剛／柔性連接對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)振動(dòng)特性影響研究

范 曉，段夢(mèng)蘭，庹 鑫，侯金林，劉 洋，譚雙妮，楊 磊

（1．中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2．中海油研究總院，北京 100027）①

剛／柔性連接對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)振動(dòng)特性影響研究

范 曉1，段夢(mèng)蘭1，庹 鑫1，侯金林2，劉 洋1，譚雙妮1，楊 磊1

（1．中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2．中海油研究總院，北京 100027）①

海上油田二次開(kāi)發(fā)時(shí)通常采取加密井網(wǎng)綜合調(diào)整的措施，在工程上經(jīng)常會(huì)在老平臺(tái)旁建新的導(dǎo)管架平臺(tái)。為滿足設(shè)備和資源的共享，新老平臺(tái)有剛、柔2種連接方式，即平臺(tái)短距離直接連接或棧橋連接。分析了2種連接方式對(duì)新老平臺(tái)整體振動(dòng)特性的影響，得到不同情況下適宜的連接方式，并借助SACS軟件進(jìn)行工程實(shí)例驗(yàn)證。

導(dǎo)管架平臺(tái)；剛性連接；柔性連接；振動(dòng)特性

我國(guó)大部分近海油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)的中后期，為提高采收率往往會(huì)對(duì)老油田進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。加密井網(wǎng)綜合調(diào)整是行之有效的二次開(kāi)發(fā)措施，加密井網(wǎng)一般會(huì)在油田上新建導(dǎo)管架平臺(tái)，為滿足設(shè)備和資源的共享一般會(huì)將新舊導(dǎo)管架平臺(tái)連接，而連接的方式主要分為剛性連接（即平臺(tái)短距離直接連接）和柔性連接（即棧橋連接）2種方式。

導(dǎo)管架平臺(tái)在海上長(zhǎng)期處于復(fù)雜的載荷環(huán)境下，由外載引起的平臺(tái)振動(dòng)是危害工作人員健康和平臺(tái)安全的重要因素。現(xiàn)階段，新老平臺(tái)間的連接形式往往由具體功能的需求來(lái)確定，很少研究連接形式對(duì)振動(dòng)特性帶來(lái)的影響。

1 剛／柔性連接形式特點(diǎn)

1．1 剛性連接

為實(shí)現(xiàn)模塊鉆機(jī)在新建平臺(tái)與老平臺(tái)間的往復(fù)滑移，以滿足新老平臺(tái)鉆完井及修井的需要，并大幅度降低投資開(kāi)發(fā)成本，新舊平臺(tái)連接多選擇剛性連接形式即海上平臺(tái)短距離直接連接。剛性連接形式在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素較多，海上的作業(yè)難度高，對(duì)模塊鉆機(jī)的改造工作量較大。剛性連接形式的設(shè)計(jì)有3方面的要點(diǎn)：

1） 模塊鉆機(jī)改造設(shè)計(jì)。其中包括了多模塊之間所連接的管線、儀表纜、動(dòng)力纜和服務(wù)臂的結(jié)構(gòu)改造；同時(shí)，為了滿足鉆井作業(yè)的需要，應(yīng)在新老平臺(tái)間建立臨時(shí)管堆場(chǎng)和貓道。

2） 定位導(dǎo)向樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了保證新老平臺(tái)各個(gè)方向軸線處在同一水平面上，新老平臺(tái)導(dǎo)管架部分需要利用定位導(dǎo)向樁系統(tǒng)連接過(guò)渡。

3） 組塊滑道梁設(shè)計(jì)。常規(guī)的模塊鉆機(jī)滑軌使用T型梁，而組塊部分的主梁往往為工字梁，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足新滑軌梁腹板與新組塊滑道梁腹板在垂直方向的一致性。

圖1為平臺(tái)短距離連接技術(shù)在綏中36-1一期及旅大5-2油田調(diào)整工程開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中的成功應(yīng)用［1］。

圖1 渤海油田兩平臺(tái)間剛性連接形式

1．2 柔性連接

柔性連接即為棧橋連接形式，具體連接方式為在新老平臺(tái)間搭建棧橋，為保證棧橋的水平自由度，棧橋與平臺(tái)的鏈接采取一端焊接一段銷接的方式。

棧橋連接形式最大程度地保持了老平臺(tái)的力學(xué)性能，新增平臺(tái)只會(huì)向老平臺(tái)傳遞垂向的載荷，水平向的載荷可忽略不計(jì)。這樣，在新老平臺(tái)共同工作時(shí)老平臺(tái)不會(huì)因?yàn)樾缕脚_(tái)的影響而發(fā)生危險(xiǎn)。柔性連接設(shè)計(jì)難度小，改造量小，但新老平臺(tái)間不能進(jìn)行原有設(shè)備的共享，二次開(kāi)發(fā)成本較高。兩平臺(tái)棧橋連接如圖2所示。

圖2 兩平臺(tái)間棧橋連接示意

2 連接形式對(duì)平臺(tái)振動(dòng)特性的影響

導(dǎo)管架平臺(tái)的動(dòng)力平衡方程可表達(dá)為

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；x（t）為隨時(shí)間變化的節(jié)點(diǎn)位移矢量；˙x（t）為隨時(shí)間變化的節(jié)點(diǎn)速度矢量；¨x為隨時(shí)間變化的節(jié)點(diǎn)加速度矢量；F（t）為隨時(shí)間變化的節(jié)點(diǎn)上的外載荷矢量。

其中，質(zhì)量矩陣表示模型的質(zhì)量分布。在一般計(jì)算方法中，質(zhì)量矩陣即將構(gòu)建的自身質(zhì)量、構(gòu)建內(nèi)部可能有的質(zhì)量以及一些附加質(zhì)量堆聚在各個(gè)結(jié)點(diǎn)或幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)上。一般省去單元的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和非主振方向的質(zhì)量。這樣，質(zhì)量矩陣M是一個(gè)對(duì)角陣。平臺(tái)上任意的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件在i振動(dòng)方向上的附加質(zhì)量力與流體密度、浸水部分體積、桿件與i方向夾角、i方向相對(duì)加速度有關(guān)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣一般是考慮剪切的影響，決定性因素是構(gòu)建的幾何特性。阻尼矩陣一般考慮為粘性阻尼，以阻尼比來(lái)表示。

在自由振動(dòng)時(shí)，阻尼項(xiàng)可忽略不計(jì)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程可簡(jiǎn)化為［2］

式中：ω為結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率。

剛、柔性連接形式即通過(guò)改變導(dǎo)管架平臺(tái)質(zhì)量矩陣與剛度矩陣來(lái)改變平臺(tái)的振動(dòng)特性［3］。在實(shí)際工程計(jì)算中，剛、柔性連接對(duì)原平臺(tái)剛度矩陣影響遠(yuǎn)小于對(duì)質(zhì)量矩陣的影響。

由上述分析可推出結(jié)論：剛性連接后原平臺(tái)質(zhì)量大幅增加，平臺(tái)固有振動(dòng)頻率降低，加大平臺(tái)結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載作用下的響應(yīng)幅值，降低導(dǎo)管架平臺(tái)的安全性。柔性連接后由于僅向原平臺(tái)傳遞縱向載荷，原平臺(tái)質(zhì)量變化較小，對(duì)原平臺(tái)振動(dòng)特性影響較小。

3 算例

3．1 目標(biāo)平臺(tái)情況概述

選取BZ34-1CEPA中心平臺(tái)為本次計(jì)算目標(biāo)平臺(tái)。渤中34-1油田位于渤海中部海域，北緯39°～41°的區(qū)域內(nèi)。緊鄰南部的渤中34-2／4油田，距東北的渤中28-1油氣田約22 km，屬于渤中34油田群，水深約為20 m。渤中BZ34-1CEPA中心平臺(tái)是1座集鉆修井、生產(chǎn)及生活為一體的12腿、12樁的綜合平臺(tái)，其樁腿為浮拖法安裝，8腿主樁＋4腿輔樁（支撐隔水套管）；共有2個(gè)井口區(qū)、40個(gè)井槽。平臺(tái)布置有3臺(tái)Solar70的透平發(fā)電機(jī)組，負(fù)責(zé)提供油田群所需電力，并處理油田群的物流。平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命為20 a。

計(jì)劃在CEPA平臺(tái)北側(cè)新增4腿井口平臺(tái)WHPD，下文將詳細(xì)分析剛、柔性連接對(duì)CEPA平臺(tái)振動(dòng)特性影響，本次計(jì)算采用SACS通用有限元計(jì)算程序。

3．2 原平臺(tái)在位振動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)目標(biāo)平臺(tái)所處的海域參數(shù)和平臺(tái)設(shè)計(jì)之初的q-z曲線、t-z曲線、p-y曲線及詳細(xì)的設(shè)計(jì)圖紙、歷次改造文件、平臺(tái)結(jié)構(gòu)具體檢測(cè)結(jié)果，利用SACS軟件對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)、設(shè)備質(zhì)量分布、載荷分布整體建模，如圖3所示。

圖3 BZ34-1CEPA平臺(tái)整體模型

BZ34-1CEPA平臺(tái)結(jié)構(gòu)調(diào)整、評(píng)估、校核參照以下規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)：

1） API RP 2A Recommended Practice for Planning，Designing，and Constructing Fixed Offshore Platforms-21stEdition WSD，2000．

2） AWS D1．1／D1．1M Structural Welding Code-Steel，2002．

3） AISC Specification for Structural Steel Buildings—Allowable Stress Design and Plastic Design，1995．

4） DNV DNV（Det Norske Veritas）CN 30．5，2000；DNV（Det Norske Veritas）Guideline No．14，1998．

渤中BZ34-1CEPA導(dǎo)管架主要節(jié)點(diǎn)沖剪校核考慮軸向、彎曲應(yīng)力組合，利用相互作用的2個(gè)方程進(jìn)行節(jié)點(diǎn)沖剪校核。主要管節(jié)點(diǎn)處尺寸為?60 cm× 1．5 cm的加強(qiáng)段，屈服應(yīng)力為355 MPa。

在極端風(fēng)浪、極端冰條件下，按照API RP 2AWSD規(guī)定的基本許用應(yīng)力，并增加到1．33倍，進(jìn)行結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件的應(yīng)力校核。

考慮BZ34-1CEPA平臺(tái)正常在位時(shí)可能遇到的工況組合，對(duì)其進(jìn)行平臺(tái)在位振動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。提取模型前6階陣型，如表1所示。

表1 BZ34-1CEPA平臺(tái)前6階自振頻率

導(dǎo)管架平臺(tái)的整體校核通常進(jìn)行在位、地震、疲勞、樁基礎(chǔ)4個(gè)方面的校核［4］。主要標(biāo)準(zhǔn)為各處桿件、節(jié)點(diǎn)、樁基礎(chǔ)的UC值（UNITY CHECK）是否大于1，若UC值均小于1則滿足規(guī)范要求［5］。

BZ34-1CEPA平臺(tái)的主要校核結(jié)果為：在位分析中，平臺(tái)桿件、節(jié)點(diǎn)沖剪均滿足規(guī)范要求，其中最危險(xiǎn)桿件為F04L-F05T，其UC值為0．93，最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)為L(zhǎng)0FF，其UC值為0．97；地震分析中平臺(tái)樁基礎(chǔ)、桿件、節(jié)點(diǎn)沖剪均滿足規(guī)范要求，其中樁基礎(chǔ)為主要校核指標(biāo)，樁基礎(chǔ)校核西南角主樁為最危險(xiǎn)的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．53，強(qiáng)度校核UC值達(dá)到0．95；選取A平臺(tái)導(dǎo)管架上各管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞校核，可得最不利節(jié)點(diǎn)為F028，從2012年可繼續(xù)服役49 a至2061年；樁基礎(chǔ)分析中，西南角主樁為最危險(xiǎn)的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．60，強(qiáng)度校核UC值達(dá)到0．63［6］。

3.3 剛性連接后CEPA平臺(tái)在位振動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

進(jìn)行剛性連接即甲板直接連接后，CEPA-WHPD平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CEPA-WHPD平臺(tái)剛性連接整體模型

考慮CEPA-WHPD平臺(tái)剛性連接后正常在位時(shí)可能遇到的工況組合，對(duì)其進(jìn)行平臺(tái)在位振動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。提取模型前6階陣型，如表2所示。

表2 CEPA-WHPD平臺(tái)剛性連接前6階自振頻率

CEPA-WHPD平臺(tái)剛性連接后的主要校核結(jié)果［7］為：在位分析中，最危險(xiǎn)桿件仍然為F04LF05T，其UC值為0．98，最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)仍然為L(zhǎng)0FF，其UC值為1．01；地震分析中，樁基礎(chǔ)校核西南角主樁仍然為最危險(xiǎn)的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．43，強(qiáng)度校核UC值達(dá)到0．99；選取A平臺(tái)導(dǎo)管架上各管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞校核，可得最不利節(jié)點(diǎn)仍然為F028，從2012年可繼續(xù)服役33 a至2045年；樁基礎(chǔ)分析中，西南角主樁仍然為最危險(xiǎn)的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．47，強(qiáng)度校核UC值達(dá)到0．88。

由上述分析可知：新老平臺(tái)進(jìn)行剛性連接后固有振動(dòng)頻率降低，強(qiáng)度校核中各項(xiàng)結(jié)果UC值均有所升高，接近或超過(guò)規(guī)范要求的臨界值。

3.4 柔性連接后CEPA平臺(tái)在位振動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

進(jìn)行柔性連接即棧橋連接后，CEPA-WHPD平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CEPA-WHPD平臺(tái)柔性連接整體模型

考慮CEPA-WHPD平臺(tái)柔性連接后正常在位時(shí)所可能遇到的工況組合，對(duì)其進(jìn)行平臺(tái)在位振動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［8］。提取模型前6階陣型，如表3所示。

表3 CEPA-WHPD平臺(tái)柔性連接前6階自振頻率

CEPA-WHPD平臺(tái)柔性連接后的主要校核結(jié)果［9］為：在位分析中，最危險(xiǎn)桿件仍然為F04LF05T，其UC值為0．94，最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)仍然為L(zhǎng)0FF，其UC值為0．97；地震分析中，樁基礎(chǔ)校核西南角主樁仍然為最危險(xiǎn)的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．51，強(qiáng)度校核UC值達(dá)到0．96；選取A平臺(tái)導(dǎo)管架上各管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞校核，可得最不利節(jié)點(diǎn)仍然為F028，從2012年可繼續(xù)服役47 a至2059年；樁基礎(chǔ)分析中，西南角主樁仍然為最危險(xiǎn)的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．59，強(qiáng)度校核UC值達(dá)到0．65。

由上述分析可知：新老平臺(tái)進(jìn)行柔性連接后，對(duì)平臺(tái)振動(dòng)特性與強(qiáng)度校核影響較小。

4 結(jié)論

1） 剛性連接可大幅降低油田二次開(kāi)發(fā)成本，但海上施工難度高且對(duì)原平臺(tái)改造較大；柔性連接海上施工相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)原平臺(tái)改造較小但大幅提高了二次開(kāi)發(fā)成本。

2） 剛性連接對(duì)平臺(tái)力學(xué)性能影響較大，新老導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行剛性連接后，平臺(tái)固有振動(dòng)頻率降低，平臺(tái)各項(xiàng)強(qiáng)度校核UC值升高。

3） 柔性連接對(duì)平臺(tái)力學(xué)性能影響較小，對(duì)平臺(tái)固有振動(dòng)頻率影響幾乎可以忽略不計(jì)。

4） 對(duì)于有些校核值已經(jīng)處于臨界狀態(tài)的平臺(tái)，二次開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)進(jìn)行柔性連接，以保證平臺(tái)的安全性；對(duì)于所有校核值均留有一定余量的平臺(tái)，二次開(kāi)發(fā)時(shí)可進(jìn)行剛性連接，降低開(kāi)發(fā)成本，提高資源利用率。

［1］劉孔忠，夏美玉，夏松林，等．兩平臺(tái)間短距離模塊鉆機(jī)直接滑移共享技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］．中國(guó)海上油氣，2010，22（5）：333-337．

［2］中國(guó)船級(jí)社．海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范［S］．1994．

［3］穆頃，張建勇．LD10-1油田井口平臺(tái)加掛井槽技術(shù)研究［J］．船舶，2012，23（3）：1-5．

［4］李愛(ài)群，高振世．工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)［M］．南京：東南大學(xué)出版社，2003：56-58．

［5］Jinping Ou，Li Q S．Vibration control of steel jacket offshore platform structures with damping isolation systems［J］．Engineering Structures，2007，29（7）：1525-1538．

［6］API．Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design［S］．2000，144-150．

［7］Rujian Ma，Haiting Zhang．Study on the anti-vibration devices for a model jacket platform［J］．Marine Structures，2010，23（4）：434-443．

［8］Golafshani A A，Gholizad A．Friction damper for vibration control in offshore steel jacket platforms［J］．Journal of Constructional Steel Research，2009，65（1）：180-187．

［9］Patil K C，Jangid R S．Passive control of offshore jacket platforms［J］．Ocean Engineering，2005，32（16）：1933-1949．

Vibration Characteristics of Jacket Platforms Influenced by Rigid and Flexible Connections

FAN Xiao1，DUAN Meng-lan1，TUO Xin1，HOU Jin-lin2，LIU Yang1，TAN Shuang-ni1，YANG Lei1
（1．College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Increasing the number of wellheads and comprehensive adjustment always use in redevelopment of offshore oilfield．The new platform always was built beside the old jacket platform in redevelopment of offshore oilfield．There are two ways to connect the old and new platform to meet the sharing of equipment and resources．Researching was carried out for the vibration characteristics of jacket platforms influenced by rigid and flexible connection to prove the conclusions with SACS．

jacket platforms；rigid connection；flexible connection；vibration characteristics

TE951

A

1001-3482（2014）05-0001-04

2013-11-27

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目“基于振動(dòng)檢測(cè)的現(xiàn)役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估技術(shù)研究”（2008AA09701-3）

范 曉（1989-），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事海洋油氣工程研究，E-mail：fanxiao32＠163．com。