導管架管結構凹陷的損傷評估研究

姜 筠遲 健劉金沅

（1.上海利策科技有限公司，上海 200223；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；3.交通部上海打撈局，上海 200090）

導管架管結構凹陷的損傷評估研究

姜 筠1遲 健2劉金沅3

（1.上海利策科技有限公司，上海 200223；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；3.交通部上海打撈局，上海 200090）

依托黃巖油氣田某導管架斜撐受損檢測項目，以淺海油氣資源開采設備意外受損事故為背景，提出科學的管結構凹陷形貌測繪方法及實施方案。根據測量數據，對受損斜撐進行了結構分析及初步損傷評估，計算凹陷區域的應力集中系數，討論其對屈服強度及疲勞強度的影響。

導管架；管結構；損傷評估

引 言

近年來，隨著油氣資源消耗量持續增長與陸地資源日益枯竭，海洋領域油氣勘探與開采已成為世界關注的焦點。導管架平臺在淺水領域中應用廣泛，其基礎結構分為導管架和樁。導管架是由若干垂向圓管立柱和橫向、斜向連接鋼管焊接結成的空間框架結構。在東海海域黃巖油氣田的開發過程中，我國先后安裝了多個導管架平臺。在某導管架運輸及安裝期間，由于液壓卡環的過度擠壓，致使40 m水深處的兩根斜撐局部形成了兩處凹陷。斜撐上凹陷的存在影響著局部的結構強度，對整個導管架平臺的服役形成了安全隱患，因此，需要對導管架的受損部位進行探傷檢測及損傷評估。

限于部分工程人員的空間概念，對管結構凹陷的檢測往往只關注其平面尺寸及相對該平面的最大凹陷深度。基于直角坐標系的測量可以簡要反映出凹陷的大小并用以定性估量，但不足以為后續的定量分析提供數據支持。將凹陷與管結構的相貫線看作被平面橫截后的邊緣，所得出的“長”與“寬”會令設計人員在建立有限元模型時產生極大困擾。

本文提出一種基于柱坐標系的凹陷形貌測繪方法，數據采集適用于管結構空間缺陷的描述。基于這種測繪方法，對該平臺受損斜撐進行結構分析和初步損傷評估。

1 導管架管結構凹陷測繪方法

通過飽和潛水技術，對該導管架平臺進行以下損傷檢測作業：

（1）凹陷的位置、尺寸及表面形貌；

（2）凹陷附近區域的管壁測厚（UT）；

（3）兩受損斜撐的透水測試（FMD）；

（4）兩受損斜撐的兩端共八道焊縫的裂紋探傷（ACFM）。

圖1 安裝前受損斜撐凹陷特寫

UT測試結果顯示：凹陷附近區域管壁厚度分布均勻，趨于原始厚度尺寸；FMD測試顯示斜撐內部未進入海水；ACFM結果分析表明八道焊縫均無裂紋損傷，故凹陷處的幾何不連續成為影響結構強度的唯一因素。

柱坐標系適于描述圓柱結構（參見圖 3），不同于直角坐標系的三個直線方向x、y、z，柱坐標系分為兩個直線方向和一個曲線方向。

軸向：管結構（樁腿、橫撐、斜撐）中心軸線方向；環向：正切管結構，正上方位12時方向，面向斜上方觀測時鐘位置；徑向：圓柱橫截面內，自軸心向管壁方向。

基于柱坐標系的測量有助于數值模擬中管結構的建立。本節簡述管結構凹陷的測繪方法，對其進行理論抽象，同時兼顧飽和潛水作業的操作注意事項。

1.1 凹陷定位

凹陷定位相當于借助凹陷中心將凹陷抽象成一個點，測量凹陷在斜撐上的位置，包含了軸向及環向兩個維度。目測初步確定凹陷中心及邊緣位置，在凹陷的上方（軸向）表面平整位置綁扎一圈皮尺，用于環向定位。

1.1.1 凹陷中心距離48 m橫撐的垂向距離L1

（9點鐘方向）

在受損斜撐M2和48 m橫撐外側垂一個卸扣，測量繩靠近凹陷中心橫截面的9點鐘位置，下方自然貼近對應橫撐的9點鐘位置，使測量繩與兩管壁相切，兩切點間距離即待測長度L1（參見下頁圖2）。

1.1.2 凹陷中心距離該斜撐底端的軸向距離L2

（12點鐘方向）

測量繩一端固定在凹陷中心橫截面的12點鐘位置，另一端固定在受損斜撐M2與B2樁腿相貫線的12點鐘位置。兩點之間距離即為待測長度L2（參見下頁圖2）。

1.1.3 凹陷軸向尺寸

軸向上，測量凹陷中心至上緣的軸向距離d_up、凹陷中心至下緣的軸向距離d_down。上述兩距離均為空間直線距離，而非在凹陷面的直線投影，參見圖3。

圖2 凹陷定位

圖3 凹陷形貌測繪

1.1.4 凹陷環向尺寸

環向上，測量凹陷中心逆時針方向至側緣的距離d_anticlock以及凹陷中心順時針方向至側緣的距離d_clock。上述兩距離均為弧長，自標定皮尺讀取，參見圖3。

此外，測量凹陷中心至12點方向的環向距離（弧長），通過該尺寸與斜撐的周長比值可以確定凹陷中心的環向方位α/時鐘位置，參見圖3。

1.2 凹陷形貌測繪

凹陷的形貌測繪即獲取凹陷不同位置的深度分布。將這組數據體現在柱坐標系下的管結構上，相當于獲得凹陷的第三個維度，徑向尺寸。如圖3所示，根據上述測量的凹陷尺寸確定軸向和環向的測量間隔，即軸向5 cm、環向2 cm。

將直尺沿著環向中心線位置（黃色點劃線）垂直放置于斜撐表面，用游標卡尺測深針沿著軸向方向移動，每隔5 cm測量凹陷深度。

將直尺沿著環向逆時針移動2 cm，用游標卡尺測深針沿著軸向方向移動，每隔5 cm測量凹陷深度。

以此類推，沿著環向每隔2 cm依次平移直尺，測量不同環向位置（-2 cm、-4 cm、-6 cm等）上各軸向位置（5 cm、10 cm、15 cm等）的凹陷深度。

測量完畢后匯總數據。表1凹陷深度分布為沿軸向上下各18 cm（共19處橫斷面）環向位置深度測量的原始測量數據，表內數據為測量針讀數扣除直尺寬度后的修正值。根據測量數據可繪制凹陷示意圖。

2 管結構凹陷局部結構分析

建立受損斜撐的有限元模型，旨在討論凹陷存在對結構強度的影響。確立邊界條件時并未考慮波浪形成的載荷，單純以斜撐兩端受壓為例求解。求得應力集中系數并論述對結構靜強度及疲勞壽命的影響。

2.1 有限元模型

受損斜撐底端與樁腿相連貫，頂端與另一斜撐交匯，其長度L約為16 m。斜撐的設計外徑D為1 067 mm，設計壁厚t為19 mm。根據斜撐的設計尺寸，在ANSYS 14.0 Mechanical模塊中建立長16 m、直徑1 067 mm的圓筒，對其進行適當切分，以便凹陷表面的模擬及有限元網格的劃分。表 1中的實測數據扣除直尺寬度，得出凹陷區域的深度分布。根據該組數據修改幾何模型中凹陷區域的關鍵點坐標，即實現了對受損斜撐表面形貌的模擬，如下頁圖4所示。

表1 凹陷深度分布

斜撐的主體材料為碳鋼，密度ρ=7 950 kg/m3，彈性模量E=207 GPa，泊松比ν=0.3。輸入上述材料參數，選取四節點有限應變殼單元Shell181對管壁結構進行模擬，采用四邊形單元映射分網，得到受損斜撐的有限元模型，如下頁圖 5所示。采用高密度網格模擬受損區域表面的凸凹不平，遠離凹陷處采用稀疏網格，中間區域依次過渡，兼顧了計算的經濟性。其中，凹陷處網格尺寸約為10 mm×7 mm，過渡區域網格尺寸約為30 mm×20 mm，遠離凹陷處網格尺寸約為100 mm×60 mm。有限元模型單元數2 928，節點數2 944。未考慮材料的屈服極限，即假定在線彈性范圍內進行分析。

本文旨在討論凹陷對結構強度的影響，假定在導管架上部結構的重力作用下斜撐兩端受壓為例求解。在管結構的一端施加全自由度約束，另一端的端面施加沿管軸向的壓力，合計F=104kN，即100 t。在此假定壓力下進行靜力分析。

2.2 屈服強度

進入通用后處理器查看靜力分析結果，圖 6、圖 7分別顯示了斜撐在假定載荷下等效應力的節點解和單元解。

圖4 幾何模型

圖5 有限元模型

圖6 von Mises等效節點應力

圖7 von Mises等效單元應力

在凹陷局部應力分布圖中，凹陷區域出現了明顯的應力集中，高應力區的應力水平約在240 MPa，其余大部分斜撐的應力水平約在160 MPa。故凹陷區域的應力集中系數為：

當環境載荷作用下斜撐的整體應力水平達到許用應力的67%時，凹陷區域的應力值已經達到了許用應力，相當于降低了設計時的安全系數。假設碳鋼許用應力為125 MPa，則該斜撐在約52 t壓力作用下會發生強度破壞。應力集中的存在對結構安全形成了隱患，不利于導管架的安全服役。

2.3 疲勞強度

查看單向受力狀態，進一步分析斜撐的疲勞強度。在導管架上部結構的重力作用下，斜撐兩端受壓，應力以軸向壓應力為主，如圖 8所示。在凹陷區域出現明顯的應力集中，高應力區的應力水平約在270 MPa，其余大部分斜撐的應力水平約在160 MPa。對比等效應力數值可知其主要成分為z方向的壓應力，與實際情況吻合。故凹陷區域的應力集中系數為：

圖8 軸向單向應力

以單軸疲勞理論探討凹陷的存在對疲勞壽命的影響。根據描述疲勞性能的S-N曲線計算公式：

受損斜撐區域應力水平的增加將減弱結構的疲勞強度，從而降低疲勞壽命。假定完好結構的疲勞壽命用循環次數N1標定，受損結構的疲勞壽命用循環次數N2標定，則：

式中：m是與材料有關的指數，代表雙對數坐標中有限壽命疲勞曲線的斜率，是與材料及應力種類有關的值，根據材料和其所處的狀態選取。根據DNV規范DNV-RP-C203［1］，在陰極保護狀態下，高周疲勞時m=5。將參數代入式（4），得N1/N2=1.75=14。

可見凹陷產生的應力集中使結構的疲勞壽命降低一個數量級，不利于導管架的安全服役。經綜合分析，該凹陷區域的存在對導管架的靜強度和疲勞壽命均有顯著影響，應給予局部加強、維修或更換。

3 結 論

本文依托黃巖油氣田某導管架斜撐受損檢測項目，提出科學的管結構凹陷形貌測繪方法及實施方案。根據測量數據，對受損斜撐進行結構分析及損傷評估，凹陷的存在降低了結構的屈服強度及疲勞壽命。在單向壓縮載荷作用下，導管架斜撐中部近2 cm深的凹陷可使其受損區域的應力集中系數達到1.7，疲勞壽命減小一個數量級，對結構安全形成了隱患，不利于導管架的安全服役。在今后服役過程中，應加強定期檢測，重點關注該區域。

［1］DNV.Recommended PracticeDNV-RP-C203， Fatigue Design of Offshore Steel Structures［S］.Hovik，Norway，2012.

［2］張曉頻，穆頃，王寧，等.結構完整性管理在海洋平臺延期服役評估中的應用［J］.船舶，2014（2）：99-103.

［3］API.API RP 2SIM， Structural Integrity Management of Fixed Offshore Structures［S］.2011.

［4］李紅濤.海上固定油氣開采設施結構完整性管理分析［J］.海洋工程，2013（1）：90-94.

［5］徐小燕，胡芳，賴芳，王慶豐.典型管節點的疲勞壽命評估［J］.江蘇船舶，2014（2）：7-9.

Damage assessment on structural concave of jacket pipe

JIANG Yun1CHI Jian2LIU Jin-yuan3
(1.Shanghai Richtech Technology Co., Ltd., Shanghai 200223, China; 2.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 3.China Ocean Engineering of Shanghai , Shanghai 200090, China)

Based on the damage detection of the diagonal bracing of a jacket in Huangyan oil and gas, the scientific mapping method and the implementation plan for the pipe structural concave is presented under the background of the accidental damage of the equipment for oil and gas exploitation in the shallow water.The structural analysis and the preliminary damage assessment are performed for the damaged diagonal bracing according to the detection data.The stress concentration factor of the concave region is calculated for the discussion of its influence on the yield strength and fatigue strength.

jacket; pipe structure; damage assessment

U661.43

A

1001-9855（2016）06-0035-06

2016-06-27；

2016-07-06

姜 筠（1987-），女，碩士，助理工程師，研究方向：海洋結構物有限元分析。遲 健（1990-），男，助理工程師，研究方向：船舶舾裝。劉金沅（1987-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶仿真。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.035