超高強(qiáng)鋼對導(dǎo)管架平臺替換設(shè)計(jì)研究

劉華祥，袁玉杰，曾靖波，王海龍，鄧合霞

（1.中海石油深海開發(fā)有限公司，深圳 518067；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)其最小屈服強(qiáng)度來劃分鋼材等級，最小屈服強(qiáng)度為320～400 MPa為高強(qiáng)度鋼，大于400 MPa屬于超高強(qiáng)度鋼。目前國內(nèi)大部分導(dǎo)管架平臺用鋼是鋼材等級為DH36 &EH36、最小屈服強(qiáng)度為355 MPa的高強(qiáng)度鋼［1］。隨著導(dǎo)管架平臺逐漸應(yīng)用于200～350 m的較深水域，考慮到導(dǎo)管架貫穿整體水深范圍，為保證平臺整體強(qiáng)度及其功能要求，同時(shí)確保導(dǎo)管架安裝重量不超過浮吊和下水駁船能力需求，選用超高強(qiáng)鋼應(yīng)用在導(dǎo)管架平臺上變得尤為必要。

在超高強(qiáng)鋼的應(yīng)用過程中，設(shè)計(jì)上需要重點(diǎn)關(guān)注平臺功能需求，如變形和振動(dòng)指標(biāo)，看導(dǎo)管架動(dòng)力、強(qiáng)度和疲勞性能是否滿足規(guī)范要求［2］；在建造過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注超高強(qiáng)鋼材料力學(xué)性能的均一性、低溫性能、鋼板的卷制性能和可焊性。

本文以我國南海某導(dǎo)管架平臺為實(shí)例，利用屈服強(qiáng)度為420 MPa的超高強(qiáng)鋼對導(dǎo)管架平臺開展替換設(shè)計(jì)，首先制訂技術(shù)路線、確定替換原則，然后進(jìn)行分析計(jì)算、完成替換方案設(shè)計(jì)，就關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對，并給出后續(xù)超高強(qiáng)鋼大規(guī)模應(yīng)用的建議。

1 超高強(qiáng)鋼替換設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1 目標(biāo)平臺基本信息

用于超高強(qiáng)鋼替換設(shè)計(jì)的目標(biāo)平臺位于我國南海，該項(xiàng)目于2012年完成安裝投產(chǎn)。其中導(dǎo)管架頂部采用8條導(dǎo)管腿支撐上部組塊，中間設(shè)置下水桁架，建造和安裝階段為導(dǎo)管架提供支撐［3］。導(dǎo)管架設(shè)計(jì)水深為189.5 m，共設(shè)有7個(gè)水平層，由16根直徑為2.743 m的鋼樁，貫入泥面以下135 m進(jìn)行固定。平臺上部組塊操作重量為42 000 t，采用浮托法進(jìn)行安裝［4］。導(dǎo)管架下水安裝重量為31 126 t，鋼樁重量為12 426 t。導(dǎo)管架最大管材的直徑達(dá)到4.2 m，管材最大壁厚達(dá)到100 mm［5］。導(dǎo)管架和上部組塊結(jié)構(gòu)件均采用屈服強(qiáng)度為355 MPa的高強(qiáng)鋼制造。該導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是國內(nèi)水深90～200 m范圍內(nèi)導(dǎo)管架的典型結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架整體形式如圖1所示。

圖1 導(dǎo)管架平臺在位分析模型Fig.1 In-place model of the fixed jacket platform

1.2 設(shè)計(jì)環(huán)境條件

導(dǎo)管架設(shè)計(jì)水深為189.5 m，設(shè)計(jì)環(huán)境選用條件極值，其中操作環(huán)境選用1年重現(xiàn)期的環(huán)境條件，極端環(huán)境選用100年重現(xiàn)期的環(huán)境條件，表1為該平臺設(shè)計(jì)使用的環(huán)境條件。

表1 設(shè)計(jì)環(huán)境條件Tab.1 Environmental criteria of the design

2 替換設(shè)計(jì)技術(shù)路線

替換設(shè)計(jì)的技術(shù)路線如圖2所示。針對替換設(shè)計(jì)目標(biāo)平臺，結(jié)合平臺在位和安裝操作要求，對平臺的主結(jié)構(gòu)用鋼進(jìn)行替換設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力、強(qiáng)度和疲勞性能，提出技術(shù)上可行的超高強(qiáng)鋼平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新方案。

圖2 導(dǎo)管架平臺替換設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig.2 Substitution design technical route of the jacket platform

替換設(shè)計(jì)原則如下：

（1）選擇API RP2A作為替換設(shè)計(jì)主規(guī)范［6］。

（2）選用GB 712—2011 DH420鋼材進(jìn)行替換設(shè)計(jì)［7］，屈服強(qiáng)度為420 MPa。

（3）保證替換設(shè)計(jì)和原設(shè)計(jì)桿件和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平相當(dāng)。

（4）導(dǎo)管架平臺動(dòng)力和疲勞性能滿足規(guī)范要求，相關(guān)位移指標(biāo)滿足平臺功能需求。

3 導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)方案

導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)選取主腿和下水腿作為替換區(qū)域，替換過程中保持桿件直徑不變，減小桿件壁厚，其中節(jié)點(diǎn)處壁厚減小5 mm，以滿足荷載和構(gòu)造沖剪要求，其他區(qū)域壁厚減小10 mm。在上述原則下開展導(dǎo)管架在位分析和安裝分析。

3.1 導(dǎo)管架在位分析

按照替換設(shè)計(jì)原則對導(dǎo)管架模型進(jìn)行修改，采用與原設(shè)計(jì)方案一致的上部組塊重量開展動(dòng)力分析、靜力分析和疲勞分析。

3.1.1 動(dòng)力分析

利用SACS軟件對鋼樁-土壤基礎(chǔ)線性化進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，并考慮平臺附屬設(shè)施重量、導(dǎo)管架桿件內(nèi)部充水和外部附連水質(zhì)量的影響［8-9］，計(jì)算得到的導(dǎo)管架前三階自振周期與原設(shè)計(jì)方案對比結(jié)果如表2所示。

表2 導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)自振周期對比Tab.2 Comparison of natural period of jacket substitution design

由對比結(jié)果可以看出，替換設(shè)計(jì)后由于桿件壁厚減小，平臺整體剛度降低，導(dǎo)管架自振周期略有增加，最大增加幅度為1.26%。

利用模態(tài)分析得到的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣開展隨機(jī)波浪動(dòng)力分析，計(jì)算操作和極端工況8個(gè)環(huán)境力作用方向的動(dòng)力放大系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)動(dòng)力放大系數(shù)對比Tab.3 Comparison of DAF of jacket substitution design

以上對比結(jié)果顯示，替換設(shè)計(jì)后動(dòng)力放大系數(shù)最大增加約1.03%，導(dǎo)管架動(dòng)力性能沒有明顯變化，不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境力大幅增加。

3.1.2 靜力分析

依據(jù)動(dòng)力分析得到的動(dòng)力放大系數(shù)，開展靜力分析，為方便結(jié)果對比，選用與原設(shè)計(jì)方案一致的環(huán)境數(shù)據(jù)、上部組塊重量和工況組合，主要的桿件分析結(jié)果如表4所示。

表4 導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)桿件結(jié)果對比Tab.4 Comparison of member unity check of jacket substitution design

替換設(shè)計(jì)同時(shí)校核了導(dǎo)管架A1主腿在各水平層節(jié)點(diǎn)的最大位移，分析對比結(jié)果如表5所示。

表5 導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)位移結(jié)果對比Tab.5 Comparison of joint displacement of jacket substitution design

由以上分析結(jié)果可知，替換設(shè)計(jì)后桿件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。由于平臺整體剛度降低，導(dǎo)管架A1主腿在各水平層節(jié)點(diǎn)位移略有增加，其中操作工況下最大節(jié)點(diǎn)位移增大4.84%，極端工況下最大節(jié)點(diǎn)位移增大2.92%。

3.1.3 疲勞分析

導(dǎo)管架疲勞采用譜疲勞分析方法，首先對導(dǎo)管架鋼樁-土壤線性化，進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算傳遞函數(shù)，結(jié)合平臺場址各方向的波浪散布數(shù)據(jù)，計(jì)算導(dǎo)管架管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷［10］。按照API規(guī)范規(guī)定，疲勞應(yīng)力幅值與循環(huán)次數(shù)曲線仍可選用與原設(shè)計(jì)方案一致的WJT曲線，主要分析結(jié)果對比如表6所示。

表6 導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)疲勞結(jié)果對比Tab.6 Comparison of tubular joint fatigue of jacket substitution design

由疲勞分析對比結(jié)果可知，替換設(shè)計(jì)相對原設(shè)計(jì)方案，由于桿件壁厚變小，應(yīng)力幅值增大，在疲勞S-N曲線一致的情況下，管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命均有變小的趨勢，但仍滿足規(guī)范要求。

3.2 導(dǎo)管架安裝分析

依據(jù)在位分析確定的導(dǎo)管架構(gòu)造方案開展主要的安裝分析，包括裝船分析、拖航分析、下水分析和扶正分析，主要桿件分析結(jié)果如下：

（1）在裝船分析中，桿件最大應(yīng)力比為0.947，位于下水桁架立面。

（2）在拖航分析中，桿件最大應(yīng)力比為0.898，位于導(dǎo)管架最下水平層。

（3）在下水分析中，桿件最大應(yīng)力比為0.976，位于導(dǎo)管架最下水平層。

（4）在扶正分析中，桿件最大應(yīng)力比為0.760，位于導(dǎo)管架最上水平層。

導(dǎo)管架安裝分析結(jié)果顯示：替換設(shè)計(jì)后，桿件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，導(dǎo)管架超高強(qiáng)鋼替換設(shè)計(jì)方案可行。

3.3 導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)用鋼量和成本對比

結(jié)合導(dǎo)管架在位分析和安裝分析結(jié)果，完成導(dǎo)管架超高強(qiáng)鋼替換設(shè)計(jì)方案，并完成主結(jié)構(gòu)用鋼量統(tǒng)計(jì)，對比結(jié)果如表7所示。

表7 導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)鋼材重量對比Tab.7 Comparison of structure weight of jacket substitution design

在導(dǎo)管架主腿和下水腿的替換設(shè)計(jì)中，共使用屈服強(qiáng)度為420 MPa的超高強(qiáng)鋼9 003.5 t，相對原設(shè)計(jì)方案主結(jié)構(gòu)共減重960.2 t，占導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)重量的4.1%。

高強(qiáng)鋼DH36按照6 195元/噸、超高強(qiáng)鋼按照6814元/噸計(jì)算，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)的預(yù)制費(fèi)用，導(dǎo)管架的投資可節(jié)約3.0%。

4 組塊替換設(shè)計(jì)方案

平臺組塊替換設(shè)計(jì)僅針對管柱和型鋼等主結(jié)構(gòu)鋼材，結(jié)合管柱、型鋼的屈服強(qiáng)度和抗彎模量，替換設(shè)計(jì)選用的管柱和型鋼規(guī)格如表8所示。

表8 導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)桿件規(guī)格對比Tab.8 Comparison of member size of jacket substitution design

4.1 組塊在位分析

按照替換設(shè)計(jì)原則對平臺組塊模型進(jìn)行修改，采用與原設(shè)計(jì)方案一致的設(shè)備重量開展靜力分析和疲勞分析。

4.1.1 靜力分析

依據(jù)導(dǎo)管架替換設(shè)計(jì)得到的動(dòng)力放大系數(shù)，開展組塊靜力分析，為方便結(jié)果對比，選用與原設(shè)計(jì)方案一致的環(huán)境數(shù)據(jù)和工況組合，主要的桿件分析結(jié)果如表9所示。

表9 組塊替換設(shè)計(jì)桿件結(jié)果對比Tab.9 Comparison of member unity check of topside substitution design

在桿件強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，同時(shí)校核了組塊主軸線中點(diǎn)處的變形，分析結(jié)果如表10所示。

表10 組塊替換設(shè)計(jì)位移結(jié)果對比Tab.10 Comparison of displacement oftopside substitution design

由以上分析結(jié)果可知，在靜力分析中，替換設(shè)計(jì)桿件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。由于管柱和型鋼抗彎模量降低，主要軸線節(jié)點(diǎn)位移略有增加，但仍滿足簡支梁中點(diǎn)位移限制要求。

4.1.2 疲勞分析

組塊疲勞分析首先需要對樁土基礎(chǔ)線性化，開展模態(tài)分析，計(jì)算自振特性和疲勞傳遞函數(shù)，結(jié)合波浪散布數(shù)據(jù)，進(jìn)行譜疲勞分析，主要分析結(jié)果對比如表11所示。

表11 上部組塊替換設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)疲勞結(jié)果對比Tab.11 Comparison of tubular joint fatigue results of topside design

由疲勞分析結(jié)果可知，替換設(shè)計(jì)后，由于管節(jié)點(diǎn)位置壁厚減薄，導(dǎo)致應(yīng)力幅值增大，在疲勞S-N曲線相同的情況下，管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命減小。但因?yàn)榻M塊桿件和節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離波浪作用區(qū)域，疲勞分析不是控制工況，各個(gè)節(jié)點(diǎn)壽命充足。

4.2 組塊安裝分析

依據(jù)在位分析確定的組塊構(gòu)造方案開展裝船分析和拖航分析，桿件分析結(jié)果如下：

（1）在裝船分析中，桿件最大應(yīng)力比為0.950，位于組塊頂水平層箱型梁。

（2）在拖航分析中，桿件最大應(yīng)力比為0.982，位于組塊底水平層。

組塊安裝分析結(jié)果顯示：替換設(shè)計(jì)后，桿件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，組塊超高強(qiáng)鋼替換設(shè)計(jì)方案可行。

4.3 組塊替換設(shè)計(jì)用鋼量和成本對比

結(jié)合組塊在位分析和安裝分析結(jié)果，完成組塊超高強(qiáng)鋼替換設(shè)計(jì)方案，并完成主結(jié)構(gòu)用鋼量統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表12所示。

表12 上部組塊替換設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)重量對比Tab.12 Comparison of structural weight of topside substitution

在組塊主結(jié)構(gòu)的替換設(shè)計(jì)中，共使用屈服強(qiáng)度420 MPa的超高強(qiáng)鋼4 018.7 t，相對原設(shè)計(jì)方案主結(jié)構(gòu)減重566.3 t，占組塊主結(jié)構(gòu)重量的11.4%。

高強(qiáng)鋼DH36按照6 195元/噸、超高強(qiáng)鋼按照6 814元/噸計(jì)算，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)的預(yù)制費(fèi)用，組塊結(jié)構(gòu)的投資可節(jié)約9.7%。

5 結(jié) 語

由上文可知，采用屈服強(qiáng)度為420 MPa的超高強(qiáng)鋼對導(dǎo)管架平臺進(jìn)行替換設(shè)計(jì)，可滿足平臺功能需求，導(dǎo)管架動(dòng)力性能沒有顯著改變，導(dǎo)管架和上部組塊強(qiáng)度和位移指標(biāo)滿足要求，疲勞性能有一定程度的變差，但仍滿足規(guī)范要求，超高強(qiáng)鋼替換設(shè)計(jì)方案可行。替換設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)用鋼量減少，現(xiàn)場加工建造工作量減少，并降低了對施工資源的能力需求，結(jié)構(gòu)部分的投資節(jié)約4.5%，有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

420 MPa級別鋼材在深水導(dǎo)管架應(yīng)用前景廣闊，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法方面也比較完善，具備推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。開展大規(guī)模的應(yīng)用，還需要在以下方面加大研究和投入，如鋼廠超高強(qiáng)鋼生產(chǎn)性能（包括低溫沖擊韌性）的穩(wěn)定性、超高強(qiáng)鋼卷制過程中性能折減影響評估、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞性能、超高強(qiáng)鋼焊材的選取和焊接程序開發(fā)等。