林曉，楊陽(yáng)，王驊鐘，魏偉，竇明

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452)

0 引言

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，固定式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)海上生產(chǎn)平臺(tái)廣泛應(yīng)用于海上石油的開發(fā)與生產(chǎn)工作，導(dǎo)管架平臺(tái)的主結(jié)構(gòu)作為支撐整個(gè)設(shè)施正常功能的基礎(chǔ)設(shè)施為工業(yè)界廣為重視，但是作為導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的另一項(xiàng)功能，支撐隔水套管的結(jié)構(gòu)能力也應(yīng)被重點(diǎn)關(guān)注。隔水套管通常由導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)水上和水下的水平層井口區(qū)結(jié)構(gòu)支撐，主要目的是通過(guò)在不同高程規(guī)劃水平支撐結(jié)構(gòu)，有效減小隔水套管跨距，控制隔水套管在風(fēng)浪下的變形以保證隔水套管完整性，同時(shí)減小跨距以避免隔水套管渦激振動(dòng)的發(fā)生。如圖1所示，為典型的隔水套管與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及其支撐狀態(tài)[1]。

目前，在中國(guó)海洋石油行業(yè)，廣泛采用圓管截面水平結(jié)構(gòu)組成隔水套管支撐陣列框架，位于導(dǎo)管架水平層井口區(qū)，通過(guò)三個(gè)或者四個(gè)圓管短節(jié)連接隔水套管導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，為隔水套管提供水平支撐。此類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)保持水流連續(xù)性，且圓管結(jié)構(gòu)較小拖曳系數(shù)和附加質(zhì)量系統(tǒng)的水動(dòng)力特性比較有利于減少整體波浪載荷，故該類結(jié)構(gòu)廣泛得到應(yīng)用。

圖1 隔水套管工作狀態(tài)示意

除了框架結(jié)構(gòu)外，早期墨西哥灣以及中國(guó)渤海某些平臺(tái)還使用了整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)。如圖2所示，為中國(guó)渤海某油田部分平臺(tái)的整體全封閉式隔水套管典型支撐結(jié)構(gòu)。

整體全封閉式隔水套管支撐在結(jié)構(gòu)分析中有其獨(dú)特的分析要求和特點(diǎn)，尤其是該類結(jié)構(gòu)對(duì)于其周邊支撐主結(jié)構(gòu)的影響需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及后期結(jié)構(gòu)完整性維護(hù)中予以重視。

圖2 整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)

整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)分析主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

(1)水動(dòng)力載荷分析；(2)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；(3)結(jié)構(gòu)疲勞分析。

本文以中國(guó)渤海某平臺(tái)的整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)分析為例，對(duì)分析要點(diǎn)予以歸納闡述。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水動(dòng)力特性

全封閉式隔水套管支撐片通常在邊界處與主結(jié)構(gòu)框架連接構(gòu)成結(jié)構(gòu)整體，并由平臺(tái)結(jié)構(gòu)主體框架支撐，即載荷最終由導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)主框架承受，如圖3所示。盡管隔水套管支撐結(jié)構(gòu)非主結(jié)構(gòu)但是其對(duì)于主結(jié)構(gòu)承載的影響非常巨大，需要進(jìn)行非常詳細(xì)的分析。

圖3 全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)整體示意

在海洋環(huán)境中，水下獨(dú)立板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常慎重，主要原因是在海浪和海流作用的水下環(huán)境中，實(shí)體板結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性不是很理想，通常導(dǎo)致波較大的非線性波浪拖曳力和較高的附加質(zhì)量影響，因此如何模擬該結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性是對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度正確分析的關(guān)鍵。

鑒于對(duì)于圓管結(jié)構(gòu)各種分析軟件均采用莫爾森公式成熟的計(jì)算方法分析，故在實(shí)際分析中一般采用虛擬圓管結(jié)構(gòu)模擬板結(jié)構(gòu)的作用用于承擔(dān)對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力載荷，但是需要根據(jù)板結(jié)構(gòu)的特性調(diào)整虛擬圓管結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力系數(shù)來(lái)準(zhǔn)確模擬其承載狀態(tài)，當(dāng)然更為精細(xì)的分析可通過(guò)CFD數(shù)值模擬的方式進(jìn)行，鑒于工程需要，采用保守的修正Cd/Cm的方式來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析。

對(duì)于在無(wú)限流體中受連續(xù)水質(zhì)點(diǎn)作用的板結(jié)構(gòu)，DNV-RP-C205[2]和DNV-RP-F205[3]中均進(jìn)行了討論，方形平板結(jié)構(gòu)的附連水質(zhì)量系數(shù)Cm推薦采用公式(1)計(jì)算，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸較大時(shí)，該數(shù)值可達(dá)到非常可觀的程度。

而方形板結(jié)構(gòu)在流體方向上的拖曳力系數(shù)采用DNVGL-RP-F205[3]中三維物體拖曳力系數(shù)提供的計(jì)算方法計(jì)算。計(jì)算所得的等效Cd系數(shù)將用于結(jié)構(gòu)分析。拖曳力系數(shù)的計(jì)算采用公式(2)計(jì)算，相關(guān)文獻(xiàn)[4]分析顯示該數(shù)值一般取到5至10。注意此系數(shù)的基礎(chǔ)為整個(gè)封閉板的面積，在采用莫爾森單元模擬時(shí)應(yīng)考慮額外的系數(shù)放大其面積至需要的面積。

采用經(jīng)驗(yàn)公式，勢(shì)流理論也可以對(duì)該類結(jié)構(gòu)的載荷情況進(jìn)行分析，不過(guò)仍然避免不了對(duì)于粘性阻尼的討論和模擬，本文不對(duì)此類分析進(jìn)行討論。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析一般采用基于整體結(jié)構(gòu)對(duì)海底參考面的整體剪力或者傾覆力矩進(jìn)行波浪周期搜索得到設(shè)計(jì)波浪相位用于結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度計(jì)算分析，在此過(guò)程中忽略了水質(zhì)點(diǎn)垂直方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的局部載荷。而對(duì)于本文關(guān)注的全封閉式結(jié)構(gòu)，由于其幅面較為寬大，故其垂直方向的水動(dòng)力載荷較為明顯，不能簡(jiǎn)單忽略。故在結(jié)構(gòu)分析中，除了上述基于總體基底彎矩剪力的波浪相位搜索外，還應(yīng)該就水下板式隔水套管支撐框架結(jié)構(gòu)對(duì)于邊界結(jié)構(gòu)的影響執(zhí)行額外的相位搜索作為額外的載荷工況對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。作為對(duì)比，在分析中對(duì)完整波浪周期進(jìn)行載荷分析，得到的考慮板結(jié)構(gòu)特殊水動(dòng)力系數(shù)后結(jié)構(gòu)載荷情況與平臺(tái)在位工況波浪相位選擇的偏差。

如圖4所示，顯示了在100年一遇的環(huán)境條件下，作用于隔水套管支撐結(jié)構(gòu)的垂向載荷隨波浪相位角的變化而變化的情況。根據(jù)在位分析，最大基底剪力的相位為300°，而根據(jù)曲線，產(chǎn)生最大垂向載荷的相位為50度，故對(duì)于局部構(gòu)架，受到局部載荷的影響在總體強(qiáng)度分析時(shí)并未予全面考慮。不過(guò)由于結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)構(gòu)架設(shè)計(jì)較為保守，局部的垂向載荷一般不會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)能力，載荷差別在值差別在20%至30%左右。

圖4 套管支撐結(jié)構(gòu)的垂直載荷與相位角關(guān)系

3 結(jié)構(gòu)疲勞分析

為清晰分析全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)水動(dòng)力特性對(duì)于邊界支撐結(jié)構(gòu)的影響，有必要對(duì)圓管截面組成隔水套管支撐陣列框架結(jié)構(gòu)與全封閉式隔水套管結(jié)構(gòu)的疲勞特性進(jìn)行分析對(duì)比。已知中國(guó)渤海某平臺(tái)隔水套管支撐結(jié)構(gòu)為板式結(jié)構(gòu)，水深約30 m，隔水套管陣列為5 m×8 m，分析采用SESAM海洋工程分析軟件執(zhí)行，導(dǎo)管架模型如圖5所示。

圖5 疲勞分析導(dǎo)管架模型

結(jié)構(gòu)疲勞分析過(guò)程包括：(1)平臺(tái)樁土線性化；(2)平臺(tái)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析；(3)平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析；(4)導(dǎo)管架疲勞壽命分析。

通過(guò)建模，針對(duì)分析模型，如圖6所示，對(duì)兩種隔水套管支撐結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了模擬分析，包括：

圖6 隔水套管分析模型

(1)隔水套管支撐為圓管406 mm×13 mm；

(2)隔水套管支撐為板結(jié)構(gòu)：模擬繼續(xù)采用406 mm×13 mm圓管模擬但是修正Cd，Cm模擬平臺(tái)的水動(dòng)力特性。

疲勞分析采用API RP2A 21[5]的分析方法，采用API-X＇疲勞分析S-N曲線進(jìn)行分析。波浪譜采用平臺(tái)所在海域的年度統(tǒng)計(jì)波浪散布圖譜。針對(duì)上述兩種模擬狀態(tài)的疲勞分析結(jié)果如圖7、圖8所示。根據(jù)疲勞分析結(jié)果，其差異非常明顯，采用圓管支撐的結(jié)構(gòu)疲勞壽命遠(yuǎn)高于采用全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析結(jié)果如下：

圖7 基于圓管支撐的疲勞分析結(jié)果(最小壽命54年)

(1)采用圓管支撐結(jié)構(gòu)模擬分析，最小疲勞壽命為54年，相對(duì)平臺(tái)20年設(shè)計(jì)壽命，能夠滿足2倍疲勞安全系數(shù)的要求；

(2)采用全封閉式板結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)模擬分析，最小疲勞壽命為4.7年，相對(duì)平臺(tái)20年設(shè)計(jì)壽命，遠(yuǎn)不能達(dá)到規(guī)定的安全系數(shù)要求。

綜合疲勞分析對(duì)比的結(jié)論，可以清晰地確認(rèn)采用整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其疲勞壽命遠(yuǎn)低于采用圓管支撐的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用整體全封閉式支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于海洋平臺(tái)隔水套管支撐結(jié)構(gòu)早期應(yīng)用于墨西哥灣以及北海的部分平臺(tái)，在服役過(guò)程此類平臺(tái)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了水下第一層隔水套管支撐結(jié)構(gòu)邊界節(jié)點(diǎn)疲勞裂紋的情況?？紤]到水下裂紋尤其是貫穿裂紋維修難度較大，后期的設(shè)計(jì)中已經(jīng)很少采用整體全封閉式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

目前，中國(guó)渤海海域少量采用此類設(shè)計(jì)的平臺(tái)出現(xiàn)水下裂紋的情況已經(jīng)引起作業(yè)者的重視，為避免該類型結(jié)構(gòu)的不利影響，建議按照本文提供的分析要點(diǎn)對(duì)該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析校核，分析其影響程度。此外加強(qiáng)對(duì)水下尤其是水下第一層隔水套管支撐結(jié)構(gòu)以及其邊界支撐節(jié)點(diǎn)的檢驗(yàn)，如采用水下無(wú)損探傷技術(shù)加密檢驗(yàn)重要的連接樁腿的節(jié)點(diǎn)，如出現(xiàn)裂紋即采取打磨和加強(qiáng)等措施防止裂紋擴(kuò)展至貫穿性裂紋。另外，如有條件，建議采取有效手段減小整體全封閉式板結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力影響，如：對(duì)板結(jié)構(gòu)開口使上下水體聯(lián)通進(jìn)而減少上下表面壓差帶來(lái)的總體影響。