極端波浪載荷下導管架平臺抗倒塌性能評估

朱本瑞,陳國明,林 紅,黃 超,劉 康

(中國石油大學海洋油氣裝備與安全技術研究中心,山東青島266580)

極端波浪載荷下導管架平臺抗倒塌性能評估

朱本瑞,陳國明,林 紅,黃 超,劉 康

(中國石油大學海洋油氣裝備與安全技術研究中心,山東青島266580)

提出載荷序列增量分析(LSIA)方法,對極端波浪載荷下導管架平臺結構極限狀態進行分析。LSIA能夠考慮不同波高及可能的甲板上浪載荷對平臺側向載荷分布的影響,“追蹤”平臺在不同載荷重現期作用下的真實響應,從而克服當前Pushover的缺點。基于LSIA等效承載能力曲線,提出倒塌重現期NCP,使得平臺抗倒塌能力評估指標具體化。以K型和X型兩種不同結構形式的導管架平臺為例,采用LSIA方法對其進行抗倒塌性能評估,并與Pushover進行分析對比。結果表明,LSIA具有更高的評估精度,能夠確定平臺結構真實的倒塌狀態與失效模式。

極端波浪;導管架平臺;LSIA;評估指標;極限承載能力;失效模式

臺風引起的極端波浪載荷是海洋平臺倒塌破壞的主要原因,2002—2005年臺風Lili、Ivan、Katrina和Rita相繼摧毀的122座導管架平臺中,大部分是由極端波浪引起的過載造成的[1]。GEORGE[2]認為北海平臺倒塌失效與上浪載荷直接相關。目前,導管架平臺設計規范通常不考慮上浪導致的極大作用力,而是通過規定最小甲板高程避免上浪現象的發生,這種采用“最小甲板氣隙”的作法,對于某些沉降嚴重油田(如北海的Ekofisk油田沉降達到8 m,并以每年7～14 cm的速度下沉[3]),顯然不能夠為其全壽命周期的安全服役提供有效保障。靜力推覆分析(Pushover)是確定結構極限狀態及倒塌行為的有效方法[4-5]。針對導管架平臺而言,該方法是對結構施加100年一遇的環境載荷,并將其逐級進行放大,直至結構發生倒塌,然后采用儲備強度系數(RSR)來衡量平臺結構的抗力水平。目前,API、ISO以及DNV規范普遍推薦使用該方法[6-8],然而該方法存在以下不足:(1)造成平臺倒塌的環境載荷較大,其概率往往遠小于1/100,因此基于100年一遇環境載荷進行放大并不能夠真實反映平臺倒塌時受到的側向載荷分布;(2)平臺結構倒塌失效時的波冠高度有可能大于甲板設計高程,而Pushover沒有考慮上浪載荷因素;(3)Pushover得到的極限承載能力曲線無法反映不同波高載荷作用下平臺結構的響應,因而對平臺結構的安全評估提供的信息不足[9]。為此,筆者提出載荷序列增量分析(LSIA)方法,以克服當前Pushover方法的缺點。LSIA能夠充分考慮平臺側向載荷分布的變化及甲板上浪載荷因素,且其確定的評估指標更加直接化、具體化。

1 LSIA方法分析原理

1.1 分析步驟

與Pushover方法不同,LSIA以不同重現期的環境載荷作為漸進加載序列來進行極限承載能力分析,其原理如圖1所示。記N={N1,N2,…,Nn},Ni為第i個載荷序列對應的重現期,其載荷參數可表示為{Vw,H,T,D,Vuc}i,Vw、H、T、D、Vuc分別為重現期Ni時的風速、波高、周期、水深和流速。由此,對平臺在每種重現期Ni對應的載荷作用下分別進行一次靜力非線性分析,從而得到平臺結構基底剪力與位移(或傾覆力矩與轉角)的關系。顯然,當載荷重現期N較小時,結構響應為線彈性,如圖1(a)、 (b)所示;當N足夠大時,結構進入非線性響應階段,如圖1(c)、(d)所示;這樣,逐漸增大環境載荷重現期N,最終將得到一種載荷使得平臺結構處于臨界倒塌狀態,記其載荷重現期為NCP,微量增加NCP將使得結構位移瞬間增大,平臺發生倒塌破壞,記此時結構響應曲線為倒塌承載能力曲線(collapse bearing capacity curve,CBCC),如圖1(e)所示;進一步將平臺倒塌前每個Ni計算得到的基底剪力與位移繪于同一坐標系中,即得到LSIA方法的等效承載能力曲線(equivalent bearing capacity curve,EBCC),如圖1(f)所示。

顯然,相對于Pushover,LSIA方法不僅能夠確定平臺結構倒塌極限狀態,而且可以綜合反映平臺在不同重現期載荷作用下的結構響應信息,從而為服役海洋平臺全尺度載荷強度下的安全評估提供數據支持。由于LSIA方法是基于特定場址載荷要素的概率分布來確定加載序列,所以能夠考慮風、浪、流各種載荷因素的相關性,使得平臺受到的側向載荷分布與真實海洋環境相一致,從而避免了當前Pushover方法采用“單一”強度載荷進行“盲目”放大的弊端。

圖1 LSIA原理示意圖Fig.1 Sketch map of load sequence incremental analysis principle

1.2 評估指標

基于Pushover方法確定的極限承載能力曲線(UBCC)可以細分為“線彈性響應”、“彈塑性響應”和“倒塌響應”3個階段,如圖2所示。由圖2可知, 3個階段分別由設計環境載荷Rd、構件開始屈服載荷Ry以及極限載荷Ru三個評估點確定。由此,定義儲備強度系數RSR=Ru/Rd以評估結構整體抗力水平,延性系數γ=su/sy以表征結構的塑性變形能力,以及“倒塌響應”階段曲線變化趨勢表征結構的倒塌性態,文獻[5]認為平臺達到極限狀態后其承載能力迅速下降時為脆性倒塌,緩慢降低則為延性倒塌,如圖2中曲線①和②所示。

圖2 極限承載能力曲線Fig.2 Ultimate bearing capacity curve

LSIA繼承了當前Pushover方法的優點,并賦予了承載能力曲線新的物理意義,即載荷重現期。參照FEMA350[10]抗震性能評估思想,采用LSIA方法時,將上述3個評估點重新定義為正常使用(normal operation)、可以使用(immediate operation)和預防倒塌(collapse prevention),對應的載荷重現期分別記為NNO、NIO和NCP。由此,當環境載荷重現期N＜NNO時,平臺結構能夠正常使用;當NNO＜N＜NIO時,平臺結構運行風險較低,可以使用;當平臺遭遇的環境載荷重現期NIO＜N＜NCP時,則應發布預警信息,擬定應急方案,以防止結構發生倒塌帶來的經濟損失或人員傷亡;而當監測的環境載荷重現期N＞NCP時,平臺結構將不足以抵抗外界載荷而發生倒塌破壞,此時應對平臺采取必要的風險控制措施,以降低其失效的后果,如減少平臺質量、關閉井口、人員撤離等。由此,將承載能力曲線劃分為藍、黃、橙、紅4級“服役狀態”監測窗口,可為臺風多發海域的平臺結構完整性管理、風險預警以及安全決策提供一定參考。

此外,倒塌重現期NCP與載荷參數直接相關,即可以確定對應的倒塌波高HCP或倒塌風速VWCP等,從而使得衡量平臺結構極限承載能力的參數更加具體化、形象化和直觀化,更利于結構工程師的理解與應用。另一方面,基于該方法確定的NCP可用于平臺結構可靠性分析中,近似估算平臺結構倒塌失效的概率,即Pf=P{N＞NCP}。

2 環境載荷計算

采用LSIA進行極端波浪載荷下平臺抗倒塌性能評估時,需要額外考慮兩方面的計算:一是計算不同重現期對應的環境參數,以確定加載序列環境載荷值;二是當波高大于平臺甲板高程時,應考慮甲板上浪載荷引起的抨擊載荷,即須確定上浪載荷計算方法。

2.1 環境參數極值

極端波浪載荷往往是由臺風或超強臺風引起的一種發生頻率相對較高的極值載荷,可采用三參數Weibull極值分布對極端環境載荷要素進行推算[11],于是有

由此,計算得到環境載荷參數極值xp為

式中,參數α、μ和ξ分別為尺度參數、位置參數和形狀參數,可根據極大似然估計法利用MS EXCEL“規劃求解”功能計算得到[12]。

2.2 甲板上浪載荷

迄今為止,甲板上浪載荷的計算尚沒有被普遍認可的方法。現有的方法大致可分為側面輪廓法和細節構件法兩大類。側面輪廓法是根據有效甲板濕水面積及水質點壓力,采用拖曳力公式或動量公式進行計算;細節構件方法則分別計算作用于甲板每根桿件上的波浪載荷,通過屏蔽系數考慮結構構件之間的交互作用,然后進行疊加得到總載荷。鑒于后者需要建立所有桿件與設備模型,對計算機及軟件要求高,故本文選用側面輪廓法,其主要模型包括:API模型、DNV拍擊力模型、SHELL模型和MSL模型等,各種模型的詳細討論可參考文獻[13-14],采用API模型[6]計算甲板上浪時,有

式中,Fwd為甲板上浪載荷,N;ρ為海水密度,kg/m3; Cd為拖曳力系數;Vx為甲板淹濕頂部處水質點水平速度,m/s;Vuc為與波浪運動同向的流速,m/s;awkf為波浪運動系數,臺風時取0.88;acbf為導管架的海流阻擋系數;A為甲板淹濕輪廓在波浪方向的投影面積,m2;Hwd為甲板上浪高度,m;B為甲板寬度,m。

計算甲板上浪關鍵在于確定甲板淹濕位置處的波面高度及水質點水平速度,可根據Stokes 5th波理論建立的色散關系方程組采用牛頓法編程求解出波長L和系數λ,然后代入波面公式和速度公式計算得到[15]。

3 算例分析

3.1 有限元模型及環境載荷

以兩種不同結構形式的導管架平臺作為算例,應用LSIA方法對其抗倒塌性能進行評估,兩平臺分別記為“K平臺”和“X平臺”,如圖3所示。K平臺的導管架由7層構成,4根樁管成雙斜對稱結構, ROWA和ROWB斜撐為K型布置;上部組塊為3層,寬25 m,長45 m,質量為6.033 kt(包括設備質量);底層甲板高程為15 m;設計水深107 m;X平臺如圖3(b)所示,ROWA和ROWB斜撐為倒K型與K型交叉布置組成的X型結構,其余參數與K平臺相同。

圖3 海洋平臺有限元模型Fig.3 Finite element model of platforms

考慮到分析涉及結構非線性倒塌階段力學行為研究,建模時應充分考慮模擬單元的力學特性及材料非線性。選用3D彈塑性單元PIPE288建立平臺導管架部分,材料選取雙線性隨動強化模型。PIPE288能夠通過OCEAN模塊自動模擬計算波浪載荷,從而大大降低了波浪載荷下導管架平臺結構力學分析的計算工作量。

將上部組塊結構進行簡化,并采用線彈性單元PIPE16進行模擬;組塊質量平均分布在頂部4個節點上,采用MASS21單元模擬;忽略樁-土非線性相互作用,導管架底部采用固支約束,即在泥面處約束4條樁腿的所有自由度。

對中國科學院南海海洋研究所1948—2008年間的環境載荷資料進行統計分析,由極大似然估計法得到不同環境要素的Weibull分布參數估計值,見表1。

表1 環境載荷Weibull參數估計Table 1 Weibull parameters estimate of environmental loads

由表1中估計參數,帶入式(2),可計算得到該海域不同重現期對應的風速、波高、周期及流速的極值,見表2,其中Hmax=1.721Hs,Tmax=1.27Tz,其推導過程詳見文獻[16]。表2中的上浪載荷由式(3)計算得到,其中系數Cd取2.5,acbf取0.8,B為45 m。

表2 環境載荷參數及上浪載荷部分數據Table 2 Partial environmental load parameters and wave-in-deck loads

由表2可知,平臺100年一遇設計環境參數為:波高22.4 m,周期14.1 s、表層流速2.355 m/s,最大風速44.2 m/s,從而計算得平臺正面(0°)最大波流載荷為15.2518 MN(對應最大相位角為32°),風載為1.8083 MN。此外,應注意到當載荷重現期為2000 a時,平臺開始出現甲板上浪載荷;當重現期為5.8×105a時,上浪高度為4.6 m,上浪載荷為34.716 MN,達到了設計環境載荷的2倍左右,可見上浪載荷作用力之大。

3.2 極限承載能力與性能評估

采用當前Pushover和LSIA方法對K平臺與X平臺進行推覆分析,分別得到兩座平臺的極限承載能力曲線UBCC和倒塌承載能力曲線CBCC如圖4所示。

圖4 當前Pushover與LSIA方法分析結果對比Fig.4 Result comparison of current Pushover and LSIA

由圖4可知:采用當前Pushover方法時,K平臺與X平臺均具有較高的強度儲備,RSR分別為4.87和5.50;但其延性性能差別較大,延性系數γ分別為1.60和3.88;從倒塌階段的響應分析可知,平臺X極限承載能力下降緩慢,倒塌模式表現為延性倒塌,而K平臺則表現脆性倒塌。由此可知,X平臺在極限承載能力、延性能力以及倒塌模式方面均表現為優良的力學特性,說明平臺空間拓撲結構合理,具有較好的載荷傳遞路徑及冗余性能。相對而言, K平臺在抵抗外界環境載荷,特別是載荷超過其極限承載能力時表現為脆弱性,不利于結構在強臺風或超強臺風下“生存”。

對比Pushover極限承載能力曲線UBCC與LSIA倒塌承載能力曲線CBCC可知,用兩種方法得到的K平臺承載能力曲線變化規律不同,顯然, Pushover過高地評估了K平臺的極限承載能力;而X平臺兩曲線變化趨勢一致,平臺在達到極限承載能力后,承載能力均緩慢下降,表現為良好的延性性能。

根據LISA原理,作出兩座平臺的等效承載能力曲線EBCC如圖5所示。由圖5可知,平臺結構在彈性響應階段,當發生上浪載荷時,等效承載能力曲線出現拐點,說明上浪載荷對平臺載荷分布及結構響應影響較大,進一步確定兩座平臺的性能評估參數見表3。

由表3可知,K平臺與X平臺倒塌重現期NCP分別為3.9×105a和5.8×105a,此時對應的環境載荷參數:倒塌波高HCP分別為32.9和33.3 m,風速VWCP分別為64.5和65.2 m/s,因此若平臺遭遇的超強臺風強度大于該倒塌環境載荷時,平臺極有可能發生倒塌破壞。相對當前Pushover分析結果,LSIA得到的K平臺和X平臺極限承載能力分別為75.163 7和78.802 4 MN,RSR分別降低9.5%和16.0%。可見,若不考慮平臺側向載荷分布模式以及甲板上浪等因素的影響,僅采用基于100年一遇的環境載荷進行推覆分析,將使得評估結果偏于保守,容易造成較大的誤差。因此,對服役海洋平臺特別是抗力衰減嚴重的老齡平臺進行極限承載能力評估時,建議采用LSIA方法以獲得更加精確的結果。

圖5 LSIA等效承載能力曲線Fig.5 Load sequence incremental analysis EBCC

表3 基于LSIA的平臺性能評估參數Table 3 Performance evaluation parameters based on LSIA

3.3 倒塌失效模式分析

鑒于平臺承載能力曲線與結構力學特性相關,為進一步闡明兩種方法得到的抗力曲線變化趨勢的迥異,揭示真實平臺結構倒塌機制,提取平臺結構的塑性應變分布如圖6所示。

由圖6(a)可知:兩種分析方法得到的K平臺失效模式發生顯著變化,從而導致其承載能力曲線變化規律不同。Pushover分析時,K平臺主要表現為中層斜撐失效后,導致導管架ROW1和ROW2兩面所有樁腿過載而發生整體倒塌;LSIA則表現為上層斜撐失效使得平臺ROW2面樁腿發生彎曲失效,且平臺上部組塊與導管架連接構件均發生塑性變形,顯然,這是由于甲板上浪載荷使得平臺側向載荷分布更加集中于頂部,從而引起塑性分布區上移,這進一步說明考慮甲板上浪載荷的必要性。

圖6 K平臺及X平臺倒塌失效模式對比Fig.6 Collapse failure modes comparison of platform K and platform X

由圖6(b)可知,與K平臺結果相似,LSIA方法亦使得X平臺導管架上部塑性區擴大,但兩種方法得到的平臺失效模式并沒有發生顯著的變化,均表現為中層斜撐與水平撐失效后,樁腿因無支撐長度增加而發生失穩,最終使得平臺形成機構而發生倒塌。顯然,不同載荷分布模式并沒有改變結構最終的倒塌模式,這說明X斜撐具有良好的結構連續性與載荷傳遞功能,從而使得平臺上部載荷有效的傳遞給導管架結構,在抵抗外界載荷時表現為良好的抗力水平和延性性能。

綜合K平臺與X平臺分析結果可知,當前Pushover方法無法考慮載荷分布變化的影響,在進行平臺結構性能評估時結果偏于保守,特別針對發生上浪載荷的平臺,甚至可能得到錯誤的結論。此外,上浪載荷使得導管架與上部組塊連接構件發生塑性變形,這些連接構件處于飛濺區,腐蝕嚴重,易成為平臺結構的弱點,因此若連接構件抗剪強度不足或無法將載荷有效傳遞給導管架結構,一旦上浪載荷較大,則有可能導致平臺上部組塊側翻,從而發生臺風過后觀察到的倒塌失效模式。

4 結 論

(1)LSIA方法能夠更好地“追蹤”平臺結構真實的響應以及對應的載荷信息,在進行平臺結構抗倒塌性能評估時,能夠有效地考慮甲板上浪載荷對平臺側向載荷分布的影響,具有更高的評估精度;基于該方法確定的評估指標更加直觀、具體,是當前Pushover方法的補充。

(2)極端波浪載荷引起的上浪載荷對平臺側向載荷分布以及倒塌失效模式影響較大,巨大的甲板上浪載荷可能引發平臺上部組塊的側翻,對服役平臺安全評估時(尤其發生嚴重沉降的平臺),有必要考慮可能的甲板上浪載荷。

(3)不同結構形式的導管架平臺抗倒塌能力不同,X型構造增加了平臺結構的連續性,在抵抗外界水平載荷時,具有良好的載荷傳遞路徑與力學特性,從而能夠有效提高平臺結構的抗力與延性,降低結構倒塌的風險。

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(編輯 沈玉英)

Anti-collapse performance assessment of jacket offshore platforms in extreme storm waves

ZHU Ben-rui,CHEN Guo-ming,LIN Hong,HUANG Chao,LIU Kang
(Centre for Offshore Engineering and Safety Technology in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

A novel approach called load sequence incremental analysis(LSIA)was established to estimate the ultimate limit states and accurate behaviors of jacket platforms against extreme environmental loading.This approach could take into account the effects of variation in wave height and wave-in-deck loading,and track the actual behavior of platform under different load return periods.Thereby,the shortages of current Pushover analysis(CPA)were overcome.Based on the equivalent bearing capacity curve obtained by LSIA,a parameter called collapse return period(NCP)was introduced,which made the evaluation indicator of platform performance more specifical.On this basis,LSIA was used for the anti-collapse performance assessment of K platform and X platform.The results show that LSIA can achieve better assessment precision than CPA,and be able to determine the real collapse state and failure mode of platforms.

extreme wave;jacket platform;LSIA;evaluation index;ultimate bearing capacity;failure mode

TE 951

:A

1673-5005(2014)03-0135-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.03.022

2013-12-21

國家自然科學基金項目(51079159,51209218);中央高校基本科研業務費專項(13CX06079A)

朱本瑞(1986-),男,博士研究生,主要研究方向為海洋石油裝備強度與可靠性等。E-mail:zhubenrui@163.com。