(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心， 山東 青島 266580)

0 引 言

作為海上油氣資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，導(dǎo)管架平臺(tái)得到了廣泛應(yīng)用，且不斷向大型化、深水領(lǐng)域發(fā)展[1]。臺(tái)風(fēng)是極具破壞力的極端天氣[2]，能夠破壞甚至摧毀海上石油平臺(tái)。在極端臺(tái)風(fēng)環(huán)境下，導(dǎo)管架平臺(tái)一旦倒塌，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。我國(guó)南海海域的導(dǎo)管架平臺(tái)常年受臺(tái)風(fēng)影響，對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下導(dǎo)管架平臺(tái)的極限承載能力進(jìn)行合理分析具有重要意義。API[3]、ISO[4]和DNV[5]規(guī)范均推薦采用靜力推覆分析方法評(píng)估海洋平臺(tái)的極限承載能力，但該方法只單純地放大設(shè)計(jì)載荷，無(wú)法直觀反映平臺(tái)所處的海洋環(huán)境，存在一定缺陷。為此，國(guó)內(nèi)外人員進(jìn)行了深入研究。朱本瑞等[6]提出載荷增量分析方法，對(duì)平臺(tái)施加不同重現(xiàn)期的環(huán)境載荷，分析平臺(tái)的抗倒塌性能。GOLAFSHANI等[7]提出增量波浪分析(Incremental Wave Analysis, IWA)方法，考慮波高和波浪的變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，合理評(píng)估平臺(tái)的承載能力和倒塌行為。周社寧[8]研究船舶抗風(fēng)能力與風(fēng)級(jí)的關(guān)系，探討將船舶抗風(fēng)能力通過(guò)風(fēng)級(jí)當(dāng)量進(jìn)行評(píng)估的可行性。

將承載能力分析與蒲福風(fēng)級(jí)結(jié)合起來(lái)，提出風(fēng)級(jí)增量分析方法，并以?xún)煞N導(dǎo)管架平臺(tái)為研究對(duì)象，模擬平臺(tái)所處的海洋環(huán)境，對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行分析，為導(dǎo)管架平臺(tái)的安全等級(jí)劃分提供依據(jù)。

1 風(fēng)級(jí)增量分析原理

靜力推覆分析是國(guó)內(nèi)外計(jì)算極限承載能力時(shí)比較常用的一種方法[9-10]，該方法有助于研究人員了解結(jié)構(gòu)從彈性、屈服、強(qiáng)度失效直至倒塌的整個(gè)過(guò)程的發(fā)展規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)在復(fù)雜海洋環(huán)境下的極限承載力。但是，通過(guò)該方法加載的設(shè)計(jì)載荷和放大載荷與實(shí)際的環(huán)境載荷有較大差別，只能對(duì)平臺(tái)進(jìn)行整體把握和計(jì)算。

在靜力推覆分析的基礎(chǔ)上，提出風(fēng)級(jí)增量分析方法。與靜力推覆分析的研究方式不同，風(fēng)級(jí)增量分析的基本原理是：調(diào)研平臺(tái)所處海域環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)耿貝爾模型確定環(huán)境參數(shù)分布，選取初始風(fēng)級(jí)上限風(fēng)速對(duì)應(yīng)的環(huán)境載荷，加載至平臺(tái)有限元模型進(jìn)行一次非線(xiàn)性靜力分析，接著增大風(fēng)級(jí)，直至平臺(tái)倒塌，此時(shí)對(duì)倒塌風(fēng)級(jí)范圍內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行搜索，并進(jìn)行模型加載和計(jì)算，直至得到平臺(tái)臨界倒塌點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速。具體分析流程如圖1所示。該方法不僅能夠反映導(dǎo)管架平臺(tái)所處環(huán)境的真實(shí)現(xiàn)狀，而且還能將平臺(tái)的承載能力與風(fēng)級(jí)緊密聯(lián)系起來(lái)，使風(fēng)級(jí)大小作為評(píng)估平臺(tái)抗風(fēng)能力的重要指標(biāo)。

圖1 風(fēng)級(jí)增量分析流程

2 導(dǎo)管架平臺(tái)有限元模型及環(huán)境載荷

2.1 有限元模型

以南海某導(dǎo)管架平臺(tái)為例，利用ANSYS軟件建立兩種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管架平臺(tái)有限元模型，分別命名為平臺(tái)A和平臺(tái)B，如圖2所示。兩平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖2 導(dǎo)管架平臺(tái)有限元模型

名稱(chēng)上甲板長(zhǎng)×寬/(m×m)下甲板長(zhǎng)×寬/(m×m)甲板氣隙/m導(dǎo)管架頂部長(zhǎng)×寬/(m×m)導(dǎo)管架底部長(zhǎng)×寬/(m×m)導(dǎo)管架高度/m樁腿深度/m平臺(tái)A53.45×2347.85×2216.526×14.326×28.98066平臺(tái)B66.45×2360.85×2216.539×14.339×28.98060

在分析過(guò)程中需模擬平臺(tái)的倒塌行為，在建模過(guò)程中單元的選取尤為重要：采用PIPE 16和SHELL 63單元模擬甲板，MASS 21單元模擬集中質(zhì)量；利用PIPE 288單元建立平臺(tái)導(dǎo)管架，并通過(guò)該單元直接模擬波浪和海流載荷；考慮樁-土非線(xiàn)性耦合作用，通過(guò)PIPE 20單元建立平臺(tái)樁腿，并通過(guò)COMBIN 39彈簧單元模擬樁-土的關(guān)系。

2.2 風(fēng)載荷

在極端風(fēng)載荷下，南海固定式平臺(tái)有受損甚至倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)風(fēng)載荷下導(dǎo)管架平臺(tái)的安全性能進(jìn)行合理評(píng)估具有重要意義。根據(jù)API[3]標(biāo)準(zhǔn)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)所受風(fēng)力大小為

F=KKZP0A

(1)

式中：F為風(fēng)載荷；K為形狀因數(shù)，對(duì)梁和建筑物側(cè)壁取1.5，對(duì)圓柱體側(cè)壁取0.5，對(duì)平臺(tái)總投影面積取1.0；KZ為高度變化因數(shù)，根據(jù)平臺(tái)甲板所處高度取1.1；P0為風(fēng)壓，Pa；A為受風(fēng)載荷面積，m2。

風(fēng)壓P0為

P0=αv2

(2)

式中：α為風(fēng)壓系數(shù)，取0.613 N·s2/m4；v為風(fēng)速，m/s。

2.3 上浪載荷

當(dāng)導(dǎo)管架平臺(tái)所處環(huán)境極為惡劣時(shí)，就會(huì)發(fā)生甲板上浪現(xiàn)象，本次計(jì)算采用API[3]關(guān)于上浪載荷的計(jì)算公式：

(3)

式中：Fd為上浪載荷，N；awkf為波浪的運(yùn)動(dòng)因數(shù)，取0.88；acbf為導(dǎo)管架對(duì)海流的阻塞因數(shù)，取0.8；V為甲板上浪處的水質(zhì)點(diǎn)速度，m/s；U為與波浪同方向的海流速度，m/s；ρ為海水密度，kg/m3；Cd為拖曳因數(shù)，取2.0；η為波面高度，m；ya為甲板氣隙，m；D為甲板寬度。V與η可由斯托克斯五階波浪理論[11]計(jì)算得出。

2.4 工況設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)管架平臺(tái)作業(yè)海域，參考南海歷年海洋環(huán)境資料，采用耿貝爾分布[12]對(duì)風(fēng)速、波高、周期和海流流速進(jìn)行推算。分布函數(shù)的具體表達(dá)式為

(4)

式中：a為位置參數(shù)；b為尺度參數(shù)。

當(dāng)重現(xiàn)期為T(mén)時(shí)，極值的設(shè)計(jì)值為

(5)

工況設(shè)計(jì)的方法是：采用矩法對(duì)風(fēng)速、有效波高、跨零周期，以及流速的位置參數(shù)和尺度參數(shù)進(jìn)行求解，提取各風(fēng)級(jí)上限風(fēng)速，代入風(fēng)速極值表達(dá)式(5)求得重現(xiàn)期，將重現(xiàn)期作為中間變量進(jìn)而求得有效波高、跨零周期、流速，其中最大波高為有效波高的1.72倍，最大周期為跨零周期的1.27倍。載荷方向垂直于平臺(tái)側(cè)面，由于兩平臺(tái)側(cè)面結(jié)構(gòu)基本相同，因此風(fēng)載荷與上浪載荷大小基本相同， API[3]和海上平臺(tái)狀態(tài)評(píng)定指南[13]給出了風(fēng)載荷具體計(jì)算公式。通過(guò)APDL編程得出最大相位角。平臺(tái)所處海域的具體工況參數(shù)如表2所示，為方便分析，沿平臺(tái)水平方向施加載荷。

表2 平臺(tái)所處海域環(huán)境參數(shù)

圖3 導(dǎo)管架平臺(tái)承載能力曲線(xiàn)

3 導(dǎo)管架平臺(tái)承載能力分析

對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)分別進(jìn)行靜力推覆分析和風(fēng)級(jí)增量分析，得到相應(yīng)的承載能力曲線(xiàn)，如圖3所示，各曲線(xiàn)主要分為線(xiàn)彈性階段、彈塑性階段和延性倒塌階段。

通過(guò)兩種分析方法得到的承載能力曲線(xiàn)的增長(zhǎng)方式存在較大的不同：在平臺(tái)結(jié)構(gòu)線(xiàn)彈性階段，靜力推覆分析得到的承載能力曲線(xiàn)斜率較大，增長(zhǎng)速度較快；風(fēng)級(jí)增量分析考慮了環(huán)境載荷的變化以及甲板上浪現(xiàn)象的出現(xiàn)，從線(xiàn)彈性到彈塑性階段，承載能力曲線(xiàn)呈現(xiàn)較為平滑的過(guò)渡，曲線(xiàn)斜率有逐漸減小的趨勢(shì)。風(fēng)級(jí)增量分析得到的平臺(tái)A和平臺(tái)B的極限承載能力分別為59.68 MN、86.84 MN，比靜力推覆分析得到的結(jié)果分別小11.53 MN、11.46 MN，這表明靜力推覆分析得到極限承載力數(shù)值明顯偏大。

平臺(tái)甲板和導(dǎo)管架采用高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為360 MPa。根據(jù)風(fēng)級(jí)增量分析，在風(fēng)力達(dá)到17級(jí)時(shí)，平臺(tái)構(gòu)件開(kāi)始屈服。提取風(fēng)速59.5 m/s工況下導(dǎo)管架平臺(tái)A的單元應(yīng)力和位移，以及風(fēng)速61.2 m/s工況下導(dǎo)管架平臺(tái)B的單元應(yīng)力和位移。如圖4和圖5所示，導(dǎo)管架的大量構(gòu)件已達(dá)到屈服極限，將進(jìn)入彈塑性階段，此時(shí)得到的基底剪力遠(yuǎn)小于靜力推覆分析出現(xiàn)大量構(gòu)件屈服時(shí)得到的結(jié)果；如圖6和圖7所示，在風(fēng)級(jí)增量分析下兩導(dǎo)管架平臺(tái)的最大位移同樣小于靜力推覆分析的結(jié)果。當(dāng)環(huán)境載荷大到一定程度時(shí)，通過(guò)靜力推覆分析得到的評(píng)估結(jié)果是平臺(tái)安全可靠，但在實(shí)際工況下平臺(tái)已十分危險(xiǎn)。因此，考慮真實(shí)環(huán)境的風(fēng)級(jí)增量分析能更好地評(píng)估海洋平臺(tái)的安全性能，靜力推覆分析可能會(huì)造成較大的誤差。

圖4 風(fēng)速59.5 m/s工況下導(dǎo)管架平臺(tái)A的單元應(yīng)力 圖5 風(fēng)速61.2 m/s工況下導(dǎo)管架平臺(tái)B的單元應(yīng)力

圖6 風(fēng)速59.5 m/s工況下導(dǎo)管架平臺(tái)A的位移 圖7 風(fēng)速61.2 m/s工況下導(dǎo)管架平臺(tái)B的位移

根據(jù)風(fēng)級(jí)增量分析，取平臺(tái)倒塌前的數(shù)據(jù)，并剔除4～5個(gè)風(fēng)速較小的數(shù)據(jù)點(diǎn)，作出平臺(tái)A與平臺(tái)B的基底剪力-風(fēng)速擬合曲線(xiàn)和最大位移-風(fēng)速擬合曲線(xiàn)如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出兩曲線(xiàn)皆呈現(xiàn)較大的規(guī)律性，曲線(xiàn)走勢(shì)與對(duì)數(shù)函數(shù)相關(guān)。

圖8 基底剪力-風(fēng)速擬合曲線(xiàn) 圖9 最大位移-風(fēng)速擬合曲線(xiàn)

擬合曲線(xiàn)函數(shù)為

Vw=c·lnX+d

(6)

式中：Vw為風(fēng)速(m/s)；X為最大位移(m)或基底剪力(MN);c、d為相應(yīng)因數(shù)，具體大小如表3所示。

表3 平臺(tái)參數(shù)與風(fēng)速所確定的因數(shù)大小

通過(guò)式(6)可直接求得不同風(fēng)速下平臺(tái)的最大位移和基底剪力，計(jì)算結(jié)果雖然存在一定誤差，但可對(duì)倒塌前的平臺(tái)狀態(tài)進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，省去大量計(jì)算流程，對(duì)平臺(tái)安全分級(jí)具有重要意義。

4 基于風(fēng)級(jí)增量分析的導(dǎo)管架平臺(tái)安全分級(jí)

4.1 導(dǎo)管架平臺(tái)狀態(tài)劃分

可根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞的不同形式對(duì)平臺(tái)狀態(tài)進(jìn)行劃分。以下破壞形式可作為劃分平臺(tái)安全等級(jí)的界限：斜撐出現(xiàn)屈服，此時(shí)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部損傷，但平臺(tái)還能正常工作；樁管出現(xiàn)屈服，此時(shí)平臺(tái)結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響平臺(tái)安全作業(yè)；平臺(tái)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重變形，結(jié)構(gòu)大量失效，若承受更大載荷，平臺(tái)將會(huì)倒塌，此時(shí)為臨界倒塌點(diǎn)。

為合理評(píng)估導(dǎo)管架平臺(tái)的安全性能，確定承載能力與平臺(tái)狀態(tài)間的關(guān)系，提出平臺(tái)強(qiáng)度余量因數(shù)：

(7)

式中：R為強(qiáng)度余量因數(shù)；Fw為風(fēng)載荷，N；Fa為波浪載荷，N；Fc為海流載荷，N；Fu為平臺(tái)極限承載能力，N。

該因數(shù)將平臺(tái)承載能力與海洋環(huán)境載荷結(jié)合起來(lái)，可作為平臺(tái)安全評(píng)估的指標(biāo)。根據(jù)安全等級(jí)界限的劃分以及風(fēng)級(jí)增量分析得到的風(fēng)速-承載能力擬合曲線(xiàn)大致確定強(qiáng)度余量因數(shù)的閾值分別為0.77、0.42和0，并將導(dǎo)管架平臺(tái)在風(fēng)浪載荷下的狀態(tài)劃分為完整、損傷、破壞和倒塌等4種，如表4所示。完整狀態(tài)指平臺(tái)構(gòu)件呈線(xiàn)彈性，平臺(tái)能夠安全可靠地工作；損傷狀態(tài)指少量構(gòu)件出現(xiàn)屈服，可能會(huì)影響平臺(tái)的正常工作；破壞狀態(tài)指平臺(tái)大量關(guān)鍵構(gòu)件出現(xiàn)屈服，對(duì)平臺(tái)的安全作業(yè)產(chǎn)生較大影響；倒塌狀態(tài)指構(gòu)件完全失效，平臺(tái)已無(wú)法進(jìn)行正常作業(yè)。

表4 導(dǎo)管架平臺(tái)狀態(tài)劃分

4.2 導(dǎo)管架平臺(tái)安全分級(jí)

對(duì)平臺(tái)進(jìn)行安全分級(jí)，通過(guò)4種線(xiàn)型描述4種不同的安全級(jí)別，如表5所示。

表5 導(dǎo)管架平臺(tái)安全分級(jí)

利用MATLAB軟件編寫(xiě)程序，作出兩導(dǎo)管架平臺(tái)的安全分級(jí)窗口，如圖10和圖11所示，圖中虛線(xiàn)為各個(gè)風(fēng)級(jí)對(duì)應(yīng)風(fēng)速的界限。通過(guò)平臺(tái)安全分級(jí)窗口，可根據(jù)風(fēng)級(jí)大小快速判斷導(dǎo)管架平臺(tái)的安全狀態(tài)。

圖10 導(dǎo)管架平臺(tái)A安全分級(jí)窗口

圖11 導(dǎo)管架平臺(tái)B安全分級(jí)窗口

以圖11為例，對(duì)不同風(fēng)力下導(dǎo)管架平臺(tái)B的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估：在風(fēng)力≤12級(jí)時(shí)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整；在12級(jí)<風(fēng)力<13級(jí)時(shí)，平臺(tái)處于結(jié)構(gòu)完整與損傷的臨界狀態(tài)；在13級(jí)≤風(fēng)力≤15級(jí)時(shí)，平臺(tái)呈現(xiàn)損傷狀態(tài)；在15級(jí)<風(fēng)力<16級(jí)時(shí)，平臺(tái)處于結(jié)構(gòu)損傷與破壞的臨界狀態(tài)；在16級(jí)≤風(fēng)力<17級(jí)時(shí)，平臺(tái)呈現(xiàn)破壞狀態(tài)；在風(fēng)力=17級(jí)時(shí)，平臺(tái)達(dá)到承載能力極限；在風(fēng)力>17級(jí)時(shí)，平臺(tái)倒塌。平臺(tái)A與平臺(tái)B的安全分級(jí)窗口雖有一定差別，但在不同風(fēng)級(jí)所對(duì)應(yīng)的平臺(tái)狀態(tài)基本一致。該模型能夠?qū)⑵脚_(tái)狀態(tài)與風(fēng)級(jí)緊密聯(lián)合起來(lái)，能夠起到安全評(píng)估的作用。

5 結(jié) 論

(1) 基于靜力推覆分析理論，建立風(fēng)級(jí)增量分析方法，對(duì)兩種導(dǎo)管架平臺(tái)的承載能力曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果說(shuō)明風(fēng)級(jí)增量分析能充分考慮導(dǎo)管架平臺(tái)所處環(huán)境及不同載荷分布狀況，模擬平臺(tái)所受極端載荷，準(zhǔn)確計(jì)算不同環(huán)境下導(dǎo)管架平臺(tái)的承載能力，從而明確該方法的可行性。

(2) 風(fēng)級(jí)增量分析得到的位移和基底剪力根據(jù)風(fēng)速的不同會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性變化?？蛇M(jìn)行曲線(xiàn)擬合并建立相應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式，預(yù)測(cè)倒塌前的導(dǎo)管架平臺(tái)承載能力，為平臺(tái)安全等級(jí)劃分打下基礎(chǔ)。

(3) 根據(jù)導(dǎo)管架平臺(tái)的破壞形式提出強(qiáng)度余量因數(shù)和平臺(tái)狀態(tài)劃分的方法，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)安全等級(jí)進(jìn)行劃分，建立導(dǎo)管架平臺(tái)安全分級(jí)窗口，直觀反映導(dǎo)管架平臺(tái)的承載能力與平臺(tái)狀態(tài)的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)力大于15級(jí)時(shí)平臺(tái)結(jié)構(gòu)受到破壞，大于17級(jí)時(shí)平臺(tái)存在倒塌風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果說(shuō)明利用風(fēng)級(jí)當(dāng)量能夠合理評(píng)估平臺(tái)的安全性能。