船舶撞擊后導管架安全性評估修復的方法探討

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(海洋石油工程股份有限公司 設計公司,天津 300452)

海洋平臺矗立在開闊海域，導管架作為水中基礎，支撐著功能模塊，避免不了與船舶(如供應船舶)發生碰撞，造成一定的結構損壞和環境污染事故。在導管架的設計中，一般按照API RP 2A[1]規范中的要求，對結構進行校核：①確保導管架在船舶撞擊下，不倒塌；②撞擊后，平臺結構的剩余強度能否抵抗操作環境條件下的荷載作用。多數文獻研究側重于導管架設計中的船舶撞擊分析方法[2-3]，而關于導管架與船相撞后必要的強度評估和修復研究極少。

據統計，30%的海洋工程結構損壞事故是由船舶撞擊造成的，且平臺在生產期間，難免遭受油船撞擊。并且導管架被船舶撞擊后，往往會造成結構破損、環境污染、人員傷亡等災難性的后果。所以，無論是從安全上、經濟上，還是從環境保護上來看，針對導管架遭受船舶撞擊后，對其進行整體結構評估和采取必要的修復措施都具有重要的意義。

中國南海某海域的平臺在導管架安裝完成后，發生了與運輸船舶意外撞擊事故。結合業主和第三方關注的問題，對導管架的許用能力進行評估，指導現場進行組塊吊裝作業。同時完成平臺在位期間整體結構的安全評估，提出對水下受損桿件進行管內灌漿的修復辦法。

1 工程實例

平臺水深28.6 m(相對于平均海平面)，設有工藝模塊、供電模塊和生活模塊等設施。平臺所受水平環境荷載約1 200 t，垂向荷載約2 000 t。平臺設計壽命為15年。

1.1 設計情況

表1所列數據為此平臺設計過程中選取的環境荷載，操作工況為1年一遇，極端工況取百年一遇。

表1 該海域波浪的最大分布值

導管架為三腿主樁式，樁徑1 524 mm，設計入泥深度約為75 m。導管架立面框架由X撐搭建，分3個水平層，工作點標高為8.5 m。平臺設有6根隔水套管、1根立管、1根電纜護管和2根本護管及其它附件。見圖1、2。

圖1 平臺2D桿系單元示意

圖2 平臺的3D計算模型

1.2 損壞情況

導管架完成海上打樁作業后(僅焊接了幾塊環冠板，還未進行灌漿處理)，與平臺群其它采油平臺的供應船舶發生碰撞事故。通過檢驗人員對平臺的整體受損情況進行檢測及水下調查，給出以下主要破壞部位。

1)A1-B2腿之間水平層拉筋碰撞后凹陷區域長約4.5 m，最大深度達250 mm，且與水平撐相連的斜支撐亦有凹陷變形。

2)遭受船舶撞擊側的立面，欄桿受損嚴重，部分油漆脫落。

3)在導管架A-A立面，水面附件的一跨X撐桿件有3處凹陷，最長約2 m，寬度200 mm；深達120 mm；另外兩處凹坑深度分別為50和60 mm。

船撞后的導管架受損情況的現場圖片見圖3、4。

圖3 水面以上受損桿件示意

圖4 水面以下桿件受損情況示意

2 評估內容

2.1 導管架損壞程度評估

船舶與海洋平臺發生的碰撞是結構在很短的時間內在巨大碰撞載荷作用下的一種復雜非線性動態響應過程，存在著大量的非線性問題。在碰撞過程中還包含很多不確定因素，如碰撞的性質、強度、被撞結構和撞擊船的狀況等。所有這些特點使船舶與海洋平臺的碰撞問題的研究變得相當復雜和困難，需要綜合應用船舶水動力學、塑性力學、斷裂力學和結構可靠性等方面的理論。本文依據API RP 2A規范中的推薦公式，由實測凹坑值反推船舶撞擊荷載。通過SACS軟件中的倒塌模塊對船舶撞擊過程進行理論還原。

首先通過桿件凹坑值，計算荷載，見表2。

表2 假定船舶撞擊導管架的荷載值

荷載計算公式如下。

(1)

Mp=Fyt2/4

(2)

式中:Pd——撞成凹坑所需的荷載;

Mp——圓管的塑性彎矩;

Fy——屈服強度，D,R;

t——圓管的直徑、半徑和壁厚;

X——凹坑深度，此值若大于10倍壁厚，需進行詳細的桿件屈曲分析。

詳細公式可參見ISO 19902 中13.7章節內容。圖5為桿件凹坑示意。

圖5 桿件凹坑示意

結合船體結構形式和變形量，將表2中的船舶撞擊荷載分兩步加載到導管架結構上。首先是水上桿件先接觸，吸收部分能量破壞后,船體又和導管架水下X撐桿件發生碰撞，結果見圖6。

圖6 倒塌分析模塊給出的結果

從結果中可以看出，結構除了與船體直接相碰的部位發生塑性變形外，其它主要桿件、節點和鋼樁均在彈性變形范圍內。與水下檢測人員給出的結論一致，說明這種數值模擬方法可靠，為此類問題的處理提供了一種可行的解決途徑。

2.2 導管架安全性評估

通過上節的初步判斷，導管架其它部位完整無損，只要對損壞桿件進行必要的修復，平臺即可投入使用。主要工況分析如下。

1)靜力分析結果顯示，完成水面以上受損桿件的修復，導管架可以滿足組塊就位的作業要求。

2)疲勞分析結果顯示，若不進行水下受損桿件的修復(計算模型中不考慮桿件的剛度，但仍然有環境荷載作用)，一方面是平臺的第一階主周期由原來的1.47 s增大到1.95 s，增加幅值達33%；另一方面，導管架立面有一X撐節點疲勞壽命不滿足設計要求。

此情況說明，立面X撐結構對平臺的整體剛度貢獻較大。受損后，結構變弱，所以周期變長，對節點的疲勞壽命不利。通過試算，對受損桿件內部進行灌漿處理，相應的校核內容可滿足規范要求。為了得出更符合真實情況的結果，在模擬時，有以下方面需要注意。

1)受損桿件彎曲度的模擬。被船舶撞擊后，桿件除了局部會有明顯的凹陷外，整體還會發生偏移，使中心線偏離原桿件位置，見圖7。

圖7 桿件彎曲度示意

當桿件整體受壓時，彎曲度對桿件許用強度影響較大。在荷載保持不變的前提下，在程序中分別設置Out of straightness值為5.0,8.0和12.0 cm時，對應的桿件應力比值分別為0.63,0.78和0.93。折減幅值分別為23%和20%。

所以在現場測量時，不僅要測出局部凹陷值，還應測出整根桿件偏離原位置的偏差值。這樣才能為設計者準確評估，判斷提供保障。

2)灌漿后的桿件，需考慮泥漿對重量的貢獻，修正桿件密度，真實模擬，反映出平臺的變化周期。修復后，結構的儲備強度比值最小為1.8,大于1.6，滿足規范要求。從分析結果可以看出，整個平臺最薄弱的地方在鋼樁處。受損部位的定期檢測是必要的，避免屈曲擴展，給平臺安全帶來隱患。

3 修復過程

1)首先在組塊吊裝就位前，完成水上受損桿件的切割。按原尺寸建造完成后，在海上進行組對焊接等更換作業。為了避免焊接熱處理帶來的變形，可在易發生變形的部位先施加筋板進行固定，避免組塊對接出現差錯。

2)考慮到疲勞分析結果，待組塊完成就位后，有必要對水下受損桿件進行修復。X撐桿件中有一根是作為撐桿被斷開的。為了保證損壞桿件內部都灌上泥漿，開孔方式參見圖8。

圖8 水下受損桿件開灌漿孔位置示意

具體的開孔位置和大小可根據桿件受力情況和實際操作空間的要求確定。一般情況下，灌漿會提高桿件和節點的強度，但是其作用量化有困難。其中泥漿的強度和灌漿率會在一定程度上影響桿件強度。有文獻指出，完全灌漿才能考慮泥漿對桿件強度的貢獻。但現場操作很難達到100%的灌漿率，所以后期對受損部位進行定期監測是必要的[4]。

3)對桿件防腐油漆脫落的部位進行補漆修復，避免桿件進一步遭受海水侵蝕。

4 結論

1)此次事故發生時，導管架上設置了障礙燈，說明此法有一定的局限性；考慮導管架安裝后，有一段時間才會安裝組塊，所以針對平臺群新建的導管架，建議設置簡易雷達以提醒附近船舶，提前規避；當然提高操作人員的安全意識也是必要的。

2)X撐抵御船舶撞擊風險的能力高，若一根桿件損壞，立面框架變成K型支撐，仍能保持框架的完整性； K型支撐船撞損壞后，受損立面成為門型框架，對平臺結構的整體剛度折減大，對荷載傳遞不利。

3)通過模擬凹坑大小，反推船舶撞擊荷載，施加到數值模擬的平臺結構上，進行整體和局部強度核算；結果與水下監測結論一致，驗證了數值模擬方法的可靠性。

4)在模擬受損桿件時，須真實地測量桿件受撞后的彎曲度；此值對桿件的許用強度折減較大。

5)泥漿強度對修復后桿件強度的影響不大，主要是剛度貢獻。所以施工時，作業者需確保泥漿充滿桿件內部，避免出現灌漿出現空隙和不均勻等現象。

6)定期對平臺進行必要的動態監測，可以提前篩查結構損傷，以及確定損傷的位置和損傷程度，確保平臺在服役期間的安全可靠性。

[1] 楊曉剛，尹漢軍，趙鳴鳴，等.應用于崖城住房平臺導管架的船舶撞擊分析方法[J].中國造船,2002，43：368-373.

[2] 王 亮，阮勝福，王崇鑫，等.一種應用于平臺導管架的船舶撞擊分析方法[C]∥中國鋼結構行業大會論文集.北京：中國鋼結構協會，2012:564-567.

[3] 趙效東，張樂山.海洋工程結構物碰撞失效準則探討[J].船海工程，2012，41(2):144-148.

[4] 李連江，路國章.水下灌漿定形式海底管道立管固定裝置研究[J].船海工程，2012，41(2):178-181.