在役海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全性評估

中海石油（中國）有限公司湛江分公司

在役海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全性評估

唐廣榮中海石油（中國）有限公司湛江分公司

某在役海洋平臺于1992年9月建成投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)年限為20年，現(xiàn)已超期服役，因此必須做好其安全評估工作。三維有限元方法可以很好地用于平臺結(jié)構(gòu)的疲勞分析與極限強度分析。通過對平臺導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)管節(jié)點的疲勞分析可知，平臺結(jié)構(gòu)在當(dāng)前海域波浪周期載荷作用下，繼續(xù)服役5年不會出現(xiàn)疲勞損傷問題，但一些節(jié)點已經(jīng)接近壽命極限；通過對該平臺導(dǎo)管架極限強度分析可知，平臺的儲備能力系數(shù)最小為5.4，大于石油行業(yè)規(guī)范要求的最低1.6的標(biāo)準(zhǔn)，平臺具備足夠儲備能力。

海洋平臺；三維有限元；疲勞；極限強度；安全評估；行業(yè)規(guī)范

已有的海洋平臺事故調(diào)查分析顯示，結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是造成事故的重要原因之一，特別是處于服役后期的海洋平臺，對其系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性和不確定性等危險的因素進(jìn)行準(zhǔn)確地分析和評價是非常必要的。某在役海洋平臺于1992年9月建成投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)年限為20年，現(xiàn)已超期服役，因此必須做好其安全評估工作。本文嘗試引入一種新的模型來簡化海洋平臺結(jié)構(gòu)計算模型，對其進(jìn)行疲勞極限強度分析。采用結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評估分析，研究其結(jié)構(gòu)安全水平及繼續(xù)在役的能力、安全可靠性和使用壽命問題。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意

1 平臺結(jié)構(gòu)模型

采用SACS計算程序（版本5.4）對平臺結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行模擬并建立三維有限元分析計算模型。計算模型將導(dǎo)管架與樁基在泥面處分開，泥面以上的導(dǎo)管架作為空間鋼架，甲板結(jié)構(gòu)作為板梁結(jié)構(gòu)，以此建立模型，泥面以下的樁基作為空間梁單元。計算模型考慮導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)與樁基的相互作用以及土壤的非線性特性，通過計算和迭代，不斷調(diào)整剛度，使得泥面處的位移和內(nèi)力相等。計算模型在分析計算導(dǎo)管架與甲板結(jié)構(gòu)時，采用PSI曲線模擬樁土作用。模型示意圖如圖1所示。

為使計算模型與實際結(jié)構(gòu)盡量相似，將平臺結(jié)構(gòu)所有主要受力構(gòu)件都按照實際尺寸和布置情況建入計算模型。具體包括：導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、三層甲板結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)、吊機底座結(jié)構(gòu)、主樁裙樁結(jié)構(gòu)、井口隔水套管、靠船樁、防撞器、等船平臺、泥漿管線、J形管、立管、泵護(hù)管。除前四項考察其結(jié)構(gòu)強度外，其他結(jié)構(gòu)只輸入實際尺寸及連接形式，不考察其自身強度。

2 疲勞分析

利用確定性分析方法對平臺的主要管節(jié)點進(jìn)行疲勞分析，得到平臺疲勞壽命，驗證在設(shè)計海況條件下，疲勞強度是否滿足規(guī)定設(shè)計年限。利用給定的波高頻次統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用確定性疲勞分析方法，按0、45°、90°、135°4種方向海況條件進(jìn)行計算。平臺使用壽命為25年，安全系數(shù)取為2.0，作業(yè)水深取40.8m。疲勞壽命計算按石油行業(yè)規(guī)范規(guī)定，選用APIX曲線，應(yīng)力集中系數(shù)按Efthymiou公式計算。

2.1結(jié)構(gòu)模型

腐蝕余量取設(shè)計值的一半，海生物厚度和密度按實際測厚結(jié)果，桿件厚度按實際測厚結(jié)果，結(jié)構(gòu)模型需要在導(dǎo)管架及上層模塊甲板上取足夠數(shù)量的自由度質(zhì)量節(jié)點。

疲勞分析中波浪水動力系數(shù)：Cd=0.6，Cm= 2.0（smooth）；Cd=0.8，Cm=2.0（rough）。

平臺于1992年投產(chǎn)，到2013年時，平臺已使用21年，本次評估后預(yù)計再使用5年，因此校核壽命為21+5×2=31年。

每個波浪方向考慮了5個不同的波浪工況，并將產(chǎn)生最大基底剪力的相位所對應(yīng)的荷載作為該波浪工況的荷載。疲勞分析采用的應(yīng)力幅值為最大基底剪力所對應(yīng)應(yīng)力的兩倍。

管節(jié)點疲勞壽命的計算，是應(yīng)用Palmgren-Miner累計損傷得到的。每一個管節(jié)點，選取焊縫的8個熱點應(yīng)力位置計算應(yīng)力幅值，應(yīng)力集中系數(shù)采用Efthymiou方法計算，熱點應(yīng)力對應(yīng)的S—N曲線使用APIX曲線，設(shè)計安全系數(shù)為2.0。

2.2疲勞校核結(jié)果

疲勞校核計算結(jié)果見表1。平臺導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的疲勞損傷壽命均高于31年設(shè)計壽命。

表1 不同節(jié)點疲勞損傷壽命

3 極限強度分析

極限強度采用非彈性的靜推導(dǎo)分析方法對平臺進(jìn)行評估，對平臺承載能力的評價比設(shè)計水平分析更為客觀，同時減少了評估的保守性。極限強度分析的目的在于證明平臺具有足夠的強度和穩(wěn)定性儲備，允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部超負(fù)荷和局部破壞，但不發(fā)生倒塌。

3.1環(huán)境條件

極限強度分析采用的環(huán)境條件為百年一遇的風(fēng)暴條件，與靜力分析所用的環(huán)境條件相同。

3.2極限強度分析過程

倒塌分析采用的環(huán)境條件為百年一遇的最大波浪+對應(yīng)流和風(fēng)速，共考慮4個方向：56.4°、90°、123.6°、180°。

倒塌分析過程中假定：①組塊次梁、火炬臂、隔水套管、立管及靠船件為彈性構(gòu)件，在整個分析過程中都在彈性范圍內(nèi)；②應(yīng)變率為0.5%。

按環(huán)境荷載的4個作用方向分別進(jìn)行了4個方向的倒塌分析，每個方向的荷載都由兩部分組成：一部分是結(jié)構(gòu)的垂向荷載（主要包括結(jié)構(gòu)自重、浮力、附屬結(jié)構(gòu)、設(shè)備荷載等）；另一部分是水平荷載。水平荷載以逐漸遞增的方式施加到結(jié)構(gòu)上，直至結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。

結(jié)構(gòu)進(jìn)入倒塌狀態(tài)的判斷準(zhǔn)則為：導(dǎo)管架腿和樁進(jìn)入塑性狀態(tài)；基礎(chǔ)土壤發(fā)生破壞；結(jié)構(gòu)桿件發(fā)生大變形。倒塌分析過程中出現(xiàn)以上情況之一即會終止，該方向的儲備能力系數(shù)(RSR)即為終止前一步的環(huán)境荷載系數(shù)。

3.3結(jié)果與分析

石油行業(yè)規(guī)范要求平臺的儲備能力系數(shù)(RSR)不能小于1.6，表2匯總了各個方向倒塌分析計算出來的RSR。極限強度分析失效的結(jié)構(gòu)變形如圖2所示。

表2 倒塌分析水平荷載部分

圖2 極限強度分析失效的結(jié)構(gòu)變形

4 結(jié)論

（1）三維有限元方法可以很好地用于平臺結(jié)構(gòu)的疲勞分析與極限強度分析。

（2）通過對平臺導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)管節(jié)點的疲勞分析可知，平臺結(jié)構(gòu)在當(dāng)前海域波浪周期載荷作用下，繼續(xù)服役5年不會出現(xiàn)疲勞損傷問題，但一些節(jié)點已經(jīng)接近壽命極限。

（3）通過對平臺導(dǎo)管架極限強度分析可知，平臺的儲備能力系數(shù)（RSR）最小為5.4，大于石油行業(yè)規(guī)范要求的最低1.6的標(biāo)準(zhǔn)，平臺具備足夠儲備能力。

（4）建議平臺在超期服役過程中，要嚴(yán)格控制總體載荷和海生物厚度，加強檢測，安全運營。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.2.001