老齡化導管架平臺結構監測和預警條件研究與應用

許慶華 吳志偉 王曉東 李再春

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067； 2.天津億利科能源科技發展股份有限公司 天津 300384)

許慶華，吳志偉，王曉東，等.老齡化導管架平臺結構監測和預警條件研究與應用［J］.中國海上油氣，2015，27(5)：102-108.

自20世紀60年代開始在渤海勘探開發石油以來，目前我國大多數導管架平臺已達到或超過原來的設計壽命，正步入后服役期。雖然這些老齡化導管架平臺繼續服役可以帶來很大的經濟效益，但這些平臺的許多構件已有不同程度損傷，結構老化嚴重，加之所處海洋環境比較復雜，存在多種安全隱患。因此，為確保平臺安全作業與人員安全，實施海洋平臺實時監測，實現早期預警具有重要意義。

導管架平臺結構監測是針對平臺可能出現的不同危險形式進行安全監測，再根據預警條件進行安全預警，主要包括結構損傷診斷、整體位移監測、甲板載荷監測、樁基載荷監測、樁基沉降監測、平臺不均勻沉降監測等。國內外的一些專家針對導管架平臺的監測和預警分析已經做了一些工作，但目前還沒有一套成形的監測方案，對于相應的預警條件也沒有統一的標準。本文根據老齡化導管架平臺結構特點，提出了老齡化導管架平臺整體位移監測、樁基載荷監測、不均勻沉降監測的原理與方法以及相應的預警條件，形成了一套監測方案，并應用于南海某服役20年的老齡化導管架平臺，證實了該方案的可行性。

1 整體位移監測與預警條件

1.1 非線性倒塌分析

由于導管架平臺是超靜定高冗余度結構，即使個別桿件達到屈服發生破壞，也不會影響整體結構的傾覆，平臺結構仍可以承受較大的載荷。因此，需要對平臺結構進行非線性倒塌分析，研究平臺結構整體發生破壞時的極限承載能力以及相應的位移變化。

根據老齡化導管架平臺結構特點，考慮腐蝕、裂紋、凹陷、海生物附著等缺陷損傷以及樁-土相互非線性作用，運用SACS軟件中的COLLAPSE模塊可對導管架平臺進行非線性倒塌分析，選用百年一遇風浪流海洋環境載荷作為設計載荷，迭代步長選0.1倍設計載荷。計算獲得的不同浪向情況下導管架平臺載荷系數-位移曲線如圖1所示，其中：0°為平臺甲板平面寬度方向，49°為平臺對角線方向，90°為平臺甲板長度方向。

1.2 儲備強度

導管架平臺結構的服役安全性可以采用儲備強

圖1 導管架平臺載荷系數-位移曲線圖Fig.1 Load factor-displacement curve of jacket platform

式(1)中：Fd和Fu分別是導管架平臺結構設計載荷和極限載荷。

1.3 整體位移監測預警條件

導管架平臺結構設計規范要求所有桿件UC值(桿件受壓、受拉、彎曲組合工況許用應力值)＜1.0，最高不超過1.05［3］。因此，可以以第一個桿件UC值達到1.0時結構整體位移值作為第I級預警條件，UC值達到1.05時所對應的結構整體位移值作為第II級預警條件。根據非線性倒塌理論，這種預警條件的設置是非常保守的。為使預警條件更為合理，借助儲備強度理論，選擇導管架平臺儲備強度系數RSR的85%所對應的結構整體位移值作為第III級預警條件，從而實現導管架平臺整體位移三級監測，如圖2所示。度進行評價，它給出了超過設計載荷時結構的承受能力。平臺結構的儲備強度用儲備強度系數(RSR)來刻畫，RSR定義為結構倒塌時載荷與設計載荷之比［1-2］，即

圖2 導管架平臺位移預警圖Fig.2 Displacement warning figure of jacket platform

2 樁基載荷監測與預警條件

2.1 樁基載荷測量原理

導管架平臺是由鋼樁通過導管架固定于海底的平臺結構，主要由上部結構、導管架結構和鋼樁基礎構成。上部結構載荷集中分布到甲板腿柱，經由甲板腿柱傳遞至樁頂和導管架結構，最后再匯集至鋼樁而由鋼樁基礎承載，如圖3所示。

圖3 導管架平臺結構載荷傳遞圖Fig.3 Structure load transfer figure of jacket platform

樁基載荷由樁頭初始載荷、樁頭載荷變化以及插入海底鋼樁重量構成。樁頭初始載荷可以通過有限元軟件計算，樁頭載荷變化則需要通過監測獲得。在正常海況情況下，導管架平臺結構未進入非線性變形階段，可以將導管架結構看作線性系統，此時樁基載荷變化可以根據導管架平臺結構載荷傳遞規律并通過上部結構載荷變化求得。導管架平臺樁基載荷計算流程如圖4所示，其中上部結構的載荷變化集中反映在甲板腿柱上，因此可以通過測量甲板腿柱載荷變化獲得。

圖4 導管架平臺樁基載荷計算流程Fig.4 Pile load calculation flow chart of jacket p latform

式(7)中：S為樁腿橫截面面積；E為彈性模量；Δε＇1、Δε＇2分別為樁腿任意直徑上兩點應變變化，可由應變測量儀測得。

由此可通過樁頭監測到的載荷求得樁基總載荷。

2.2 樁基載荷監測預警條件

導管架平臺單樁載荷超過了土壤的極限承載力，就會發生樁基承載力不足的現象，這種情況是十分危險的［5-7］，需要通過監測樁基載荷，使其保持在一定的安全界限內。但是安全界限的確定比較困難，只能采取相對保守的做法，取一個盡可能的安全值。

導管架平臺樁基載荷監測條件可以參考樁的允許承載力，并結合樁基所處的土壤特性、平臺的功能以及使用要求等，綜合計算一個較為合理的安全系數。根據APIRP 2A-WSD對于樁的設計要求，樁的允許承載力為極限承載力除以適當的安全系數(通常選取較為保守的值2.0作為安全系數［8］)。設樁

設甲板腿柱各監測點載荷變化為ΔF，導管架結構載荷傳遞函數為C，則樁頭載荷變化ΔP為

設鋼樁腿部初始載荷為P0，打入海底鋼樁自重為W，則樁基總載荷P可以表示為

載荷傳遞函數C按以下方法計算：設在第j號腿柱施加單位載荷，引起第i號腿柱的載荷變化為Kij，從而可以得到腿柱-腿柱載荷變化關系矩陣Km×m(m為平臺樁頭數量)；同時，引起第r號樁頭的載荷變化為Zrj，從而可以得到腿柱-樁頭載荷變化關系矩陣Zn×m(n為平臺含裙樁樁腿數量)。設上部結構發生了載荷變化，分配到各腿柱的載荷變化為 X=［x1x2…xm］T，則有

同樣，各樁頭載荷變化可以表示為

結合式(2)，可得樁基載荷變化傳遞函數

再利用式(3)即可求得各樁樁基載荷。

對于腿柱監測點載荷變化ΔF，可以通過測量應變變化獲得，具體公式為［4］基極限承載力為Pm，則樁基載荷監測預警條件設置為

3 不均勻沉降監測與預警條件

3.1 樁頂高程差測量原理

如果導管架平臺相鄰兩樁腿之間發生不均勻沉降，平臺就會發生傾斜，則樁頂之間就會存在一個高程差，導致兩樁腿之間的橫梁產生相應的變形，并在靠近兩邊樁腿的橫梁端部將會產生較大的應變，在橫梁中部會產生較大的傾角變化，因此可以通過橫梁兩端應變與中間傾角的變化來反演計算樁頂高程差，從而監測平臺的不均勻沉降。

3.1.1 相鄰樁頂高程差測量原理

設導管架平臺相鄰兩樁腿為A1和A2，當A2相對于A1樁腿發生沉降時，所引起樁頂高程差變化量為Δh。根據線性疊加原理，橫梁的變形變化只與當時樁頂高程差變化相關，而與其已經承受的固定載荷無關，因此可將橫梁簡化為不受外載荷、兩端彈性固定支持的單跨梁模型，如圖5所示。圖5中，a0和al為彈性固定端柔性系數；x1、x2為應變測量器坐標位置；y為應變測量器距離梁中和軸距離；xθ為傾角測量儀的坐標位置；ε1、ε2為應變測量器測出的應變值；θ為傾角測量儀測出的傾角值；Δh為梁端相對沉降值；l為橫梁長度。

圖5 導管架平臺橫梁簡化分析模型Fig.5 Beam s sim plified analyticalmodel diagram of jacket platform

根據單跨梁彎曲理論，梁的撓曲線方程可以表示為

式(9)中：v為梁的撓度；v0、θ0、M0、N0分別代表了梁左端(x=0)處的撓度、轉角、彎矩、剪力等初始參數。

梁右端x=l的邊界條件為v(l)=Δh及v'(l)=alMl，可以得到

另一方面，傾角監測值θ可以表示為

最終可以得到相鄰樁頂高程差Δh的測量計算式［9-10］：

根據式(12)可通過測量橫梁兩端應變變化及橫梁中部傾角變化求得相鄰樁頂的高程差。

3.1.2 任意樁頂高程差測量原理

以南海某8腿柱導管架平臺為例，求對角線樁腿A4與B1樁腿之間的高程差，圖6為該導管架平臺任意樁頂高程差計算分析模型。設ΔhA1B1表示樁腿A1相對于樁腿B1的高程差，ΔhA2A1表示樁腿A2相對于樁腿A1的高程差，ΔhA3A2表示樁腿A3相對于樁腿A2的高程差，ΔhA4A3表示樁腿A4相對于樁腿A3的高程差，L為樁腿A4和樁腿B1的距離，則A4與B1的高程差可以表示為

式(14)中，ΔhA4A3、ΔhA3A2、ΔhA2A1、ΔhA1B1可以根據式(12)得出。

圖6 導管架平臺任意樁頂高程差計算分析模型Fig.6 Pile analyticalmodel to calculate the elevation difference of jacket p latform

3.2 不均勻沉降監測預警條件

技術規格書和相關規范一般要求導管架平臺的傾斜度控制在0.3%或0.5%［11］，因此可以選擇平臺對角線樁腿傾斜度β不大于0.5%作為不均勻沉降監測預警條件，即

式(15)中：ΔhA4B1為對角線樁腿樁頂高程差，可以通過式(12)求得；LA4B1為對角線樁腿之間的跨距，由設計資料獲得。

4 工程實例分析

本文研究對象選擇南海某服役20年的老齡化導管架平臺，該平臺有8根主樁、4根裙樁，如圖7所示。

圖7 南海某老齡化導管架平臺Fig.7 An aging jacket platform in South China Sea

4.1 位移監測

位移監測的原理是通過光纖光柵加速度傳感器測得平臺加速度值，然后對加速度值求二次積分得到平臺位移值。加速度傳感器布置于該導管架平臺靠近甲板支柱強橫梁處，共有8個，如圖8所示。在監測系統運行過程中，選擇一段與計算海況相似的監測結果，所選擇海況風向主要是y方向，如表1所示。由表1可知，實測位移主要集中在y方向，與風力作用趨勢相同，但由于計算海況與實測海況不同，同時采用加速度二次積分累計求和計算位移的算法存在一定的缺陷，造成計算結果與實測結果存在一定誤差。

圖8 南海某老齡化導管架平臺加速度傳感器布設位置Fig.8 Layout position of acceleration sensor of one aging jacket platform in South China Sea

表1 南海某老齡化導管架平臺位移監測數據Table 1 Displacementmonitoring data of one aging jacket platform in South China Sea

4.2 樁基載荷監測

導管架平臺樁基載荷監測是通過光纖光柵應變傳感器和式(7)求得的。在靠近該導管架平臺底層甲板的樁腿直立區域，每間隔90°安裝一個應變傳感器。圖9為在既包括正常天氣，又包括臺風天氣的某時間段該導管架平臺樁腿承載力監測結果，可以看出，與5月30日風速和風向沒有發生明顯變化時的樁基承載力相比，在6月10日風向發生變化且風速增大時的樁基承載力發生了明顯下降現象。為了驗證樁基載荷監測數據的有效性，提取風速5m/s、風向220°(記為海況1)和風速20 m/s、風向50°(記為海況2)時的軟件計算結果與對應海況的實測結果進行對比，如表2所示。由表2可知，與海況1相比，海況2時的樁基承載力明顯出現下降現象，監測結果與實測結果的變化規律相一致。由于軟件計算只考慮了風速和風向因素，因此實測結果與軟件計算結果不一致。

圖9 不同風速、風向下南海某老齡化導管架平臺A1樁腿承載力監測結果Fig.9 A1 leg stress under different w ind speed and direction of one aging jacket platform in South China Sea

表2 南海某老齡化導管架平臺樁基載荷力監測結果與實測結果對比Table 2 Pile load calculation and measurement results of one aging jacket platform in South China Sea

4.3 平臺不均勻沉降監測

平臺不均勻沉降是通過光纖光柵應變傳感器、傾角傳感器和式(12)求得的。在底層甲板下表面的主橫梁上，每2個樁腿之間布設一個傾角傳感器，同時兩側布置應變傳感器消除測量誤差，如圖10所示。

圖10 南海某老齡化導管架平臺應變傳感器和傾角傳感器布置Fig.10 Layout position of strain sensor and tilt sensor of one aging jacket platform in South China Sea

圖11 南海某導管架平臺A1、A2樁腿間的不均勻沉降監測結果Fig.11 Test result of uneven settlement between A1 and A2 leg of one aging platform in South China Sea

圖11為在既包括正常天氣，又包括臺風天氣的某時間段該導管平臺不均勻沉降監測結果，可以看出，該導管架平臺在臺風天氣(6月14日，風力為22m/s)時的不均勻沉降與正常天氣(6月8日，風力為3 m/s)時相比沒有發生明顯變化，這是由于不均勻沉降是在平臺長期服役過程中緩慢發生的，短期的臺風不會對不均勻沉降產生影響。

此外，在該導管架平臺頂層甲板外邊緣安裝風速風向儀，用于監測環境風速及風向。所有傳感器采集的結果通過光纜傳至中控室的主機，在主機界面實時顯示監測結果，包括平臺位移、樁腿應力、不均勻沉降和風速風向值。

5 結論

1)基于非線性倒塌理論求出導管架平臺載荷系數-位移曲線，根據儲備強度理論提出了采用儲備強度系數的85%所對應的位移值作為整體位移監測最高預警條件，從而實現了導管架平臺整體位移三級監測。

2)提出了導管架平臺樁基載荷監測的簡便方法，闡述了樁基載荷傳遞函數的計算方法，根據API規范提出了采用安全系數2.0作為樁基載荷監測預警條件。但該方法沒有考慮極端海況動態效應，需要進一步研究。

3)提出了平臺不均勻沉降的長期監測方法，闡述了樁頂高程差的計算方法，根據海洋平臺安裝要求提出了選擇傾斜度小于0.5%作為監測預警條件。

4)選擇南海某服役20年的老齡化導管架平臺為研究對象，運用本文提出的監測和預警條件進行了工程實例分析，結果表明本文提出的監測方案是可行的。

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