自升式鉆井平臺(tái)的抗冰性能評(píng)價(jià)

張大勇，岳前進(jìn)，，劉 笛，許 寧，王冬慶，王勝勇（大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤 錦；.大連理工大學(xué) 工 業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大 連 60；.大連海洋大學(xué) 航 海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大 連 60；.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧大連60）

自升式鉆井平臺(tái)的抗冰性能評(píng)價(jià)

張大勇1，岳前進(jìn)1，2，劉 笛3，許 寧4，王冬慶3，王勝勇2
（1大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤 錦124221；2.大連理工大學(xué) 工 業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大 連 1 16023；3.大連海洋大學(xué) 航 海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大 連 1 16024；4.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧大連116024）

自升式鉆井平臺(tái)屬于典型的柔性結(jié)構(gòu)。由于冰與柔性抗冰結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性,長(zhǎng)期以來(lái)尚未形成基于動(dòng)冰力響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)抗冰設(shè)計(jì)中大都是從極端荷載出發(fā),只考慮最大靜冰力或最大傾覆力矩是否能推倒平臺(tái)?；趯?duì)渤海遼東灣柔性抗冰平臺(tái)的多年監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈的冰激振動(dòng)引起平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)疲勞失效、上部設(shè)施的非正常運(yùn)行、作業(yè)人員不舒適等問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)性要遠(yuǎn)大于極端靜冰荷載下結(jié)構(gòu)的整體安全問(wèn)題。文中基于多年現(xiàn)場(chǎng)冰與結(jié)構(gòu)作用觀測(cè)及冰荷載的研究成果，提出了柔性抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的主要失效模式及評(píng)價(jià)方法。最后，以渤海某典型自升式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)其抗冰性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。該文的研究可為寒區(qū)自升式平臺(tái)的抗冰概念設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)。

自升式平臺(tái)；冰激振動(dòng)；抗冰性能；評(píng)價(jià)

0 引 言

近年，國(guó)際極區(qū)海洋資源開發(fā)逐漸升溫。Pechora和Kara海域、Sakhalin海域、里海海域的海洋石油開發(fā)成為冰區(qū)開發(fā)新熱點(diǎn)。同時(shí)，海洋工程界對(duì)全球變暖趨勢(shì)的預(yù)期加強(qiáng)，北極能源開發(fā)的科學(xué)研究也逐漸興起。自升式鉆井平臺(tái)是一種最常用的淺海探測(cè)鉆井設(shè)備，主要由平臺(tái)結(jié)構(gòu)、樁腿、升降機(jī)構(gòu)、鉆井裝置及生活樓組成。應(yīng)用于淺海的自升式平臺(tái)，樁腿直徑一般在2-3 m，上部質(zhì)量比較重，工作水深變化范圍大，平臺(tái)的基礎(chǔ)較淺，屬于典型的柔性結(jié)構(gòu)。

目前，柔性的抗冰結(jié)構(gòu)是結(jié)冰海域一種常見的結(jié)構(gòu)形式，如前所述的自升式鉆井平臺(tái)，還有固定式導(dǎo)管架平臺(tái)、海上風(fēng)力發(fā)電塔等。這些結(jié)構(gòu)在冰力作用下能產(chǎn)生較大的變形，在周期性冰力作用下能產(chǎn)生顯著的振動(dòng)問(wèn)題。由于柔性抗冰結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)中主要考慮極值靜冰力引起結(jié)構(gòu)的破壞，沒(méi)有明確動(dòng)冰荷載模型及冰振下結(jié)構(gòu)動(dòng)力失效（設(shè)計(jì)準(zhǔn)則）問(wèn)題，歷史上柔性抗冰結(jié)構(gòu)曾發(fā)生過(guò)多次工程事故。1964年，美國(guó)庫(kù)克灣兩座簡(jiǎn)易抗冰平臺(tái)被冰推倒。1969年，我國(guó)渤海老二號(hào)海洋平臺(tái)在建成后不久就被大冰排推倒[1]。1977年，渤海“海四井”的烽火臺(tái)被海冰推倒[2]。八十年代后期以來(lái)，我國(guó)在渤海遼東灣相繼建造了多座柔性抗冰油氣平臺(tái)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了劇烈的冰激振動(dòng)現(xiàn)象[3]。例如，2000年冬天，渤海某平臺(tái)上部的放空管線在強(qiáng)烈的冰激振動(dòng)下產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)而發(fā)生斷裂；持續(xù)的冰振對(duì)平臺(tái)的作業(yè)人員也產(chǎn)生了一定影響[4]，相關(guān)報(bào)告顯示“平臺(tái)搖晃劇烈，文件柜移位，桌上碗筷落地，觀測(cè)人員感到危險(xiǎn)”。

基于對(duì)渤海遼東灣柔性抗冰平臺(tái)的多年監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈的冰激振動(dòng)引起平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)疲勞失效、上部設(shè)施的非正常運(yùn)行、作業(yè)人員不舒適等問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)性要遠(yuǎn)大于極端靜冰荷載下結(jié)構(gòu)的整體安全問(wèn)題。本文基于多年現(xiàn)場(chǎng)冰與結(jié)構(gòu)作用觀測(cè)及冰荷載的研究成果，提出了柔性抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的主要失效模式及評(píng)價(jià)方法。最后，以渤海某典型自升式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)其抗冰性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步明確自升式平臺(tái)在抗冰設(shè)計(jì)及安全保障中需要考慮的關(guān)鍵失效模式。本文的研究可為寒區(qū)自升式平臺(tái)的抗冰概念設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)。

1 自升式鉆井平臺(tái)力學(xué)特性分析

本文選取渤海某典型的自升式鉆井平臺(tái)，利用數(shù)值模擬，明確自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。建模中選用的單元及單元的作用見表1。在建立有限元模型過(guò)程中，對(duì)真實(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化保證主體結(jié)構(gòu)幾何形狀的真實(shí)性，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和振型的真實(shí)性，仿真模型如圖1所示。

表1 自升式平臺(tái)模型單元選取Tab.1 The selecting elements of jack-up platform

圖1 自升式平臺(tái)有限元模型Fig.1 The finite element model of jack-up platform

考慮不同升船（甲板）高度對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)固有頻率及等效水平剛度的影響，如表2和3所示。其中，等效水平剛度定義為使平臺(tái)甲板發(fā)生單位廣義位移（水平線位移或角位移）所需要施加的廣義力（集中力、均布力或力矩），即靜剛度。結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，隨平臺(tái)甲板高度的升高，平臺(tái)的固有頻率和等效水平剛度逐漸降低。渤海某典型抗冰油氣中心平臺(tái)的等效水平剛度和固有頻率分別為：5.52×107N/m，0.87 Hz?？梢姡陨狡脚_(tái)在升船高度為10 m（規(guī)范中要求的平臺(tái)作業(yè)時(shí)高度）時(shí)，等效剛度與固有頻率均低于導(dǎo)管架平臺(tái)[5]。

表2 不同升船高度下平臺(tái)的固有頻率Tab.2 The natural frequency of the platform under different heights

表3 不同升船高度下平臺(tái)的等效水平剛度Tab.3 The equivalent horizontal stiffness of the platform under different heights

現(xiàn)場(chǎng)海冰監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，冰與柔性抗冰結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎的能量譜頻率多數(shù)集中在0-2 Hz之間，如圖2所示。這樣，柔性結(jié)構(gòu)固有周期與冰力周期十分接近，不可避免地存在冰激共振現(xiàn)象，動(dòng)力效應(yīng)明顯。因此，在該類結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計(jì)中，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)升船高度，可以改變平臺(tái)的力學(xué)特性，從而提高其抗冰性能。

圖2 冰與柔性抗冰結(jié)構(gòu)作用的冰力能量譜Fig.2 The power spectrum of the interaction between ice and flexible ice-resist structures

2 冰荷載作用下柔性抗冰結(jié)構(gòu)的失效模式

常規(guī)的海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中規(guī)定：水深超過(guò)100 m且結(jié)構(gòu)固有周期超過(guò)3 s的海洋平臺(tái)屬于柔性平臺(tái)，在設(shè)計(jì)中需要考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力行為。依據(jù)這一規(guī)定，上述的抗冰平臺(tái)并不屬于柔性海洋結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行動(dòng)力分析。然而，由于冰荷載與波浪荷載作用機(jī)理不同，抗冰結(jié)構(gòu)在常規(guī)的風(fēng)、波浪荷載的作用下動(dòng)力響應(yīng)很小，但是在海冰作用下振動(dòng)明顯。其實(shí)，結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)該從兩方面考慮：一是在極值靜荷載下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不可忽略的變形；二是在動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)明顯?？梢?，自升式鉆井平臺(tái)、導(dǎo)管架式平臺(tái)等抗冰結(jié)構(gòu)屬于第二種類型。本文基于現(xiàn)場(chǎng)冰與海洋平臺(tái)相互作用的觀測(cè)以及冰荷載的研究成果，對(duì)冰荷載作用下柔性抗冰結(jié)構(gòu)的失效模式及評(píng)價(jià)方法做以分析。

2.1 極端冰荷載下結(jié)構(gòu)的失效

目前的海洋平臺(tái)規(guī)范設(shè)計(jì)中，一般考慮地震、波浪、海流、風(fēng)和海冰作用，并轉(zhuǎn)化為等效靜力作用來(lái)考慮。主要通過(guò)強(qiáng)度要求、剛度要求，來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件在各種載荷組合作用下是否安全。強(qiáng)度要求就是指構(gòu)件在設(shè)計(jì)載荷作用下的設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于許用應(yīng)力，即σ＜[σ]；剛度要求是指結(jié)構(gòu)的最大變形應(yīng)當(dāng)小于規(guī)范建議的容許值，即λ<[λ]。對(duì)于抗冰海洋平臺(tái)，就是在極端靜冰力的作用下保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度要求。在API RP-2A或ISO/DIS 19902標(biāo)準(zhǔn)中，極限強(qiáng)度分析采用儲(chǔ)備強(qiáng)度比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[6-7]。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：Fd和Fu分別是平臺(tái)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載下和極限荷載下的基底橫向力或傾覆力。導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的環(huán)境荷載通常為橫向荷載。文獻(xiàn)[8]指出，當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安裝水深大于30 m時(shí)，宜用結(jié)構(gòu)的傾覆力矩定義結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)；而當(dāng)安裝水深小于30 m時(shí)，用結(jié)構(gòu)基底橫向力定義強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)更為合適。

2.2 動(dòng)冰荷載下結(jié)構(gòu)的疲勞失效

多年的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，渤海遼東灣的柔性抗冰平臺(tái)在動(dòng)冰荷載的作用下存在明顯的動(dòng)力放大效應(yīng)，從定性上看有必要進(jìn)行動(dòng)力分析。為了更好地說(shuō)明柔性抗冰平臺(tái)存在冰激疲勞失效，還必須證明在常規(guī)冰情下冰荷載引起的結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)了材料的疲勞極限應(yīng)力，即從定量上進(jìn)一步說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞損傷是由于熱點(diǎn)應(yīng)力反復(fù)作用引起的，利用有限元數(shù)值模擬，對(duì)柔性抗冰結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)疲勞應(yīng)力進(jìn)行分析，合理地考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)。另外，根據(jù)API規(guī)范提供的S-N曲線（如圖3所示），當(dāng)無(wú)限壽命取N=108次時(shí)，疲勞極限應(yīng)力為41 MPa。在常規(guī)冰情下，若冰激振動(dòng)造成的熱點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力大于疲勞極限應(yīng)力則說(shuō)明冰振可能存在結(jié)構(gòu)的疲勞失效，需要進(jìn)行詳細(xì)的冰振疲勞分析，即冰振下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命估計(jì)。與波浪環(huán)境下海洋平臺(tái)相比，冰區(qū)海洋平臺(tái)疲勞壽命分析的主要區(qū)別在于疲勞冰荷載與冰疲勞環(huán)境參數(shù)，這也是抗冰導(dǎo)管架平臺(tái)冰激疲勞分析的兩個(gè)瓶頸問(wèn)題[9]。冰振結(jié)構(gòu)疲勞失效評(píng)估流程如圖4所示。

圖3 API 2A提供的S-N曲線Fig.3 The S-N curve of steel provided by API 2A

圖4 冰振柔性抗冰結(jié)構(gòu)疲勞失效評(píng)估流程Fig.4 The fatigue failure assessment process of the flexible ice-resist structures

2.3 動(dòng)冰荷載下平臺(tái)甲板加速度響應(yīng)引起的失效

監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，海冰與平臺(tái)作用時(shí)，可以激起平臺(tái)較大的加速度響應(yīng)。特別是對(duì)生產(chǎn)天然氣的平臺(tái)，上部布置錯(cuò)綜復(fù)雜的天然氣管線，這些管線在長(zhǎng)期的冰振作用下，可能導(dǎo)致平臺(tái)上部天然氣管線斷裂與法蘭松動(dòng)的事故隱患。同時(shí)平臺(tái)甲板持續(xù)的劇烈振動(dòng)給工作人員的生活和身體健康也帶來(lái)很大的影響。冰激海洋平臺(tái)上部設(shè)施及作業(yè)人員的振動(dòng)現(xiàn)象，類似于地震荷載引起的振動(dòng)問(wèn)題。冰與結(jié)構(gòu)作用引起了平臺(tái)甲板的振動(dòng)，而甲板加速度響應(yīng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施加了慣性力；與地震激勵(lì)不同的是冰激平臺(tái)振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)，并且為窄帶隨機(jī)過(guò)程。

大量的研究表明，振動(dòng)對(duì)人體的影響主要取決于四個(gè)要素：加速度幅值、振動(dòng)的頻率、振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間和振動(dòng)的作用方向。根據(jù)上述要素，制定出評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)人體影響的三種界限：舒適性降低界限、工效降低界限、暴露界限。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人體全身振動(dòng)暴露的舒適性降低界限和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則（GB/T 13442－92）[10]，在高頻下小于2 Hz時(shí)人體在水平振動(dòng)下感受的各個(gè)階段的加速度（m/s2）與時(shí)間（h）所對(duì)應(yīng)的臨界值表如表4所示。

表4 人體在水平振動(dòng)下感受的各個(gè)階段加速度臨界值表Tab.4 Every stage critical value of human feeling about the relationship between vibration acceleration and duration in level libration

（其中I－代表舒適性界限，Ⅱ－代表工效降低界限，Ⅲ－代表暴露性界限，數(shù)值量值之間的關(guān)系是Ⅱ?yàn)棰竦?.15倍，Ⅲ為Ⅱ的2倍。）

監(jiān)測(cè)表明，平臺(tái)在冰激作用下的振動(dòng)方向主要以水平為主，并且平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)主要集中在結(jié)構(gòu)的基頻。作業(yè)人員主要感受到的應(yīng)該是結(jié)構(gòu)基頻的加速度。對(duì)于柔性抗冰平臺(tái)，其固有頻率一般都在1 Hz以下?；谝陨戏治觯灰鞔_振動(dòng)加速度幅值與振動(dòng)持續(xù)時(shí)間，就可以結(jié)合規(guī)范評(píng)價(jià)冰激振動(dòng)對(duì)平臺(tái)作業(yè)人員的影響。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，由于平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)是隨機(jī)的，對(duì)于離散的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，等效加速度均方根采用下式計(jì)算：

式中：ai是ti時(shí)間內(nèi)測(cè)得的加速度的均方根值，m/s2；ti是序號(hào)為i對(duì)應(yīng)的時(shí)間，s。對(duì)于加速度的等效總暴露時(shí)間可按下式計(jì)算：

式中：ti′等效于不同加速度Ai的實(shí)際時(shí)間ti，且對(duì)應(yīng)于名義值A(chǔ)′的等效總暴露時(shí)間T′等于ti′之和。

冰激海洋平臺(tái)甲板加速度幅值還將直接影響到上部管線的正常工作，它的確定可以直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)冰振監(jiān)測(cè)，也可以通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)獲得。一般來(lái)講，影響冰力的大小主要因素有冰厚、冰速和冰破碎強(qiáng)度。在相同的海域，冰破碎強(qiáng)度變化不大，因此這里只選擇冰速和冰厚來(lái)描述冰況。由于冰速和冰厚的分布是不相關(guān)的隨機(jī)過(guò)程，即某一特定冰厚下，各種冰速都可能出現(xiàn)，因此可以按照冰速和冰厚的組合來(lái)描述冰況。對(duì)于每一種冰況，計(jì)算相應(yīng)的冰荷載譜，將冰荷載譜輸入到結(jié)構(gòu)模型中，在頻域內(nèi)進(jìn)行動(dòng)力分析，就可以求得平臺(tái)在這種冰況下的最大振動(dòng)加速度。重復(fù)上述步驟，就可以得到所有冰況下平臺(tái)的最大振動(dòng)加速度

2.4 冰激振動(dòng)對(duì)平臺(tái)基礎(chǔ)的影響

在不排水的條件下，飽和無(wú)粘性土或稍具有粘性的土，由于振動(dòng)載荷（主要是地震）的連續(xù)作用，產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，并逐步發(fā)展。當(dāng)超靜孔隙水壓力（簡(jiǎn)稱孔壓）等于上覆土壓力時(shí)，土顆粒將懸浮于土孔隙水中，呈現(xiàn)出類似于稀砂漿或稀泥漿的狀態(tài)。土的這種因孔壓上升，粒間有效應(yīng)力下降，導(dǎo)致固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)從而失去強(qiáng)度，喪失穩(wěn)定的現(xiàn)象，稱為“液化”。液化是一種特殊的動(dòng)強(qiáng)度問(wèn)題，大多發(fā)生在疏松的飽和粉砂、細(xì)砂中，發(fā)生條件是大應(yīng)變幅。在海冰與平臺(tái)相互作用時(shí)樁腿會(huì)發(fā)生冰激振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)樁腿相連接的基礎(chǔ)將產(chǎn)生一定的影響。上世紀(jì)八十年代波福海的Molikpaq沉箱的地基在冰振作用下產(chǎn)生了液化[11]。

渤海的自升式鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)很淺，一般在8-10 m左右，強(qiáng)烈的冰激平臺(tái)振動(dòng)可能對(duì)樁靴基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的危害。冰激振動(dòng)引起平臺(tái)基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng)屬于周期性的動(dòng)載荷，基礎(chǔ)的振動(dòng)對(duì)其周圍的土體產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)變效應(yīng)（參數(shù)主要包括：周期、振動(dòng)幅值）。其中，振動(dòng)幅值導(dǎo)致動(dòng)應(yīng)變幅度大小，反映土體動(dòng)力形態(tài)。一般情況下，在動(dòng)應(yīng)變幅＜10-4-10-6量級(jí)時(shí)，土體處于彈性性狀；在動(dòng)應(yīng)變幅≥10-4-10-2量級(jí)時(shí)土體處于塑性性狀，通常以10-4應(yīng)變量級(jí)作為應(yīng)變幅值的界限。若激勵(lì)載荷的增（或減）十分緩慢，可以按靜力問(wèn)題考慮，靜載荷引起的應(yīng)變值大于10-3量級(jí)時(shí)，認(rèn)為土體發(fā)生變化；若動(dòng)載荷作用即使產(chǎn)生很小的應(yīng)變幅值，如10-4量級(jí)，但周期性的變化，也會(huì)使土體產(chǎn)生疲勞強(qiáng)度破壞。

2.5 冰荷載作用下柔性抗冰結(jié)構(gòu)的失效模式及判別指標(biāo)

基于以上分析，柔性抗冰結(jié)構(gòu)的主要失效模式歸結(jié)為以下幾種：

（1）結(jié)構(gòu)安全失效模式。包括極值靜冰力作用下結(jié)構(gòu)最大變形或強(qiáng)度超過(guò)極限值而引起結(jié)構(gòu)破壞；動(dòng)冰荷載作用下結(jié)構(gòu)的疲勞破壞及樁基破壞。

（2）人員感受失效模式。主要是動(dòng)冰力下平臺(tái)甲板振動(dòng)導(dǎo)致作業(yè)人員感覺(jué)不適，影響工作效率甚至損害人的健康。

（3）上部設(shè)施失效模式。結(jié)構(gòu)在動(dòng)冰力作用下，平臺(tái)的強(qiáng)烈持續(xù)振動(dòng)引起管線斷裂和法蘭松動(dòng)而影響設(shè)施的正常使用性能。

上述各種失效模式及判別指標(biāo)匯總于表5中。

表5 柔性抗冰平臺(tái)各種失效模式的判別指標(biāo)Tab.5 Discrimination index of ice-resistant platform failure modes

3 實(shí)例—渤海某自升式平臺(tái)抗冰性能評(píng)價(jià)

基于本文提出的柔性抗冰結(jié)構(gòu)失效模式及相應(yīng)評(píng)價(jià)方法，對(duì)渤海某自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行冰荷載下的抗冰性能評(píng)價(jià)，進(jìn)而明確自升式鉆井平臺(tái)在抗冰的概念設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的主要失效模式。該平臺(tái)主要由樁腿、甲板、升降機(jī)構(gòu)等組成，平臺(tái)為4腿圓柱式結(jié)構(gòu)，樁腿帶齒輪齒條，設(shè)計(jì)水深30 m左右，設(shè)計(jì)冰厚45 cm（50年一遇）。樁腿直徑是2.5 m，樁腿長(zhǎng)度為73 m，升船高度是10 m（靜止水面至甲板底層），樁腿縱向中心距30 m，樁腿橫向中心距26 m。平臺(tái)的固定載荷為2 911.5 t，可變載荷按1 000 t。

3.1 極值靜冰力下結(jié)構(gòu)抗冰性能

極值靜冰力公式采用API RP-2N（1995）規(guī)范要求，F(xiàn)=ασcDh，其中，α是冰的擠壓系數(shù)，選取0.3-0.7；σc是海冰單軸壓縮強(qiáng)度，渤海海冰為2.2 MPa；h是冰厚，這里取設(shè)計(jì)冰厚為45 cm?；贏NSYS數(shù)值模擬，得到平臺(tái)的整體變形及應(yīng)力變化，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 極值冰荷載下自升式平臺(tái)最大變形與應(yīng)力Tab.6 The maximum deformation and stress of jack-up platform under extreme ice load

可以看出，目前自升式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)在極值靜冰力作用下，結(jié)構(gòu)的最大位移、應(yīng)力較小，分別為允許值的33.9%和33.7%，結(jié)構(gòu)具有較大的靜力安全儲(chǔ)備。盡管如此，極值靜冰荷載下結(jié)構(gòu)的安全失效仍然是柔性抗冰平臺(tái)設(shè)計(jì)中所必須考慮的主要問(wèn)題之一。

3.2 交變冰力下結(jié)構(gòu)疲勞失效

按照冰激柔性結(jié)構(gòu)疲勞失效評(píng)價(jià)方法，首先判斷在常規(guī)冰情下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力是否顯著。這里選取兩種典型冰況：（1）冰厚為20 cm時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動(dòng)；（2）冰厚為15 cm，冰速為28 cm/s時(shí)平臺(tái)發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)。其中，穩(wěn)態(tài)冰力模型采用K?rn?根據(jù)渤海實(shí)測(cè)的自激振動(dòng)冰力時(shí)程，提出的三角波時(shí)域函數(shù)[12]；隨機(jī)冰力是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的柔性直立抗冰平臺(tái)冰荷載時(shí)程曲線。對(duì)該平臺(tái)的疲勞應(yīng)力進(jìn)行分析，熱點(diǎn)位置為平臺(tái)甲板與樁腿相交處，如圖5所示。根據(jù)API規(guī)范提供的S-N曲線，當(dāng)無(wú)限壽命取N=108次時(shí)，疲勞極限應(yīng)力為41 MPa。由熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線可見，冰況（1）下，熱點(diǎn)平均疲勞應(yīng)力循環(huán)值在40 MPa左右；冰況（2）下，熱點(diǎn)平均疲勞應(yīng)力循環(huán)值在20 MPa左右。

圖5 冰振下平臺(tái)熱點(diǎn)位置Fig.5 The hotspot location of platform under ice vibration

結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)冰力可能會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞；而隨機(jī)冰力下，結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力很小，不會(huì)造成熱點(diǎn)疲勞失效。由于結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的頻率不是很大（一天最多出現(xiàn)4次），且持續(xù)時(shí)間很短，冰激平臺(tái)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)是否會(huì)引起結(jié)構(gòu)的疲勞失效，還需要進(jìn)行詳細(xì)的疲勞壽命估計(jì)。

3.3 交變冰力下結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度失效分析

同樣，考慮上述兩種典型冰況，利用ANSYS對(duì)自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，平臺(tái)甲板的振動(dòng)加速度如圖6、7所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種典型冰況下，平臺(tái)甲板的振動(dòng)加速度遠(yuǎn)低于10gal，可以保證作業(yè)人員的舒適性與平臺(tái)上部設(shè)施的正常運(yùn)行。

圖6 穩(wěn)態(tài)冰力下的甲板振動(dòng)加速度Fig.6 The acceleration of deck under steady-state ice force

3.4 冰激振動(dòng)對(duì)平臺(tái)基礎(chǔ)的影響

首先，利用ANSYS建立樁—土相互作用的有限元模型。為了合理地考慮邊界效率，確定土體模擬范圍的取值：地基水平方向取12倍的樁靴直徑，豎直方向取10倍的樁靴直徑，以保證土體邊界完全落在塑性區(qū)之外[13]。分析時(shí)將土體的下表面和4個(gè)立面完全固支，數(shù)值模型如圖8所示，其中，各層土材料的參數(shù)選取如表7所示。

由于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)下平臺(tái)的振動(dòng)位移大于隨機(jī)振動(dòng)的情況，因此，這里只考慮冰激平臺(tái)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)下樁與土的相互作用。利用瞬態(tài)動(dòng)力分析，發(fā)現(xiàn)在泥面以下4 m處與樁腿相接觸的土動(dòng)應(yīng)變較為顯著，如圖9所示。冰激振動(dòng)下該平臺(tái)土體動(dòng)應(yīng)變循環(huán)幅值在1.2×10-4左右，處于大小應(yīng)變幅值界限區(qū)域，樁基可以保證安全運(yùn)行。但是長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)烈的冰振，基礎(chǔ)可能會(huì)造成兩種失效模式：（1）“晃蕩”失效：冰激振動(dòng)循環(huán)載荷下土體發(fā)生疲勞強(qiáng)度破壞或永久性塑性變形導(dǎo)致基礎(chǔ)失效（一般發(fā)生在小應(yīng)變幅值情況）；（2）“液化”失效：土體大應(yīng)變幅值下，飽和無(wú)粘性土“液化”，導(dǎo)致基礎(chǔ)失效。

表7 土的材料參數(shù)Tab.7 The material parameters of soil

圖8 樁—土的有限元數(shù)值模型Fig.8 The finite element model of pile and soil

圖9 冰振下土的動(dòng)應(yīng)變Fig.9 The dynamic strain of soil under ice vibration

4 結(jié) 論

自升式鉆井平臺(tái)屬于典型的柔性結(jié)構(gòu)。由于自升式鉆井平臺(tái)在冰區(qū)還沒(méi)有大規(guī)模使用，該類結(jié)構(gòu)目前的設(shè)計(jì)是否滿足抗冰性能要求，動(dòng)冰荷載是否對(duì)結(jié)構(gòu)造成影響還沒(méi)有得到充分的認(rèn)識(shí)。

本文首先選取渤海某典型的自升式鉆井平臺(tái)，利用數(shù)值模擬，明確自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，分析發(fā)現(xiàn)，隨平臺(tái)甲板高度的升高，平臺(tái)的固有頻率和等效水平剛度逐漸降低。其次，基于現(xiàn)場(chǎng)冰與海洋平臺(tái)相互作用的觀測(cè)以及冰荷載的研究成果，提出冰荷載作用下柔性抗冰結(jié)構(gòu)的失效模式及判別指標(biāo)，并明確相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。最后，以渤海某典型自升式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)其抗冰性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，目前的自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)滿足極值靜冰荷載要求，冰激平臺(tái)的加速度響應(yīng)不是很顯著，不會(huì)對(duì)作業(yè)人員及上部設(shè)施造成影響；而動(dòng)冰荷載下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)對(duì)樁腿與平臺(tái)相連處會(huì)激起一定的交變應(yīng)力，疲勞失效可能存在（需要開展疲勞壽命估計(jì)），并且該種冰況下與樁腿相接觸的土動(dòng)應(yīng)變較為顯著，長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)烈的冰振，基礎(chǔ)可能會(huì)由于土的變化而發(fā)生失效。本文的研究可為寒區(qū)自升式平臺(tái)的抗冰概念設(shè)計(jì)及安全保障提供合理依據(jù)。

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Structural ice-resistant performance evaluation of jack-up drilling platforms

ZHANG Da-yong1,YUE Qian-jin1,2,LIU Di3,XU Ning4,WANG Dong-qing3,WANG Sheng-yong2
(1.School of Ocean Science&Technology,Dalian University of Technology,Panjin 124221,China;2.State Key Laboratory of Structural Analysis of Industrial Equipment,Dalian University of Tech.,Dalian 116023,China;3.College of Maritime and Shipping Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116024,China;4.State Center of Ocean Environment Monitoring China,Dalian 116023,China)

The jack-up drilling platforms belong to the typical flexible structures.As the complexity of the interactions between the ice and structures,the design code of the flexible ice-resistant structures is not based on the dynamic response analysis.Current design codes for ice-resist offshore structures mainly deal with the extreme force,not the dynamic ice loads.Based on the field monitoring data of ice-resist platforms in Bohai Liaodong Gulf,the significant ice-induced vibration not only causes significant cyclical stress of tube node but also great acceleration response,which can endanger the pipeline systems on the platform and discomfort the crew members.The risks induced by ice vibrations are more serious than the extreme static ice load.In this paper,based on the field monitoring and ice loads research,the main failure modes and evaluation methods for the flexible ice-resistant structure design are provided.Finally,the ice-resistant performance is analyzed by taking a jack-up platform in Bohai Sea as an example.This study providesa reasonable basis for the ice-resist concept design of the jack-up platforms in the cold regions.

jack-up platform;ice-induced vibration;ice-resistant performance;evaluation

U674.38+1

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.07.011

1007-7294（2015）07-0850-09

2015-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309046），遼寧省科技廳科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（L2011124）

張大勇（1978-），男，副教授，E-mail：zhangdayong_2001@163.com；

岳前進(jìn)（1958-），男，教授，博士生導(dǎo)師。