胡永明，趙佳寧，王子堂

（海洋石油工程股份有限公司 天津300451）

0 引 言

導(dǎo)管架平臺安裝就位后，海生物在結(jié)構(gòu)表面附著并持續(xù)生長。海生物的種類將近 600種，主要包含硬質(zhì)的貝殼以及軟質(zhì)的海草，其中硬質(zhì)海生物密度（干基）為 1300～1400kg/m3。海生物的存在會增加平臺結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并且增大結(jié)構(gòu)桿件尺寸，從而加大波浪、海流對結(jié)構(gòu)的作用力。

目前我國南海平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時均考慮一定的海生物厚度，以保證平臺服役期內(nèi)的安全。部分平臺安裝了防海生物裝置[1-2]或在結(jié)構(gòu)表面涂敷特殊涂層，限制海生物的生長。但部分平臺的海生物檢測結(jié)果表明，硬質(zhì)海生物在幾年之內(nèi)就能生長到50～60mm甚至更高，使平臺結(jié)構(gòu)部分區(qū)域海生物厚度超過設(shè)計值。因此，有必要研究海生物的實際厚度對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強度的影響，根據(jù)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平及樁基礎(chǔ)承載力制定合理的海生物清理方案，保證平臺結(jié)構(gòu)安全。

1 海生物影響計算方法

1.1 海生物質(zhì)量

導(dǎo)管架主要由圓管組成，單根圓管結(jié)構(gòu)上單位長度海生物的質(zhì)量可通過以下公式計算：

式中：D 為光滑桿件外徑；tm為海生物平均厚度；ρm為海生物密度；ρw為海水密度。

實際測量時采用鋼尺測量桿件不同位置處的周長，取平均值，再計算海生物平均厚度。

1.2 波流荷載

單根桿件單位長度的波流荷載采用莫里森方程[3]進行計算：

式中：CD為拖曳力系數(shù)；w為海水重力密度；g為重力加速度；A為桿件在荷載方向上單位長度的投影面積，對于圓管等于包含海生物在內(nèi)的有效直徑，A = D + 2 ×tm；U為水質(zhì)點速度；Cm為慣性力系數(shù)；V為桿件單位長度排開水的體積，圓管為水質(zhì)點加速度。

海生物的存在會影響拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)[4]，API規(guī)范[3]建議平臺結(jié)構(gòu)整體計算時按表 1取值。

表1 拖曳力系數(shù)與慣性力系數(shù)Tab.1 Drag and inertia coefficients

2 工程實例

2.1 海生物厚度

選取我國南海某平臺，研究海生物對平臺質(zhì)量、水平環(huán)境力以及平臺結(jié)構(gòu)強度的影響。該平臺為固定式導(dǎo)管架平臺，8腿 12裙樁，水深 199m，2009年投產(chǎn)。原始設(shè)計時采用的海生物厚度如表2所示。

表2 海生物設(shè)計厚度Tab.2 Design marine growth thickness

在 2014年進行了水下海生物測量，結(jié)果如表 3所示。

從測量結(jié)果可以看出，海生物厚度超過了原始設(shè)計值，水深 28～98m 測量值與設(shè)計值相差較大。2014年測量完成后清除了水深 0～35m范圍內(nèi)的海生物。根據(jù)《海上固定平臺安全規(guī)則》，我國海上固定平臺水下檢測周期一般為 5年。為了確定下一次水下檢測即2019年時海生物是否需要清理以及清理范圍，分析表4～6所示情況。

表3 海生物實測厚度Tab.3 Measured marine growth thickness

表4 一直不清理情況下海生物厚度Tab.4 No marine growth removal

表5 每5年清理0～35m水深下海生物厚度Tab.5 Remove marine growth 0～35m per 5 years

對表 4～6中 2019年及 2024年海生物厚度在2014年清理后的基礎(chǔ)上進行預(yù)測，假定水深0～50m海生物每年增長10mm，水深50～100m海生物每年增長 3mm，水深 100m～泥面海生物每年增長2mm。

表6 每5年清理0～50m水深下海生物厚度Tab.6 Remove marine growth 0～50m per 5 years

2.2 分析結(jié)果

經(jīng)過計算，該平臺在 2014年清理海生物前，海生物質(zhì)量（濕基）約 818t，百年一遇工況下海生物引起的波流力約 370t，占平臺受到的總波流力的5.5%。分析結(jié)果（表 7）顯示，如果不清理海生物，結(jié)構(gòu)應(yīng)力持續(xù)增加，樁基礎(chǔ)承載力安全系數(shù)降低，到2024年會出現(xiàn)應(yīng)力比超1且承載力安全系數(shù)不滿足要求。定期清理海生物將有效控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平并保證極端工況下基礎(chǔ)承載力安全系數(shù)大于 1.5，綜合考慮平臺的應(yīng)力水平和清理難度，建議定期清理水深0～35m范圍的海生物。

表7 導(dǎo)管架強度分析結(jié)果Tab.7 Jacket structural strength analysis results

3 結(jié) 論

通過以上海生物影響分析，本文主要得出如下結(jié)論，可供南海導(dǎo)管架平臺檢測和完整性管理參考。

①平臺設(shè)計時一般考慮一定的海生物厚度，有些平臺會在潮差帶安裝防海生物裝置，控制海生物的最大厚度。但部分平臺檢測資料顯示，實際海生物厚度可能會超過設(shè)計值，水深超過 50m 區(qū)域也可能會有海生物大量生長，防海生物裝置也會因為海生物生長或其他因素失去效用。因此有必要定期監(jiān)測海生物的生長狀態(tài)。

②海生物生長速度無法準確預(yù)測，一般認為平臺安裝初期生長較快，隨后生長速度減慢。海生物最大厚度也沒有明確規(guī)律，根據(jù)目前我國南海部分平臺的檢測數(shù)據(jù)，局部硬質(zhì)海生物可達 80～100mm，軟質(zhì)海生物可達200mm以上。目前僅考慮了硬質(zhì)海生物的影響，軟質(zhì)海生物還有待進一步研究。

③南海固定平臺由于水深較大，水深超過 50m后部分水下作業(yè)需要動用飽和潛水，費用很高。由于平臺在水面附近受到的波流荷載較大，目前南海固定平臺一般會清理水深 0～35m 范圍內(nèi)的海生物。當(dāng)深水區(qū)海生物生長嚴重時，可根據(jù)平臺實際情況清理0～50m范圍或考慮采用水下機器人ROV清理深水區(qū)結(jié)構(gòu)外表面的海生物。