API RP 2A-21st修訂對渤海平臺管節點設計的影響

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(中海油能源發展油田建設工程分公司,天津 300452)

管節點是海洋工程結構的關鍵部位，同時也是最薄弱的環節。1980年“亞歷山大基蘭號”半潛式平臺傾覆事故，就是因管節點破壞而引起的。管節點的設計對于海洋平臺結構至關重要。API RP 2A作為我國等同采用的行業標準，也是目前世界上海洋工程界公認的設計推薦做法?；谠囼灁祿蛿抵捣治?，API分別于2002、2005和2007年對API RP 2A -21st2000(以下簡稱API RP 2A 2000)進行了3次修訂，其中“增補2”(2005年)和“增補3”(2007年)對管節點條款進行了重要修改。文中對修改內容進行分析比較，并討論修訂對渤海海域導管架平臺結構設計的影響。

1 API RP 2A-21st有關管節點設計條款的修訂

管節點分為簡單管節點和搭接管節點。簡單管節點是主要撐桿沒有搭接，以及沒有節點板、隔板或者加強筋的節點。圖1是簡單管節點的術語和幾何參數，本文提及的所有管節點均為簡單管節點。

1.1 管節點強度校核

1.1.1 API RP 2A 2000管節點校核公式及常用作法

θ-撐桿角度(自弦桿量起);g-間隙；T-弦桿厚度;D-弦桿直徑;d-撐桿直徑；t-撐桿厚度;τ=t/T;β=d/D;γ=D/2T圖1 簡單管節點的術語和幾何參數

1)構造要求。API RP 2A 2000指出“受拉或者受壓構件的端部連接應達到設計荷載所要求的強度，并且不低于構件的有效強度的50%”。但是對于簡單管節點，如果滿足下述公式則認為符合上述準則[1]：

(1)

式中:Fyc——節點處弦桿的屈服強度或2/3的構件拉伸強度，取較小者；

Fyb——節點處撐桿的屈服強度。

2)管節點強度校核。API RP 2A 2000推薦使用沖剪荷載法或名義荷載法判定節點合理性。

① 沖剪荷載法。有效沖剪應力為

Vp=τfsinθ

(2)

許用沖剪應力為AISC允許剪應力Vpa或者取較小值

(3)

式中:f——撐桿名義軸向平面內或平面外彎曲應力(分別對應每種沖剪應力)；

Qq——考慮荷載和幾何類型影響的系數；

Qf——考慮弦桿中存在軸向名義應力的系數。

② 名義荷載法。節點容許能力由撐桿名義荷載確定。

(4)

(5)

式中:Pa——撐桿軸向荷載的容許能力；

Ma——撐桿彎矩的容許能力；

Qu——極限強度系數(僅與節點的幾何參數和荷載類型有關)。

節點的名義應力比計算公式為

(6)

(7)

3)管節點校核的常用作法。工程實踐中，通常根據式(1)計算節點構造應力比,根據式(2)和式(3)計算節點沖剪應力比。當管節點構造應力比和沖剪應力比均小于1.0時認為節點設計滿足規范要求。

1.1.2 API RP 2A修訂版管節點校核公式及作法

API RP 2A修訂版，節點校核取消了沖剪荷載法。

1)管節點的最小承載能力要求[2]。API RP 2A修訂版指出“受拉或者受壓構件的端部連接應達到設計荷載所要求的強度，并且不低于構件的有效強度的50%，對于兼受拉伸或壓縮荷載的桿件有效強度是指屈曲荷載，對于以受拉伸荷載為主的桿件有效強度是指屈服荷載”。

(8)

式中：P′——撐桿軸向荷載，或桿件有效強度的50%，取較大者；

Pa——撐桿容許軸向荷載，見式(9)。

另外，對于強度水平地震加速度大于等于0.05g的地區，地震工況主要構件的管節點端部連接應達到撐桿有效強度的100%，即撐桿的抗拉屈服荷載或者抗壓屈曲荷載。

2)管節點強度校核。API RP 2A修訂版指出，節點的容許承載能力根據下式計算。

(9)

(10)

式中:Fs——安全系數，靜力工況Fs=1.60，地震工況Fs=1.0;

Qf——弦桿載荷系數；

Fyc——弦桿在節點處的屈服強度或0.8倍的拉伸強度，取較小值。

節點強度校核公式為

(11)

3)管節點校核的作法。工程實踐中，根據式(8)校核節點的最小承載能力，根據式(11)計算節點的強度應力比。當管節點同時滿足最小承載能力要求和應力比要求時，認為節點設計滿足規范要求。

1.1.3 名義荷載計算參數對比

名義荷載計算參數對比見表1。

表1 名義荷載計算參數對比

1.2 灌漿管節點的等效壁厚

主樁式導管架結構通常在導管架主腿與樁之間的環形空間內進行灌漿，將導管架的荷載傳遞給鋼樁。API RP 2A 2000未明確灌漿管節點的等效壁厚計算，工程中可以采用組合截面的慣性矩法、內外管組合壁厚的慣性矩法、內外管組合壁厚的平方根法等3種方式計算其等效壁厚[4]。

鑒于目前灌漿施工能力和灌漿檢測困難，API RP 2A修訂版明確了等效壁厚計算應該采用內外管組合壁厚的平方根法。

(12)

式中:Te——等效壁厚；

T——外管即導管架主腿的壁厚；

Tp——內管即樁的壁厚。

由表2可見，組合壁厚平方根法計算的等效壁厚明顯小于組合界面慣性矩法和內外管組合壁厚慣性矩法。

1.3 管節點的疲勞壽命安全系數

API RP 2A 2000規定，管節點設計疲勞壽命至少是結構設計壽命的2倍，即安全系數(SF)最小為2.0，對一旦失效將導致災難性后果的關鍵構件應該考慮應用較大的安全系數，但并未明確具體數值。API RP 2A修訂版對疲勞壽命安全系數做了詳盡的規定，見表3。

2 算例對比

以渤海海域某8腿導管架平臺為例，就管節點設計通過計算分析定量評價規范修訂對相關設計的影響。該平臺為1座8腿井口平臺，設計壽命為25年，工作點跨度為(18 m+18 m+18 m)×20 m，設計樁基直徑1 829 mm，分別在EL.(-)20.5 m、EL.(-)3.0 m和EL.(+)5.8 m設有3層水平拉筋，水平撐桿直徑為762 mm，在EL.(-)20.5m和EL.(-)3.0 m之間設置有直徑914 mm的X撐桿。在桿件強度滿足要求的情況下，對導管架主腿管節點進行設計對比，分別進行在位分析(靜力、地震和簡易疲勞分析)和安裝工況分析(裝船、拖航和吊裝分析)，結果如下。

1)主腿節點?2025×60、水平撐桿?762×22，根據API RP 2A 2000校核節點各工況均滿足規范要求；根據修訂版規范，地震分析及安裝工況導管架主腿管節點不滿足規范要求。

2)主腿節點?2045×70、水平撐桿?762×22，根據修訂版規范安裝工況滿足規范，地震工況導管架主腿管節點仍不滿足規范要求。

3)主腿節點?2045×70、水平撐桿?762×19，根據修訂版規范所有工況導管架主腿管節點均滿足規范要求。

桿件強度計算結果和結構用鋼量見表4。

表4 桿件強度計算結果和結構用鋼量

通過上述分析可以看出，根據最新版規范進行節點設計，渤海平臺導管架主腿管節點壁厚需要增加，同時合理優化撐桿的壁厚。本例導管架主結構設計用鋼量并未增加，反而有較小降低。

3 結論

1)規范修訂明確了灌漿管節點等效壁厚計算公式，計算偏于安全；明確了關鍵重要管節點的疲勞壽命安全系數(SF)，導管架主腿管節點SF最小值為5。

2)規范修訂突出了節點最小承載能力要求，靜力工況要求節點具有最小為50%撐桿有效強度的承載能力，地震工況要求節點具有等于100%撐桿有效強度的承載能力。

3)國內依據API RP 2A 2000設計的導管架桿件u.c.值通常在0.6以內，設計較為保守，桿件強度并未得到充分利用；規范修訂要求對弦桿進行加強，同時合理優化撐桿提高撐桿的利用率。

4)采用API RP 2A 2000進行節點設計，渤海海域導管架管節點壁厚通常在45～60 mm之間；采用最新修訂版規范進行節點設計，主腿管節點壁厚則需要加厚至60～80 mm之間。修訂條款充分體現了“強節點弱桿件”的鋼結構設計理念。

5)采用修訂后的規范進行結構設計，雖然管節點的壁厚需要增加，但可以通過優化撐桿等方式控制導管架主結構的總用鋼量。

[1] API RP 2A.Recommended practice for planning,designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design[S].American Petroleum Institute,2000.

[2] API RP 2A.Recommended practice for planning,designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design[S].American Petroleum Institute,2007.

[3] 趙開龍,劉成名,姚志廣.海洋平臺管節點極限強度分析方法研究[J].石油工程建設, 2011,37(1):12-15.

[4] 崔書杰.導管架灌漿腿柱的沖剪應力計算研究[J].中國海洋平臺, 2005,20(3):40-42.

[5] 謝 彬,于 皓. API RP 2A設計參數的合理選取[J].中國海上油氣(工程),2000,12(1):10-14