姜 筠遲 健劉金沅

（1.上海利策科技有限公司，上海 200223；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；3.交通部上海打撈局，上海 200090）

導(dǎo)管架管結(jié)構(gòu)凹陷的損傷評估研究

姜 筠1遲 健2劉金沅3

（1.上海利策科技有限公司，上海 200223；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；3.交通部上海打撈局，上海 200090）

依托黃巖油氣田某導(dǎo)管架斜撐受損檢測項目，以淺海油氣資源開采設(shè)備意外受損事故為背景，提出科學(xué)的管結(jié)構(gòu)凹陷形貌測繪方法及實施方案。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，對受損斜撐進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析及初步損傷評估，計算凹陷區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)，討論其對屈服強度及疲勞強度的影響。

導(dǎo)管架；管結(jié)構(gòu)；損傷評估

引 言

近年來，隨著油氣資源消耗量持續(xù)增長與陸地資源日益枯竭，海洋領(lǐng)域油氣勘探與開采已成為世界關(guān)注的焦點。導(dǎo)管架平臺在淺水領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為導(dǎo)管架和樁。導(dǎo)管架是由若干垂向圓管立柱和橫向、斜向連接鋼管焊接結(jié)成的空間框架結(jié)構(gòu)。在東海海域黃巖油氣田的開發(fā)過程中，我國先后安裝了多個導(dǎo)管架平臺。在某導(dǎo)管架運輸及安裝期間，由于液壓卡環(huán)的過度擠壓，致使40 m水深處的兩根斜撐局部形成了兩處凹陷。斜撐上凹陷的存在影響著局部的結(jié)構(gòu)強度，對整個導(dǎo)管架平臺的服役形成了安全隱患，因此，需要對導(dǎo)管架的受損部位進(jìn)行探傷檢測及損傷評估。

限于部分工程人員的空間概念，對管結(jié)構(gòu)凹陷的檢測往往只關(guān)注其平面尺寸及相對該平面的最大凹陷深度。基于直角坐標(biāo)系的測量可以簡要反映出凹陷的大小并用以定性估量，但不足以為后續(xù)的定量分析提供數(shù)據(jù)支持。將凹陷與管結(jié)構(gòu)的相貫線看作被平面橫截后的邊緣，所得出的“長”與“寬”會令設(shè)計人員在建立有限元模型時產(chǎn)生極大困擾。

本文提出一種基于柱坐標(biāo)系的凹陷形貌測繪方法，數(shù)據(jù)采集適用于管結(jié)構(gòu)空間缺陷的描述?；谶@種測繪方法，對該平臺受損斜撐進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和初步損傷評估。

1 導(dǎo)管架管結(jié)構(gòu)凹陷測繪方法

通過飽和潛水技術(shù)，對該導(dǎo)管架平臺進(jìn)行以下?lián)p傷檢測作業(yè)：

（1）凹陷的位置、尺寸及表面形貌；

（2）凹陷附近區(qū)域的管壁測厚（UT）；

（3）兩受損斜撐的透水測試（FMD）；

（4）兩受損斜撐的兩端共八道焊縫的裂紋探傷（ACFM）。

圖1 安裝前受損斜撐凹陷特寫

UT測試結(jié)果顯示：凹陷附近區(qū)域管壁厚度分布均勻，趨于原始厚度尺寸；FMD測試顯示斜撐內(nèi)部未進(jìn)入海水；ACFM結(jié)果分析表明八道焊縫均無裂紋損傷，故凹陷處的幾何不連續(xù)成為影響結(jié)構(gòu)強度的唯一因素。

柱坐標(biāo)系適于描述圓柱結(jié)構(gòu)（參見圖 3），不同于直角坐標(biāo)系的三個直線方向x、y、z，柱坐標(biāo)系分為兩個直線方向和一個曲線方向。

軸向：管結(jié)構(gòu)（樁腿、橫撐、斜撐）中心軸線方向；環(huán)向：正切管結(jié)構(gòu)，正上方位12時方向，面向斜上方觀測時鐘位置；徑向：圓柱橫截面內(nèi)，自軸心向管壁方向。

基于柱坐標(biāo)系的測量有助于數(shù)值模擬中管結(jié)構(gòu)的建立。本節(jié)簡述管結(jié)構(gòu)凹陷的測繪方法，對其進(jìn)行理論抽象，同時兼顧飽和潛水作業(yè)的操作注意事項。

1.1 凹陷定位

凹陷定位相當(dāng)于借助凹陷中心將凹陷抽象成一個點，測量凹陷在斜撐上的位置，包含了軸向及環(huán)向兩個維度。目測初步確定凹陷中心及邊緣位置，在凹陷的上方（軸向）表面平整位置綁扎一圈皮尺，用于環(huán)向定位。

1.1.1 凹陷中心距離48 m橫撐的垂向距離L1

（9點鐘方向）

在受損斜撐M2和48 m橫撐外側(cè)垂一個卸扣，測量繩靠近凹陷中心橫截面的9點鐘位置，下方自然貼近對應(yīng)橫撐的9點鐘位置，使測量繩與兩管壁相切，兩切點間距離即待測長度L1（參見下頁圖2）。

1.1.2 凹陷中心距離該斜撐底端的軸向距離L2

（12點鐘方向）

測量繩一端固定在凹陷中心橫截面的12點鐘位置，另一端固定在受損斜撐M2與B2樁腿相貫線的12點鐘位置。兩點之間距離即為待測長度L2（參見下頁圖2）。

1.1.3 凹陷軸向尺寸

軸向上，測量凹陷中心至上緣的軸向距離d_up、凹陷中心至下緣的軸向距離d_down。上述兩距離均為空間直線距離，而非在凹陷面的直線投影，參見圖3。

圖2 凹陷定位

圖3 凹陷形貌測繪

1.1.4 凹陷環(huán)向尺寸

環(huán)向上，測量凹陷中心逆時針方向至側(cè)緣的距離d_anticlock以及凹陷中心順時針方向至側(cè)緣的距離d_clock。上述兩距離均為弧長，自標(biāo)定皮尺讀取，參見圖3。

此外，測量凹陷中心至12點方向的環(huán)向距離（弧長），通過該尺寸與斜撐的周長比值可以確定凹陷中心的環(huán)向方位α/時鐘位置，參見圖3。

1.2 凹陷形貌測繪

凹陷的形貌測繪即獲取凹陷不同位置的深度分布。將這組數(shù)據(jù)體現(xiàn)在柱坐標(biāo)系下的管結(jié)構(gòu)上，相當(dāng)于獲得凹陷的第三個維度，徑向尺寸。如圖3所示，根據(jù)上述測量的凹陷尺寸確定軸向和環(huán)向的測量間隔，即軸向5 cm、環(huán)向2 cm。

將直尺沿著環(huán)向中心線位置（黃色點劃線）垂直放置于斜撐表面，用游標(biāo)卡尺測深針沿著軸向方向移動，每隔5 cm測量凹陷深度。

將直尺沿著環(huán)向逆時針移動2 cm，用游標(biāo)卡尺測深針沿著軸向方向移動，每隔5 cm測量凹陷深度。

以此類推，沿著環(huán)向每隔2 cm依次平移直尺，測量不同環(huán)向位置（-2 cm、-4 cm、-6 cm等）上各軸向位置（5 cm、10 cm、15 cm等）的凹陷深度。

測量完畢后匯總數(shù)據(jù)。表1凹陷深度分布為沿軸向上下各18 cm（共19處橫斷面）環(huán)向位置深度測量的原始測量數(shù)據(jù)，表內(nèi)數(shù)據(jù)為測量針讀數(shù)扣除直尺寬度后的修正值。根據(jù)測量數(shù)據(jù)可繪制凹陷示意圖。

2 管結(jié)構(gòu)凹陷局部結(jié)構(gòu)分析

建立受損斜撐的有限元模型，旨在討論凹陷存在對結(jié)構(gòu)強度的影響。確立邊界條件時并未考慮波浪形成的載荷，單純以斜撐兩端受壓為例求解。求得應(yīng)力集中系數(shù)并論述對結(jié)構(gòu)靜強度及疲勞壽命的影響。

2.1 有限元模型

受損斜撐底端與樁腿相連貫，頂端與另一斜撐交匯，其長度L約為16 m。斜撐的設(shè)計外徑D為1 067 mm，設(shè)計壁厚t為19 mm。根據(jù)斜撐的設(shè)計尺寸，在ANSYS 14.0 Mechanical模塊中建立長16 m、直徑1 067 mm的圓筒，對其進(jìn)行適當(dāng)切分，以便凹陷表面的模擬及有限元網(wǎng)格的劃分。表 1中的實測數(shù)據(jù)扣除直尺寬度，得出凹陷區(qū)域的深度分布。根據(jù)該組數(shù)據(jù)修改幾何模型中凹陷區(qū)域的關(guān)鍵點坐標(biāo)，即實現(xiàn)了對受損斜撐表面形貌的模擬，如下頁圖4所示。

表1 凹陷深度分布

斜撐的主體材料為碳鋼，密度ρ=7 950 kg/m3，彈性模量E=207 GPa，泊松比ν=0.3。輸入上述材料參數(shù)，選取四節(jié)點有限應(yīng)變殼單元Shell181對管壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，采用四邊形單元映射分網(wǎng)，得到受損斜撐的有限元模型，如下頁圖 5所示。采用高密度網(wǎng)格模擬受損區(qū)域表面的凸凹不平，遠(yuǎn)離凹陷處采用稀疏網(wǎng)格，中間區(qū)域依次過渡，兼顧了計算的經(jīng)濟(jì)性。其中，凹陷處網(wǎng)格尺寸約為10 mm×7 mm，過渡區(qū)域網(wǎng)格尺寸約為30 mm×20 mm，遠(yuǎn)離凹陷處網(wǎng)格尺寸約為100 mm×60 mm。有限元模型單元數(shù)2 928，節(jié)點數(shù)2 944。未考慮材料的屈服極限，即假定在線彈性范圍內(nèi)進(jìn)行分析。

本文旨在討論凹陷對結(jié)構(gòu)強度的影響，假定在導(dǎo)管架上部結(jié)構(gòu)的重力作用下斜撐兩端受壓為例求解。在管結(jié)構(gòu)的一端施加全自由度約束，另一端的端面施加沿管軸向的壓力，合計F=104kN，即100 t。在此假定壓力下進(jìn)行靜力分析。

2.2 屈服強度

進(jìn)入通用后處理器查看靜力分析結(jié)果，圖 6、圖 7分別顯示了斜撐在假定載荷下等效應(yīng)力的節(jié)點解和單元解。

圖4 幾何模型

圖5 有限元模型

圖6 von Mises等效節(jié)點應(yīng)力

圖7 von Mises等效單元應(yīng)力

在凹陷局部應(yīng)力分布圖中，凹陷區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力水平約在240 MPa，其余大部分斜撐的應(yīng)力水平約在160 MPa。故凹陷區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)為：

當(dāng)環(huán)境載荷作用下斜撐的整體應(yīng)力水平達(dá)到許用應(yīng)力的67%時，凹陷區(qū)域的應(yīng)力值已經(jīng)達(dá)到了許用應(yīng)力，相當(dāng)于降低了設(shè)計時的安全系數(shù)。假設(shè)碳鋼許用應(yīng)力為125 MPa，則該斜撐在約52 t壓力作用下會發(fā)生強度破壞。應(yīng)力集中的存在對結(jié)構(gòu)安全形成了隱患，不利于導(dǎo)管架的安全服役。

2.3 疲勞強度

查看單向受力狀態(tài)，進(jìn)一步分析斜撐的疲勞強度。在導(dǎo)管架上部結(jié)構(gòu)的重力作用下，斜撐兩端受壓，應(yīng)力以軸向壓應(yīng)力為主，如圖 8所示。在凹陷區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力水平約在270 MPa，其余大部分斜撐的應(yīng)力水平約在160 MPa。對比等效應(yīng)力數(shù)值可知其主要成分為z方向的壓應(yīng)力，與實際情況吻合。故凹陷區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)為：

圖8 軸向單向應(yīng)力

以單軸疲勞理論探討凹陷的存在對疲勞壽命的影響。根據(jù)描述疲勞性能的S-N曲線計算公式：

受損斜撐區(qū)域應(yīng)力水平的增加將減弱結(jié)構(gòu)的疲勞強度，從而降低疲勞壽命。假定完好結(jié)構(gòu)的疲勞壽命用循環(huán)次數(shù)N1標(biāo)定，受損結(jié)構(gòu)的疲勞壽命用循環(huán)次數(shù)N2標(biāo)定，則：

式中：m是與材料有關(guān)的指數(shù)，代表雙對數(shù)坐標(biāo)中有限壽命疲勞曲線的斜率，是與材料及應(yīng)力種類有關(guān)的值，根據(jù)材料和其所處的狀態(tài)選取。根據(jù)DNV規(guī)范DNV-RP-C203［1］，在陰極保護(hù)狀態(tài)下，高周疲勞時m=5。將參數(shù)代入式（4），得N1/N2=1.75=14。

可見凹陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中使結(jié)構(gòu)的疲勞壽命降低一個數(shù)量級，不利于導(dǎo)管架的安全服役。經(jīng)綜合分析，該凹陷區(qū)域的存在對導(dǎo)管架的靜強度和疲勞壽命均有顯著影響，應(yīng)給予局部加強、維修或更換。

3 結(jié) 論

本文依托黃巖油氣田某導(dǎo)管架斜撐受損檢測項目，提出科學(xué)的管結(jié)構(gòu)凹陷形貌測繪方法及實施方案。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，對受損斜撐進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及損傷評估，凹陷的存在降低了結(jié)構(gòu)的屈服強度及疲勞壽命。在單向壓縮載荷作用下，導(dǎo)管架斜撐中部近2 cm深的凹陷可使其受損區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.7，疲勞壽命減小一個數(shù)量級，對結(jié)構(gòu)安全形成了隱患，不利于導(dǎo)管架的安全服役。在今后服役過程中，應(yīng)加強定期檢測，重點關(guān)注該區(qū)域。

［1］DNV.Recommended PracticeDNV-RP-C203， Fatigue Design of Offshore Steel Structures［S］.Hovik，Norway，2012.

［2］張曉頻，穆頃，王寧，等.結(jié)構(gòu)完整性管理在海洋平臺延期服役評估中的應(yīng)用［J］.船舶，2014（2）：99-103.

［3］API.API RP 2SIM， Structural Integrity Management of Fixed Offshore Structures［S］.2011.

［4］李紅濤.海上固定油氣開采設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性管理分析［J］.海洋工程，2013（1）：90-94.

［5］徐小燕，胡芳，賴芳，王慶豐.典型管節(jié)點的疲勞壽命評估［J］.江蘇船舶，2014（2）：7-9.

Damage assessment on structural concave of jacket pipe

JIANG Yun1CHI Jian2LIU Jin-yuan3
(1.Shanghai Richtech Technology Co., Ltd., Shanghai 200223, China; 2.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 3.China Ocean Engineering of Shanghai , Shanghai 200090, China)

Based on the damage detection of the diagonal bracing of a jacket in Huangyan oil and gas, the scientific mapping method and the implementation plan for the pipe structural concave is presented under the background of the accidental damage of the equipment for oil and gas exploitation in the shallow water.The structural analysis and the preliminary damage assessment are performed for the damaged diagonal bracing according to the detection data.The stress concentration factor of the concave region is calculated for the discussion of its influence on the yield strength and fatigue strength.

jacket; pipe structure; damage assessment

U661.43

A

1001-9855（2016）06-0035-06

2016-06-27；

2016-07-06

姜 筠（1987-），女，碩士，助理工程師，研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物有限元分析。遲 ?。?990-），男，助理工程師，研究方向：船舶舾裝。劉金沅（1987-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶仿真。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.035