在役海洋平臺結構的安全性評估

中海石油（中國）有限公司湛江分公司

在役海洋平臺結構的安全性評估

唐廣榮中海石油（中國）有限公司湛江分公司

某在役海洋平臺于1992年9月建成投產，設計生產年限為20年，現已超期服役，因此必須做好其安全評估工作。三維有限元方法可以很好地用于平臺結構的疲勞分析與極限強度分析。通過對平臺導管架結構管節點的疲勞分析可知，平臺結構在當前海域波浪周期載荷作用下，繼續服役5年不會出現疲勞損傷問題，但一些節點已經接近壽命極限；通過對該平臺導管架極限強度分析可知，平臺的儲備能力系數最小為5.4，大于石油行業規范要求的最低1.6的標準，平臺具備足夠儲備能力。

海洋平臺；三維有限元；疲勞；極限強度；安全評估；行業規范

已有的海洋平臺事故調查分析顯示，結構的疲勞破壞是造成事故的重要原因之一，特別是處于服役后期的海洋平臺，對其系統或者結構本身的復雜性、關聯性和不確定性等危險的因素進行準確地分析和評價是非常必要的。某在役海洋平臺于1992年9月建成投產，設計生產年限為20年，現已超期服役，因此必須做好其安全評估工作。本文嘗試引入一種新的模型來簡化海洋平臺結構計算模型，對其進行疲勞極限強度分析。采用結構檢測數據進行結構安全評估分析，研究其結構安全水平及繼續在役的能力、安全可靠性和使用壽命問題。

圖1 整體結構示意

1 平臺結構模型

采用SACS計算程序（版本5.4）對平臺結構的安全性進行模擬并建立三維有限元分析計算模型。計算模型將導管架與樁基在泥面處分開，泥面以上的導管架作為空間鋼架，甲板結構作為板梁結構，以此建立模型，泥面以下的樁基作為空間梁單元。計算模型考慮導管架結構與樁基的相互作用以及土壤的非線性特性，通過計算和迭代，不斷調整剛度，使得泥面處的位移和內力相等。計算模型在分析計算導管架與甲板結構時，采用PSI曲線模擬樁土作用。模型示意圖如圖1所示。

為使計算模型與實際結構盡量相似，將平臺結構所有主要受力構件都按照實際尺寸和布置情況建入計算模型。具體包括：導管架結構、三層甲板結構及其支撐結構、吊機底座結構、主樁裙樁結構、井口隔水套管、靠船樁、防撞器、等船平臺、泥漿管線、J形管、立管、泵護管。除前四項考察其結構強度外，其他結構只輸入實際尺寸及連接形式，不考察其自身強度。

2 疲勞分析

利用確定性分析方法對平臺的主要管節點進行疲勞分析，得到平臺疲勞壽命，驗證在設計海況條件下，疲勞強度是否滿足規定設計年限。利用給定的波高頻次統計數據，采用確定性疲勞分析方法，按0、45°、90°、135°4種方向海況條件進行計算。平臺使用壽命為25年，安全系數取為2.0，作業水深取40.8m。疲勞壽命計算按石油行業規范規定，選用APIX曲線，應力集中系數按Efthymiou公式計算。

2.1結構模型

腐蝕余量取設計值的一半，海生物厚度和密度按實際測厚結果，桿件厚度按實際測厚結果，結構模型需要在導管架及上層模塊甲板上取足夠數量的自由度質量節點。

疲勞分析中波浪水動力系數：Cd=0.6，Cm= 2.0（smooth）；Cd=0.8，Cm=2.0（rough）。

平臺于1992年投產，到2013年時，平臺已使用21年，本次評估后預計再使用5年，因此校核壽命為21+5×2=31年。

每個波浪方向考慮了5個不同的波浪工況，并將產生最大基底剪力的相位所對應的荷載作為該波浪工況的荷載。疲勞分析采用的應力幅值為最大基底剪力所對應應力的兩倍。

管節點疲勞壽命的計算，是應用Palmgren-Miner累計損傷得到的。每一個管節點，選取焊縫的8個熱點應力位置計算應力幅值，應力集中系數采用Efthymiou方法計算，熱點應力對應的S—N曲線使用APIX曲線，設計安全系數為2.0。

2.2疲勞校核結果

疲勞校核計算結果見表1。平臺導管架結構的疲勞損傷壽命均高于31年設計壽命。

表1 不同節點疲勞損傷壽命

3 極限強度分析

極限強度采用非彈性的靜推導分析方法對平臺進行評估，對平臺承載能力的評價比設計水平分析更為客觀，同時減少了評估的保守性。極限強度分析的目的在于證明平臺具有足夠的強度和穩定性儲備，允許結構出現局部超負荷和局部破壞，但不發生倒塌。

3.1環境條件

極限強度分析采用的環境條件為百年一遇的風暴條件，與靜力分析所用的環境條件相同。

3.2極限強度分析過程

倒塌分析采用的環境條件為百年一遇的最大波浪+對應流和風速，共考慮4個方向：56.4°、90°、123.6°、180°。

倒塌分析過程中假定：①組塊次梁、火炬臂、隔水套管、立管及靠船件為彈性構件，在整個分析過程中都在彈性范圍內；②應變率為0.5%。

按環境荷載的4個作用方向分別進行了4個方向的倒塌分析，每個方向的荷載都由兩部分組成：一部分是結構的垂向荷載（主要包括結構自重、浮力、附屬結構、設備荷載等）；另一部分是水平荷載。水平荷載以逐漸遞增的方式施加到結構上，直至結構發生倒塌。

結構進入倒塌狀態的判斷準則為：導管架腿和樁進入塑性狀態；基礎土壤發生破壞；結構桿件發生大變形。倒塌分析過程中出現以上情況之一即會終止，該方向的儲備能力系數(RSR)即為終止前一步的環境荷載系數。

3.3結果與分析

石油行業規范要求平臺的儲備能力系數(RSR)不能小于1.6，表2匯總了各個方向倒塌分析計算出來的RSR。極限強度分析失效的結構變形如圖2所示。

表2 倒塌分析水平荷載部分

圖2 極限強度分析失效的結構變形

4 結論

（1）三維有限元方法可以很好地用于平臺結構的疲勞分析與極限強度分析。

（2）通過對平臺導管架結構管節點的疲勞分析可知，平臺結構在當前海域波浪周期載荷作用下，繼續服役5年不會出現疲勞損傷問題，但一些節點已經接近壽命極限。

（3）通過對平臺導管架極限強度分析可知，平臺的儲備能力系數（RSR）最小為5.4，大于石油行業規范要求的最低1.6的標準，平臺具備足夠儲備能力。

（4）建議平臺在超期服役過程中，要嚴格控制總體載荷和海生物厚度，加強檢測，安全運營。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.2.001