劉玉璽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

高緯度地區(qū)的海洋油氣資源開發(fā)必須考慮海冰的影響，這是寒區(qū)海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計、建造中需要首先考慮的環(huán)境因素。海冰可能對海洋工程結(jié)構(gòu)物造成多方面的影響，如靜冰力極值引起的強度問題和動冰力作用下引起的結(jié)構(gòu)冰激振動問題，其中：結(jié)構(gòu)誘發(fā)劇烈、穩(wěn)定的冰激振動是結(jié)構(gòu)特征與冰條件相互匹配的結(jié)果。我國渤海海域的海洋平臺結(jié)構(gòu)型式和冰情特征具有一定的特殊性，導(dǎo)致渤海的冰激振動問題比極區(qū)國家更為突出。例如：1999年—2000年冬季，渤海錦州20-2中南平臺因發(fā)生冰激振動導(dǎo)致管線斷裂，造成高壓天然氣大量噴出。在國外，平臺結(jié)構(gòu)因發(fā)生冰激振動最終導(dǎo)致破壞性結(jié)果的事故也是屢見不鮮，例如：1973年波蘭在波茲尼亞灣建造的Kemi-I鋼質(zhì)燈塔，于當(dāng)年冬季在風(fēng)驅(qū)動的漂移冰排作用下產(chǎn)生劇烈振動而倒塌?；谶@些冰災(zāi)害引發(fā)的工程事故，如何對冰區(qū)導(dǎo)管架平臺的冰激振動[1]情況進(jìn)行分析引起了國內(nèi)外學(xué)者的共同關(guān)注。

國內(nèi)外科研工作者和工程技術(shù)人員采用不同的方法對海洋工程結(jié)構(gòu)的冰激振動問題開展了大量研究工作。張偉等[2]通過低溫拖曳冰水池模型試驗方法對渤海某八樁腿大跨度導(dǎo)管架平臺的冰激振動響應(yīng)情況進(jìn)行了研究，校核了動冰力作用下結(jié)構(gòu)的強度，并對不同冰條件下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析與討論。張紀(jì)剛等[3]使用作動器模擬動冰載荷作用，對一新型不銹鋼管中管鋼管混凝土組合平臺開展模型試驗，并將模型試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，得到新型平臺有更強的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)性。更多的學(xué)者通過理論分析和數(shù)值模擬的手段對冰激振動問題的現(xiàn)象和機理進(jìn)行了大量研究。梁瑞等[4]使用ANSYS有限元軟件對某六腿導(dǎo)管架平臺的冰激振動響應(yīng)進(jìn)行模擬分析，討論了冰力遮蔽效應(yīng)對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。趙玉良等[5]同樣利用ANSYS有限元軟件對渤海某導(dǎo)管架平臺進(jìn)行了冰激振動分析，主要考慮海冰撞擊作用下結(jié)構(gòu)的冰振響應(yīng)情況，并討論了不同冰厚、冰速等冰參數(shù)變化時導(dǎo)管架響應(yīng)的變化規(guī)律。吳奇兵等[6]使用ABAQUS有限元軟件對導(dǎo)管架平臺的冰激振動特征進(jìn)行了模擬分析，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)基頻與冰力頻率相近時會產(chǎn)生明顯的共振現(xiàn)象，進(jìn)而提出了改善冰激振動問題的幾項抗冰措施。除了針對導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的冰激振動進(jìn)行數(shù)值模擬分析，一些學(xué)者還對如海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)等構(gòu)造物進(jìn)行了研究。張大勇等[7]針對海上風(fēng)電基礎(chǔ)這一柔性結(jié)構(gòu)在海冰作用下的情況進(jìn)行研究，分別從靜冰力極值和動冰載荷的角度進(jìn)行分析，結(jié)合多年現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對渤海某典型風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗冰性能進(jìn)行了評估。

通過對已有研究工作的整理和分析可知，目前對冰區(qū)海洋平臺冰激振動問題的研究中，仍主要以平臺整體結(jié)構(gòu)為對象，對平臺火炬臂等子結(jié)構(gòu)在動冰力作用下產(chǎn)生動力響應(yīng)的研究工作仍較為匱乏。海洋平臺火炬臂屬于上部組塊的附屬結(jié)構(gòu)，主要由鋼制圓管組成，是平臺火炬系統(tǒng)的組成部分之一?；鹁姹壑饕獮榛鹁嫦到y(tǒng)的其他組成部分提供支撐，一般屬于細(xì)長結(jié)構(gòu)[8-9]。本文以錦州9-3區(qū)域中心平臺上的火炬臂子結(jié)構(gòu)為研究對象，分析火炬臂的冰激振動現(xiàn)象，從而探究其振動響應(yīng)與主平臺結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系。

1 計算原理

對于本文所研究的導(dǎo)管架平臺火炬臂結(jié)構(gòu)，其與平臺整體結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了結(jié)構(gòu)動力學(xué)中典型的主從系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)會相互影響。因此，為避免在進(jìn)行主結(jié)構(gòu)動力分析時，出現(xiàn)從屬結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響主結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征的現(xiàn)象，本文在研究中將對火炬臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨立的動力分析計算。由此可知，計算中的關(guān)鍵性技術(shù)原理在于把握火炬臂子結(jié)構(gòu)相對于導(dǎo)管架平臺主結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的繼承關(guān)系[10-12]。

為準(zhǔn)確把握子結(jié)構(gòu)對主結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的繼承關(guān)系，關(guān)鍵在于：

(1)在主結(jié)構(gòu)振動分析中采用恰當(dāng)?shù)姆椒?，?zhǔn)確獲取子結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)連接位置的振動響應(yīng)時程。

(2)在動力響應(yīng)分析中，對局部關(guān)鍵位置動力響應(yīng)的準(zhǔn)確把握主要取決于兩方面因素：局部剛度矩陣和局部質(zhì)量矩陣的準(zhǔn)確建立。

在分析過程中，通過構(gòu)建有限元模型對火炬臂與中心平臺上部模塊間的連接構(gòu)件及火炬臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量均進(jìn)行了準(zhǔn)確模擬，見圖1。由圖可見，在平臺設(shè)計中火炬臂與中心平臺上部模塊的兩層甲板形成了連接，在有限元模型中完整模擬了火炬臂與這兩層甲板連接的一系列構(gòu)件。同時，為了在平臺整體模型中考慮火炬臂結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，將火炬臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量附加在模型的上述連接構(gòu)件所組成的局部框架上。

這樣，在進(jìn)行中心平臺的整體冰激振動分析計算中，就可以準(zhǔn)確提取與每種海冰作用工況相對應(yīng)的火炬臂連接點上的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)時程，而這些動力響應(yīng)時程正是本文對火炬臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時的外部激勵輸入條件。

根據(jù)原型結(jié)構(gòu)中火炬臂的結(jié)構(gòu)型式建立有限元模型。在原型結(jié)構(gòu)中，火炬臂通過4根弦桿分別與中心平臺上甲板(高程+29 m)和中層甲板(高程+21 m)相連。4根弦桿逐漸收攏并合并為3根弦桿，構(gòu)成火炬臂結(jié)構(gòu)框架。火炬臂結(jié)構(gòu)的阻尼比為5%。為準(zhǔn)確掌握火炬臂結(jié)構(gòu)的動力特征，首先對火炬臂模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過計算得到結(jié)構(gòu)前3階自振頻率，見表1。通過與原型結(jié)構(gòu)的動力特征進(jìn)行對比，可知該火炬臂模型的模態(tài)分析結(jié)果是合理的。前3階振型見圖2～圖4。

表1 中心平臺火炬臂模型前3階自振頻率

圖4 中心平臺火炬臂3階振型

2 計算及結(jié)果分析

2.1 激勵輸入

火炬臂振動是在平臺整體結(jié)構(gòu)振動的帶動下產(chǎn)生的，因此本文對火炬臂模型的分析是以導(dǎo)管架平臺的整體動力計算為基礎(chǔ)的。計算結(jié)果表明：在最高天文潮水位，冰厚49.2 cm、冰速1.4 m/s(即百年遇冰厚和極端冰速)、冰向SSW工況下，平臺整體結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)達(dá)到最大值。在火炬臂動力分析中即以該工況為例，對火炬臂的激勵輸入條件進(jìn)行介紹。

如上所述，火炬臂的激勵輸入項是通過提取平臺整體計算輸入點上的振動響應(yīng)結(jié)果實現(xiàn)的。本文僅給出4個振動輸入點的其中一個，該點為火炬臂與中心平臺高程+29 m甲板靠西側(cè)連接點。提取該輸入點X、Y、Z3個方向的位移響應(yīng)時程，其結(jié)果見圖5～圖7。其他連接點的輸入激勵按此種方法提取即可。進(jìn)而可以進(jìn)行火炬臂結(jié)構(gòu)相應(yīng)工況的動力計算。

圖5 火炬臂振動輸入點：X向位移時程

圖6 火炬臂振動輸入點：Y向位移時程

2.2 計算結(jié)果分析

本文首先對平臺極端工況進(jìn)行分析，即最高天文潮水位下冰厚49.2 cm、冰速1.4 m/s(即百年遇冰厚和極端冰速)、冰向SSW工況。經(jīng)過計算，圖8～圖13為火炬臂在該工況下沿X、Y、Z3個方向的位移和加速度響應(yīng)，以及中心平臺高程+29 m甲板上的動力響應(yīng)，其中：甲板響應(yīng)結(jié)果源自平臺整體冰激振動分析，火炬臂響應(yīng)由其頂端節(jié)點結(jié)果描述。

圖7 火炬臂振動輸入點：Z向位移時程

圖8 沿X方向的位移響應(yīng)

圖9 沿Y方向的位移響應(yīng)

圖10 沿Z方向的位移響應(yīng)

通過上面對極端冰況下火炬臂與平臺甲板響應(yīng)的對比可以看到，火炬臂在吸收了平臺甲板傳遞過來的振動能量后，已將其轉(zhuǎn)化為自身特有的振動形態(tài)。具體表現(xiàn)為：

(1)X向：振動形態(tài)基本與平臺甲板保持一致，位移響應(yīng)水平較平臺甲板放大了2.5倍。

(2)Y向：振動形態(tài)與平臺甲板類似，但呈現(xiàn)出大比例的高頻成分，位移響應(yīng)水平較平臺甲板放大了1.5倍。

(3)Z向：振動形態(tài)與平臺甲板完全不同。甲板在該向的振動水平十分微弱，但火炬臂已將其轉(zhuǎn)化為自身的1階模態(tài)共振，振動水平較平臺甲板放大了近100倍。

圖11 沿X方向的加速度響應(yīng)

圖12 沿Y方向的加速度響應(yīng)

圖13 沿Z方向的加速度響應(yīng)

由上述分析可知，火炬臂在相同冰條件下體現(xiàn)出與平臺結(jié)構(gòu)完全不同的振動響應(yīng)特征。上述分析是在極端冰況下進(jìn)行的，此時冰力中包含很大比例的高頻激勵成分[13-14]。查閱之前模態(tài)計算結(jié)果可知，火炬臂的前3階固有頻率均高出中心平臺整體固有頻率數(shù)倍，因此形成了火炬臂對高頻振動能量集中吸收的響應(yīng)模式。

隨后對低冰速條件下的冰激振動情況進(jìn)行對比分析，分別提取該工況下火炬臂和中心平臺高程+29 m甲板上的響應(yīng)計算結(jié)果，本文只列出Z向響應(yīng)結(jié)果見圖14、圖15。低冰速條件下，火炬臂在吸收了平臺甲板傳遞過來的低頻振動能量后，將其轉(zhuǎn)化為另一種特有的振動形態(tài)。具體表現(xiàn)為：

(1)X向：振動形態(tài)與平臺甲板保持幾乎相反的相位，同時呈現(xiàn)出大比例的高頻成分，位移響應(yīng)水平較平臺甲板放大了近7倍。

(2)Y向：低頻振動形態(tài)與平臺甲板類似，但較之甲板呈現(xiàn)出更大比例的高頻成分，位移響應(yīng)水平較平臺甲板放大了近2倍。

(3)Z向：振動形態(tài)與平臺甲板完全不同。甲板在該向的振動水平十分微弱，但火炬臂已將其轉(zhuǎn)化為類似于自身1階振型的衰減振動形態(tài)，位移響應(yīng)水平較平臺甲板放大了近100倍。

由此可見，即便在低冰速下，火炬臂在繼承了平臺較為穩(wěn)定的振動特征后，也將演化為以垂向振蕩為主的運動形態(tài)。

圖14 低冰速下中心平臺火炬臂和

圖15 低冰速下中心平臺火炬臂和

鑒于以上分析可知，火炬臂Z向運動與X、Y向的運動規(guī)律有明顯不同，且其在垂向(Z向)的振動響應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)此，為了更詳細(xì)地研究Z向冰激振動響應(yīng)規(guī)律，對冰向西南偏南方向(SSW)工況下火炬臂Z向響應(yīng)隨冰速與冰厚的變化情況進(jìn)行統(tǒng)計，得到圖16～圖18所示的三維分布圖。

由前面數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，中心平臺在動冰力作用下的響應(yīng)規(guī)律主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)最高天文潮水位

低冰速下：振動水平較低的超諧波共振；

中冰速下：振動水平較高的超諧波共振；

高冰速下：振動水平較低的次諧波共振。

圖17 火炬臂在平均水位工況下Z向加速度波動范圍隨冰速變化情況

圖18 火炬臂在最低天文潮水位工況下Z向加速度波動范圍隨冰速變化情況

(2)平均水位

低冰速下：準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)；

中冰速下：開始進(jìn)入非線性共振區(qū)；

高冰速下：振動水平隨冰速逐漸增長的非線性共振。

(3)最低天文潮水位

低冰速下：振動水平較高的超諧波共振；

中冰速下：非線性共振區(qū)向隨機波動區(qū)的過渡；

高冰速下：振動水平較低的隨機響應(yīng)。

觀察圖16～圖18可知，上述規(guī)律可同樣在火炬臂的振動響應(yīng)中得到集中體現(xiàn)。由此可見，火炬臂的振動響應(yīng)對于平臺主結(jié)構(gòu)的振動具備重要的“繼承”特征，這也同時驗證了火炬臂冰激振動計算分析結(jié)果的合理性。

3 結(jié)論

本文為渤海淺水重冰區(qū)平臺的火炬臂冰激振動分析提供了一種數(shù)值模擬方法，通過對平臺整體結(jié)構(gòu)和火炬臂結(jié)構(gòu)的有限元分析可以得到以下結(jié)論：

(1) 主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)拆分建立力學(xué)模型經(jīng)過檢驗是可行的方法，為以后此類問題的解決提供了參考與借鑒。

(2) 計算結(jié)果顯示，渤海淺水重冰區(qū)平臺火炬臂的冰激振動相對于主結(jié)構(gòu)有一定的放大，且垂直方向上的變化相對其他兩個方向更為顯著。

(3) 對極端工況分析可以發(fā)現(xiàn)，火炬臂的運動與平臺主結(jié)構(gòu)的受力特性有著密切的關(guān)系。不同冰速下有著不同的破壞特性，對火炬臂結(jié)構(gòu)有著不同的影響。

(4) 通過對計算結(jié)果的詳細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，子結(jié)構(gòu)的運動響應(yīng)對主結(jié)構(gòu)有著良好的“繼承”關(guān)系，在結(jié)果中得到了很好的驗證。