，，，

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

API RP 2A- WSD規(guī)范是海洋工程中關于固定式平臺設計的重要規(guī)范。該規(guī)范由美國石油協(xié)會頒布，一般每隔4-5年會修訂一次，以適應新的引用規(guī)范及修正以往的錯誤。在2004—2010年期間，美國墨西哥灣發(fā)生了多起重大事件，據統(tǒng)計，颶風Ivan、Katrina、Rita和Ike 摧毀了超過120個平臺。基于此，美國石油協(xié)會新頒布了2SIM、2MET、2GEO和2EQ等，并更新頒布API RP 2A- WSD 22版。本次更新對固定式平臺的設計要求有影響。為此，總結API RP 2A- WSD 22版規(guī)范的內容更新，分析對固定式海洋平臺設計的影響。

1 新規(guī)范章節(jié)更新概要介紹

新規(guī)范[1]的前三章新增加了范圍(scope)、引用標準(normative references)、條款定義及縮寫(terms, definitions, acronyms, and abbreviations)，這也是API目前的規(guī)范格式，包括所有其他的 RP2文件(RP 2MET, RP 2EQ, RP 2GEO, RP 2SIM 和 RP 2FB)。從第4章開始，內容與21版基本對應，但將21版中兩個章節(jié)：章節(jié) 14檢測(Surveys)和章節(jié) 17 已建平臺的評估(Assessment of Existing Platforms)挪到了API 2SIM規(guī)范中。同時，單位改為以公制為主，英制為輔。根據API TG的論述，這樣修改的目的是為了進一步符合ISO的文件格式。

另外，新RP 2A規(guī)范將部分詳細規(guī)定分拆到以下API新規(guī)范中。①API RP 2MET海洋環(huán)境條件；②API RP 2EQ地震設計；③API RP 2GEO巖土和基礎設計；④API RP 2SIM結構完整性管理；⑤API RP 2FB火災爆炸荷載；⑥API RP 2MOP海上作業(yè)。

API規(guī)范做出這樣的改動，是為了進一步與ISO 19902規(guī)范的內容保持一致性。據API工作組的討論，API RP 2A- WSD 22版可能是最后一個版本。而之后的RP 2A將采用與ISO文件一致的形式，從而符合荷載抗力系數(shù)法(LRFD)。

本文主要分析新版規(guī)范的暴露分級規(guī)劃、設計標準和方法、疲勞、樁基礎設計、安裝和意外荷載這些方面的改動。

2 引用的標準

新規(guī)范給出了所有應遵循的參考標準。這些標準只給出了名字，如API RP 2MET，沒有給出版本號。因此所有引用API規(guī)范的，都以最新版本文件(包括任何附錄/勘誤)為準。但是，以下引用的兩個非API規(guī)范除外：

AISC 335- 89 1, Specification for Structural Steel Buildings—Allowable Stress Design and Plastic Design,1989。規(guī)范中明確提出不可用最新版的AISC規(guī)范，因為新版AISC規(guī)范可能并不適用于海洋工程。

AWS D1.1/D1.1M:2010 2, Structural Welding Code—Steel。AWS D1.1已經針對與API的沖突做了一些重大修改。因此引用AWS D1.1，可防止有可能的沖突。但注意使用該規(guī)范時如有沖突，仍應優(yōu)先參考API規(guī)范。

3 暴露分級規(guī)劃

新規(guī)范更新了“暴露分級”，該分級是作為用于海上固定平臺設計選擇需求等級的標準。原21版規(guī)范中，生命安全暴露分級和失效后果的暴露分級均被標記為L- #。而新版規(guī)范中，生命安全暴露分級標記為S- 1 manned- nonevacuated(有人- 不撤離)、S- 2 manned- evacuated(有人- 可撤離)和S- 3 manned- evacuated(無人- 可撤離)。而失效后果的暴露分級標記為C- 1 High(嚴重)，C- 2 Medium(一般)和C- 3 Low(輕微)。對于每種暴露分級使用了不同的符號，修改的原因是以往使用同樣標記的分級造成了許多事故報告的混亂和沖突。而最終選定的平臺暴露分級標簽為L - #(數(shù)字)。暴露分級矩陣見表1。該分級矩陣也與ISO 19902規(guī)范保持了一致。

表1 暴露分級矩陣

另外，關于失效后果的暴露分級C- 3的認定，又增加了限制規(guī)定：

1)平臺不能有多于2個隔水套管。

2)平臺甲板的總面積(包括直升機甲板)不得超過37 m2。

4 關于設計標準和方法的重大修改

4.1 流體動力指南

新規(guī)范極限強度分析，引入了魯棒性分析要求。關于海洋工程中的魯棒性分析，API是首次引入該概念，其定義為結構物在遭受破壞時不倒塌的能力[2- 3],該分析意在提高平臺抗小概率極端工況的生存能力，更詳細的信息可見API RP 2SIM[4]。新建的L- 1平臺必須要用1 000年環(huán)境荷載進行平臺的魯棒性分析。而L- 3平臺或足夠強壯的L- 2平臺不需要魯棒性評估。平臺剩余強度儲備比(RSR系數(shù))的要求未變，均為1.6。平臺極限強度要求的變化對比見表2。

表2 平臺環(huán)境標準的極限強度要求

算例：

以某L- 1暴露分級平臺為例，該平臺100年環(huán)境荷載和1 000年環(huán)境荷載見表3。

表3 某L- 1暴露分級的環(huán)境條件

根據以上環(huán)境數(shù)據，基于Pushover法進行倒塌分析[5]，分別驗算1.2倍100年環(huán)境荷載和1 000年環(huán)境荷載，(均只選取最大環(huán)境力的方向)，計算結果荷載大小對比見表4, 結構倒塌極限狀態(tài)的剩余強度儲備比(RSR系數(shù))見表5。

表4 不同重現(xiàn)期的荷載大小對比 kN

從以上分析，可以得出倒塌分析對比結果，見表5。其中，1 000年重現(xiàn)期的環(huán)境荷載相對于1.2倍100年重現(xiàn)期，增幅50%左右，而對應的平臺剩余強度儲備比(RSR系數(shù))則下降了27%。由此可見，魯棒性的規(guī)定，提高了平臺抗極端環(huán)境條件生存能力的要求。

表5 倒塌分析結果對比

4.2 底甲板標高

關于底甲板最低高程與水深的曲線已被刪除。同時，對于新建的L- 1和L- 2平臺，底甲板底標高的要求從原來應不低于100年的重現(xiàn)期波峰，改為應不低于1 000年的重現(xiàn)期波峰。允許L- 3平臺甲板低于設計的標準水平(主要為沉箱式結構)，但需要根據API RP 2SIM 的指導來確定荷載。同時不再要求最低1.5 m(5 ft)的空氣間隙[6]，但仍需要考慮任何已知或預測的海底下沉、重要結構的旋轉和如水深的不確定性等其他未知因素。

舊版規(guī)范公式為：

底甲板標高=百年一遇波峰高度+百年一遇極端高水位+1.5 m氣隙+不確定性因素。

新版規(guī)范改為：

底甲板標高=千年一遇波峰高度+千年一遇極端高水位+不確定性因素。

式中：極端高水位 = 最高天文潮 + 風暴潮。

關于水位、天文潮和風暴潮，見圖1[7]。

圖1 水深，天文潮及風暴潮關系示意

以某L- 1暴露等級平臺為例，環(huán)境數(shù)據見表6。

表6 某L1暴露等級平臺環(huán)境數(shù)據

根據數(shù)據和公式，可以算出，新規(guī)范的底甲部高度比21版規(guī)范增加約4.5 m。底甲板標高增加，則意味著平臺在遭受罕見風暴時遭遇上浪拍擊而損害的可能性將降低。

4.3 地震

地震韌性要求(ALE)新增了與平臺延展性相結合的儲備強度和韌性的抗震能力儲備系數(shù)并表示為Cr。Cr代表一個結構由于地震超出了強度水平時所能承受地面運動的能力。它被定義為導致結構崩潰或災難性的系統(tǒng)故障譜加速度和強度水平地震(ELE)譜加速度的比值[8]。對于海上固定式平臺結構，根據結構的一般特性，給出了Cr的推薦值，見表7。

表7 抗震能力儲備系數(shù)Cr推薦值

根據API RP 2EQ給出的地震的設計流程，需要先確定ALE的加速度譜，然后根據Cr確定ELE的加速度譜，因此Cr值的規(guī)定，提高了結構地震強度要求。API RP 2A的新規(guī)范中也說明，如果不使用推薦的Cr，需要滿足API的規(guī)定條件。

1)如果根據API 2EQ進行的是簡化地震分析流程，則L- 1平臺Cr值不應超過2.8，L- 2不應超過2.4, L- 3不應超過2.0。

2)根據API 2EQ做的非線性時程分析應確保在韌性地震中可以生存。如果采用靜力倒塌分析作為代替方法，應確保計算出的Cr值等于或大于假設值。

5 疲勞

簡化疲勞已經從規(guī)范中刪除。所有新建和再利用的結構，現(xiàn)在都要求進行詳細疲勞分析。

6 樁基礎設計

原章節(jié)中樁基礎設計標準(包括FOS的要求)和設計及安裝所需信息的內容并入到了API RP 2GEO規(guī)范中，只保留了打入樁的信息，包括最小壁厚、樁段長度、樁靴和樁頭及打樁安裝程序調整。

7 安裝

2010年新發(fā)布的API 2MOP“海上操作推薦做法”，現(xiàn)在是新版規(guī)范關于海上安裝操作的參考規(guī)范。另外，修正了樁壁厚推薦表的樁錘尺寸錯誤(對應老規(guī)范表 12.5.7，新規(guī)范表15.2)，修改對比見圖2。

圖2 樁壁厚推薦表對比

8 意外荷載

火災爆炸意外荷載的信息被指向了API RP 2FB，新規(guī)范中不再詳細論述。

9 結論

1)引用AISC 和AWS規(guī)范時，只能使用AISC 1989版和 AWS 2010版規(guī)范，不可使用最新版規(guī)范。

2)暴露分級矩陣與ISO 19902規(guī)范保持一致。

3)修正了樁壁厚推薦表的樁錘尺寸錯誤。

4)新規(guī)范提高了平臺的抗極端事件的設計要求：

①底甲板標高需根據1 000年環(huán)境荷載計算，提高了底甲板標高，從而降低上浪拍擊平臺甲板的風險。②倒塌分析的魯棒性評估的規(guī)定，提高了平臺抗極端環(huán)境的生存能力的要求。③地震分析需采用推薦的地震儲備強度系數(shù)Cr，提高了平臺抗罕見地震的生存能力。

[1] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms- Working Stress Design[S]. Twenty- Second Edition 2014.

[2] 林紅，陳國明，朱本瑞，等.海洋石油平臺結構全壽命周期動態(tài)魯棒性分析[J].石油學報,2015,36(2):246- 252.

[3] 朱本瑞，陳國明，林紅，等.極端環(huán)境下導管架平臺連續(xù)倒塌魯棒性評估[J].中國石油大學學報(自然科學版), 2015,39(6):138- 144.

[4] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning, Structural Integrity Management of Fixed Offshore Structures[S].2014.

[5] 王亮，阮勝福，王崇鑫，等.一種應用于平臺導管架的船舶撞擊分析方法[C].中國鋼結構行業(yè)大會論文集,2012:564- 567.

[6] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms- Working Stress Design[S]. Twenty- First Edition,2000.

[7] American Petroleum Institute, Derivation of Metocean Design and Operating Conditions[S].2014.

[8] American Petroleum Institute, Seismic Design Procedures and Criteria for Offshore Structures[S].2014.