錦州9-3油田兩平臺間棧橋冰激振動分析

錦州9-3油田兩平臺間棧橋冰激振動分析

郝寶齊，董坤

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司工程建設(shè)中心，天津 300452)

摘要：考慮到平臺間的棧橋與平臺整體結(jié)構(gòu)的固有動力特性完全不同，針對錦州9-3油田WHPC與WHPE海洋平臺之間的棧橋及其附屬管線，進行冰激振動響應(yīng)分析計算。結(jié)果表明，棧橋鋼結(jié)構(gòu)和管線系統(tǒng)的響應(yīng)變化規(guī)律與平臺甲板存在一定差異，主要原因為多重“子結(jié)構(gòu)”與“主結(jié)構(gòu)”的匹配關(guān)系。

關(guān)鍵詞：海洋平臺；棧橋；冰激振動

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.026

中圖分類號：U661.44；P751

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0093-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一郝寶齊 (1975-)，男，學(xué)士，工程師

Abstract:Considering the natural vibration characteristics of the platform structure is different from that of the bridge connecting two platforms, the ice-induced vibration response is analyzed for the bridge structure and the pipelines connecting WHPC and WHPE platform in Jinzhou 9-3 oilfield. The results show that the variation in response of the bridge structure and piping systems is different that of the platform deck, and the main reason for this difference is the matching relationship between the multiple sub-structures and the main structure.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋工程設(shè)計、建造和工程項目管理

E-mail:haobq@cnooc.com.cn

冰激振動是結(jié)構(gòu)在交變冰荷載作用下產(chǎn)生振動的一種特有現(xiàn)象[1]。我國渤海因地理位置偏北，冬季受西伯利亞南下冷空氣直接影響，每年都有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，這使得渤海海域內(nèi)海洋平臺的冰激振動問題顯得尤為突出。強烈的冰激振動事件對正常的生產(chǎn)作業(yè)、結(jié)構(gòu)的安全性以及工作人員的人身健康造成了嚴(yán)重威脅[2]。歷史上，渤海就有過因冰激振動致使平臺毀壞的嚴(yán)重事故。1969年初，“海一井”平臺支座拉筋被海冰割斷，“海二井”生活平臺、設(shè)備平臺和鉆井平臺被海冰推到。1977年，“海四井”烽火臺被流冰推倒，生活平臺振動劇烈，以至平臺棧橋難以行走[3-5]。1999-2000年冬季，渤海JZ20-2中南平臺由于冰激振動導(dǎo)致平臺管線的斷裂[6]。

目前我國對冰區(qū)海洋平臺冰激振動的研究以平臺整體結(jié)構(gòu)的分析居多，而針對平臺間棧橋等子結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)所展開的研究工作較為匱乏。棧橋是連接海上油氣田兩個或多個平臺間油氣水管線、電控線纜和人員通行的通道，一般采用空間框架鋼結(jié)構(gòu)[7]。棧橋具備與平臺整體結(jié)構(gòu)完全不同的固有動力特性。作為平臺的子結(jié)構(gòu)，棧橋結(jié)構(gòu)的振動主要由平臺的整體結(jié)構(gòu)振動所引發(fā)；同時，在其自身動力特征的控制下，會將由平臺整體結(jié)構(gòu)傳遞過來的振動加以放大，從而對棧橋自身結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，在對平臺整體結(jié)構(gòu)進行分析的同時，還必須對棧橋結(jié)構(gòu)進行單獨的計算分析。

錦州9-3油田區(qū)域位于渤海遼東灣北部海域，東經(jīng)121°24′～121°37′，北緯40°37′～40°42′，平均水深6.5～10.5 m，屬于淺水重冰區(qū)，嚴(yán)重的海冰災(zāi)害多發(fā)生在這一區(qū)域。針對錦州9-3油田WHPC與WHPE平臺之間棧橋及其附屬管線的工程設(shè)計，在考慮平臺在冰激振動作用下，對平臺間的棧橋及其附屬管線造成的振動響應(yīng)進行有限元分析計算。

1計算模型

1.1整體模型中的棧橋模擬

棧橋具有與平臺整體結(jié)構(gòu)完全不同的固有動力特性。如果將棧橋結(jié)構(gòu)融合到平臺整體計算模型中，將產(chǎn)生主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)振型耦合后的計算失真效應(yīng)[8-9]。因此，必須將棧橋結(jié)構(gòu)進行單獨的建模計算分析工作，但二者間應(yīng)保持固有的主次或振動繼承關(guān)系。

對于子結(jié)構(gòu)繼承主結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)關(guān)系的把握，關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確獲取子結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)連接位置的振動響應(yīng)時程。主要取決于兩方面因素。

1)局部剛度矩陣的準(zhǔn)確建立。即在主結(jié)構(gòu)振動分析模型中應(yīng)準(zhǔn)確模擬與主結(jié)構(gòu)形成主要連接的子結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

2)局部質(zhì)量矩陣的準(zhǔn)確建立。即在主結(jié)構(gòu)振動分析模型中應(yīng)準(zhǔn)確模擬子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

據(jù)此，對平臺棧橋結(jié)構(gòu)與平臺整體上部模塊間的連接及其自身質(zhì)量進行模擬。平臺整體計算模型中在與棧橋連接構(gòu)件所組成的局部框架上設(shè)置棧橋質(zhì)量分布。

1.2棧橋計算模型

WHPC-WHPE棧橋計算模型分為兩部分，即棧橋鋼結(jié)構(gòu)模型和管線模型。其中，為保證棧橋與WHPC平臺振動響應(yīng)間的“繼承”關(guān)系，棧橋與WHPC平臺的連接處保留了原支撐構(gòu)件。對于管線模型的建立，由于管線是與兩座平臺上的總體管網(wǎng)相貫通連接的，因此，管線的振動響應(yīng)是不能以棧橋結(jié)構(gòu)為邊界的。需為棧橋上的管線提供半無限式的邊界條件，以避免造成整體棧橋結(jié)構(gòu)的邊界條件具有局部邊界效應(yīng)。計算模型中將棧橋上的管線系統(tǒng)向棧橋結(jié)構(gòu)外側(cè)(即兩座平臺的整體管網(wǎng)上)各延伸15 m，然后在延伸端點施加鉸接約束，保證邊界條件合理。棧橋鋼結(jié)構(gòu)模型和管線模型均采用Pipe59單元模擬，其中管線模型單元中添加了管內(nèi)流體(原油)屬性。整體結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)定為5%。棧橋整體模型見圖1。

圖1　WHPC-WHPE棧橋整體模型圖

2棧橋冰激振動響應(yīng)分析

2.1模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)[10]。由于平臺上管線的布置和支撐方式遠(yuǎn)較棧橋上的復(fù)雜，致使其振動阻尼耗散也十分顯著，造成整體管網(wǎng)的振動很難傳遞至棧橋管線系統(tǒng)。因此，整個棧橋-管線系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動特征是由棧橋鋼結(jié)構(gòu)控制的。故模態(tài)分析主要針對棧橋鋼結(jié)構(gòu)進行，而棧橋上的管線系統(tǒng)作為附屬結(jié)構(gòu)處理。計算得到棧橋鋼結(jié)構(gòu)前3階振型和自振頻率(表1)。

2.2冰激振動響應(yīng)分析

針對WHPC-WHPE棧橋結(jié)構(gòu)的計算分析是以WHPC平臺整體結(jié)構(gòu)的計算分析為基礎(chǔ)的。因此，計算工況的設(shè)定與WHPC平臺整體結(jié)構(gòu)的計算相同，即將冰速分為0.15、0.3、0.6、1.2和1.4 m/s共5種情況，冰厚分為5、10、15、20、25、30、35、40和49.2 cm共9種情況，冰向分為NE、SW、NNE和SSW共4種情況，水位分為最高天文潮、平均水位、最低天文潮共3種情況。這些情況涵蓋了錦州9-3油田附近海域可能遭遇的冰情特征，組合共形成540組計算工況。

表1　WHPC-WHPE棧橋模型前3階自振頻率

如1.1中所述，在針對WHPC平臺所進行的有限元分析計算中，已經(jīng)對平臺棧橋子結(jié)構(gòu)與平臺整體上部模塊間的連接及其自身質(zhì)量進行了準(zhǔn)確模擬，據(jù)此便可以準(zhǔn)確提取與每種海冰作用工況相對應(yīng)的棧橋連接點上的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。這些動力響應(yīng)的提取結(jié)果正是在對棧橋結(jié)構(gòu)進行獨立計算中采用的振動輸入項。由此，便形成了對WHPC-WHPE棧橋與各組計算工況一一對應(yīng)的振動輸入時程的構(gòu)建。

根據(jù)以上方法，對有限元模型施加與各工況相對應(yīng)的平臺整體位移響應(yīng)時程曲線，采用瞬態(tài)動力計算方法，進行全時域范圍內(nèi)的冰激振動響應(yīng)分析計算。計算表明，WHPC-WHPE棧橋結(jié)構(gòu)在最高天文潮水位下，冰速1.2 m/s，冰厚49.2 cm，來冰方向為SSW時出現(xiàn)了最大響應(yīng)。以此工況為例對棧橋結(jié)構(gòu)的冰激振動響應(yīng)進行分析。WHPC-WHPE棧橋鋼結(jié)構(gòu)和管線系統(tǒng)出現(xiàn)最大響應(yīng)時刻的變形見圖2。

圖2　WHPC-WHPE棧橋鋼結(jié)構(gòu)和 　　管線系統(tǒng)最大響應(yīng)時刻變形

由圖2可見，鋼結(jié)構(gòu)和管線系統(tǒng)的最大響應(yīng)位置均出現(xiàn)在靠近WHPC平臺一側(cè)的端點上。其主要原因是由于棧橋所連接的兩座平臺的振動存在差異。錦州9-3沉箱平臺WHPE以其龐大的結(jié)構(gòu)型式形成了良好的冰激振動抑制作用，而對導(dǎo)管架平臺WHPC所進行的冰激振動模型試驗和數(shù)值結(jié)果表明，其經(jīng)歷的冰激振動水平是較為顯著的。棧橋結(jié)構(gòu)在一端振動明顯，而另一端振動可忽略的外部激勵模式下，自然也就呈現(xiàn)出上面展示的變形和響應(yīng)特征。

依據(jù)圖2展示的變形圖中標(biāo)注的結(jié)構(gòu)最大變形位置，分別提取對應(yīng)的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，進行結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征分析，所得結(jié)果如圖3、4。其中圖3、4為在上述工況下，棧橋鋼結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位置沿X、Y、Z3個方向的位移響應(yīng)與WHPC平臺棧橋支撐甲板上的相應(yīng)位移響應(yīng)的對比，圖4為棧橋管線系統(tǒng)最大響應(yīng)位置沿X、Y、Z3個方向的位移響應(yīng)與WHPC-WHPE棧橋鋼結(jié)構(gòu)上的最大位移響應(yīng)的對比。

圖3　棧橋鋼結(jié)構(gòu)與平臺甲板位移響應(yīng)

圖4　棧橋管線與棧橋鋼結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

通過圖3可見，作為平臺整體結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)，棧橋鋼結(jié)構(gòu)在吸收了平臺甲板傳遞過來的振動能量后，已將其轉(zhuǎn)化為自身特有的振動形態(tài)。具體表現(xiàn)為：在X、Y及Z向，振動形態(tài)與平臺甲板基本保持一致，位移響應(yīng)水平較平臺甲板分別縮減了3.5、1.1及放大了1.6倍。

同時，通過圖4可以得出，作為棧橋鋼結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)，棧橋管線在吸收了平臺甲板傳遞過來的振動能量后，在兩個方向上均形成了動力放大，具體表現(xiàn)為：在X、Y及Z向，位移響應(yīng)水平較棧橋鋼結(jié)構(gòu)分別縮減了37.5倍、放大了2.5倍及放大了10.8倍。

由此可見，在相同的冰條件作用下，棧橋鋼結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出與平臺主結(jié)構(gòu)十分相似的振動響應(yīng)形態(tài)。在X和Y方向上，棧橋鋼結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)相對于平臺主結(jié)構(gòu)則保持了極強的“繼承”特征，同時由于棧橋的框架結(jié)構(gòu)在這兩個方向上具備很高階的模態(tài)特征，因此產(chǎn)生了振動縮減現(xiàn)象。在Z方向上，盡管棧橋的框架結(jié)構(gòu)在這一方向上仍具備頻率很高的模態(tài)特征，但由于棧橋結(jié)構(gòu)自身在Z方向上具備二階模態(tài)，因此在該方向上對振動能量的吸收敏感性較強。棧橋上的管線系統(tǒng)在Z方向上具備更強的振動能量吸收敏感性，進而致使棧橋鋼結(jié)構(gòu)在垂向上呈現(xiàn)出動力放大特征。由此可見，對于整體棧橋結(jié)構(gòu)來說，其具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動力特征，即具有多重的“子結(jié)構(gòu)”與“主結(jié)構(gòu)”匹配關(guān)系。

1)相對于平臺結(jié)構(gòu)，整體棧橋結(jié)構(gòu)具有“子結(jié)構(gòu)”特征，因此，在水平向的振動上具有相對于平臺主結(jié)構(gòu)的振動“繼承”特征。

2)整體棧橋結(jié)構(gòu)的“子結(jié)構(gòu)”從屬性并不單一，而是同時具備兩個主響應(yīng)結(jié)構(gòu)，即WHPC和WHPE平臺，而兩座平臺不同的振動響應(yīng)特征，則致使棧橋結(jié)構(gòu)的動力放大進程受到抑制。

3)棧橋上的管線系統(tǒng)相對于棧橋鋼結(jié)構(gòu)，又具備了第二階的“子結(jié)構(gòu)”與“主結(jié)構(gòu)”匹配關(guān)系，即管線系統(tǒng)的振動響應(yīng)激勵來源于棧橋鋼結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。

4)由于棧橋上的管線系統(tǒng)與棧橋鋼結(jié)構(gòu)間的重量和剛度差異并不顯著，因此二者間的主、次關(guān)系并不明顯，進而致使管線系統(tǒng)在垂向上的振動敏感性對棧橋鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的影響或控制作用。

4結(jié)論

對WHPC-WHPE棧橋結(jié)構(gòu)的建模計算分析，證明”子結(jié)構(gòu)”與”主結(jié)構(gòu)”二者間固有的主次及振動繼承關(guān)系。相對于平臺整體結(jié)構(gòu)，棧橋結(jié)構(gòu)具有“子結(jié)構(gòu)”特征，而棧橋上的管線系統(tǒng)相對于棧橋鋼結(jié)構(gòu)，又具備了第二階的“子結(jié)構(gòu)”與“主結(jié)構(gòu)”匹配關(guān)系。本文采用的棧橋結(jié)構(gòu)冰激振動分析方法可為設(shè)計方案提供評價與指導(dǎo)。

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Analysis of Ice-induced Vibration on Bridge Connecting WHPC

and WHPE Platform in Jinzhou 9-3 Oilfield

HAO Bao-qi, DONG Kun

(Project Construction Center, Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: offshore platform; bridge; ice-induced vibration