大于2.0 m/s2：極不舒適。

同樣根據(jù)國家標準《機械振動與沖擊——人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.1-2007、GB/T 13441.2-2008)，可對所有計算工況下WHPC平臺各層甲板的加速度響應時程進行分析計算，獲得具體工況下的頻率計權均方根加速度振動總量av值。計算結果表明，1-1200-49.2-SSW工況下各層甲板的頻率計權均方根加速度振動總量達到最大值，見表4。

表4　1-1200-49.2-SSW工況下WHPC

表4的計算結果表明，WHPC平臺各層甲板的最大頻率計權均方根加速度振動總量，均未達到GB/T 13441.2-2008中推薦的人體不舒適臨界值：0.315 m/s2。因此，可以判定WHPC平臺的振動水平是滿足操作人員舒適度要求的。

5平臺結構強度校核

當平臺在冰排作用下發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動時，結構的應力水平將較靜力分析結果具有動力放大效應。因此，要對平臺結構中的重點構件進行強度校核工作。計算結果顯示，在振動過程中平臺結構的主要交變式構件變形均體現(xiàn)在導管架結構上，進而致使導管架上的應力放大效應最為顯著。同時，在導管架結構上，4根主樁腿上的應力水平較高，另外，導管架結構上連接主樁腿的部分水平撐桿上的應力同樣處于很高的水平。

因此，這里對這些構件上的應力計算結果進行強度校核。計算結果顯示，上述構件的應力在1-1200-49.2-SSW工況下達到最大，計算統(tǒng)計結果見表5、6。

表5　WHPC平臺導管架主樁腿最大應力統(tǒng)計

表6　WHPC平臺導管架部分撐桿最大應力統(tǒng)計

由此結果可以看到，所有構件的應力均未超過API規(guī)范中規(guī)定的構件許用應力(212 MPa)，因此結構強度在冰激振動工況也滿足要求。

參考文獻

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Numerical Simulation of Ice-induced Vibration of

the WHPC Platform of Jinzhou 9-3 Oilfield

DONG Kun, ZHAO Xi-bao

(Project Construction Center, Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: jacket platform; ice-induced vibration; numerical simulation