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中心，天津 300452)

摘要：考慮到平臺間的棧橋與平臺整體結構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，進行冰激振動響應分析計算。結果表明，棧橋鋼結構和管線系統的響應變化規律與平臺甲板存在一定差異，主要原因為多重“子結構”與“主結構”的匹配關系。

關鍵詞：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:海洋工程設計、建造和工程項目管理

E-mail:haobq@cnooc.com.cn

冰激振動是結構在交變冰荷載作用下產生振動的一種特有現象[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冰現象，這使得渤海海域內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作業、結構的安全性以及工作人員的人身健康造成了嚴重威脅[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致平臺管線的斷裂[6]。

目前我國對冰區海洋平臺冰激振動的研究以平臺整體結構的分析居多，而針對平臺間棧橋等子結構的動力響應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構[7]。棧橋具備與平臺整體結構完全不同的固有動力特性。作為平臺的子結構，棧橋結構的振動主要由平臺的整體結構振動所引發；同時，在其自身動力特征的控制下，會將由平臺整體結構傳遞過來的振動加以放大，從而對棧橋自身結構造成嚴重損害。因此，在對平臺整體結構進行分析的同時，還必須對棧橋結構進行單獨的計算分析。

錦州9-3油田區域位于渤海遼東灣北部海域，東經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，嚴重的海冰災害多發生在這一區域。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構完全不同的固有動力特性。如果將棧橋結構融合到平臺整體計算模型中，將產生主結構與子結構振型耦合后的計算失真效應[8-9]。因此，必須將棧橋結構進行單獨的建模計算分析工作，但二者間應保持固有的主次或振動繼承關系。

對于子結構繼承主結構振動響應關系的把握，關鍵在于如何準確獲取子結構與主結構連接位置的振動響應時程。主要取決于兩方面因素。

1)局部剛度矩陣的準確建立。即在主結構振動分析模型中應準確模擬與主結構形成主要連接的子結構構件。

2)局部質量矩陣的準確建立。即在主結構振動分析模型中應準確模擬子結構的質量。

據此，對平臺棧橋結構與平臺整體上部模塊間的連接及其自身質量進行模擬。平臺整體計算模型中在與棧橋連接構件所組成的局部框架上設置棧橋質量分布。

1.2棧橋計算模型

WHPC-WHPE棧橋計算模型分為兩部分，即棧橋鋼結構模型和管線模型。其中，為保證棧橋與WHPC平臺振動響應間的“繼承”關系，棧橋與WHPC平臺的連接處保留了原支撐構件。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相貫通連接的，因此，管線的振動響應是不能以棧橋結構為邊界的。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構的邊界條件具有局部邊界效應。計算模型中將棧橋上的管線系統向棧橋結構外側(即兩座平臺的整體管網上)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。棧橋鋼結構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流體(原油)屬性。整體結構阻尼比設定為5%。棧橋整體模型見圖1。

圖1　WHPC-WHPE棧橋整體模型圖

2棧橋冰激振動響應分析

2.1模態分析

模態分析的目的是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據[10]。由于平臺上管線的布置和支撐方式遠較棧橋上的復雜，致使其振動阻尼耗散也十分顯著，造成整體管網的振動很難傳遞至棧橋管線系統。因此，整個棧橋-管線系統的基礎振動特征是由棧橋鋼結構控制的。故模態分析主要針對棧橋鋼結構進行，而棧橋上的管線系統作為附屬結構處理。計算得到棧橋鋼結構前3階振型和自振頻率(表1)。

2.2冰激振動響應分析

針對WHPC-WHPE棧橋結構的計算分析是以WHPC平臺整體結構的計算分析為基礎的。因此，計算工況的設定與WHPC平臺整體結構的計算相同，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，已經對平臺棧橋子結構與平臺整體上部模塊間的連接及其自身質量進行了準確模擬，據此便可以準確提取與每種海冰作用工況相對應的棧橋連接點上的結構動力響應。這些動力響應的提取結果正是在對棧橋結構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的振動輸入時程的構建。

根據以上方法，對有限元模型施加與各工況相對應的平臺整體位移響應時程曲線，采用瞬態動力計算方法，進行全時域范圍內的冰激振動響應分析計算。計算表明，WHPC-WHPE棧橋結構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時出現了最大響應。以此工況為例對棧橋結構的冰激振動響應進行分析。WHPC-WHPE棧橋鋼結構和管線系統出現最大響應時刻的變形見圖2。

圖2　WHPC-WHPE棧橋鋼結構和 　　管線系統最大響應時刻變形

由圖2可見，鋼結構和管線系統的最大響應位置均出現在靠近WHPC平臺一側的端點上。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以其龐大的結構型式形成了良好的冰激振動抑制作用，而對導管架平臺WHPC所進行的冰激振動模型試驗和數值結果表明，其經歷的冰激振動水平是較為顯著的。棧橋結構在一端振動明顯，而另一端振動可忽略的外部激勵模式下，自然也就呈現出上面展示的變形和響應特征。

依據圖2展示的變形圖中標注的結構最大變形位置，分別提取對應的振動響應數據，進行結構響應特征分析，所得結果如圖3、4。其中圖3、4為在上述工況下，棧橋鋼結構最大響應位置沿X、Y、Z3個方向的位移響應與WHPC平臺棧橋支撐甲板上的相應位移響應的對比，圖4為棧橋管線系統最大響應位置沿X、Y、Z3個方向的位移響應與WHPC-WHPE棧橋鋼結構上的最大位移響應的對比。

圖3　棧橋鋼結構與平臺甲板位移響應

圖4　棧橋管線與棧橋鋼結構位移響應

通過圖3可見，作為平臺整體結構上的子結構，棧橋鋼結構在吸收了平臺甲板傳遞過來的振動能量后，已將其轉化為自身特有的振動形態。具體表現為：在X、Y及Z向，振動形態與平臺甲板基本保持一致，位移響應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，作為棧橋鋼結構上的子結構，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，具體表現為：在X、Y及Z向，位移響應水平較棧橋鋼結構分別縮減了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，棧橋鋼結構體現出與平臺主結構十分相似的振動響應形態。在X和Y方向上，棧橋鋼結構的振動響應相對于平臺主結構則保持了極強的“繼承”特征，同時由于棧橋的框架結構在這兩個方向上具備很高階的模態特征，因此產生了振動縮減現象。在Z方向上，盡管棧橋的框架結構在這一方向上仍具備頻率很高的模態特征，但由于棧橋結構自身在Z方向上具備二階模態，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，進而致使棧橋鋼結構在垂向上呈現出動力放大特征。由此可見，對于整體棧橋結構來說，其具有更加復雜的結構動力特征，即具有多重的“子結構”與“主結構”匹配關系。

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

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

3)棧橋上的管線系統相對于棧橋鋼結構，又具備了第二階的“子結構”與“主結構”匹配關系，即管線系統的振動響應激勵來源于棧橋鋼結構的振動響應。

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

4結論

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

參考文獻

[1] 黃焱,史慶增,宋安.冰激柔性直立樁結構振動的模型試驗[J].天津大學學報,2007,40(5):530-535.

[2] SODHI D S.Crushing failure during ice-structure interaction[J].Engineering Fracture Mechanics,2001.68:1889-1921.

[3] 張方儉,費立淑.我國的海冰災害及其防御[J].海洋同胞,1994,13(5):75-83.

[4] 張樹祥,周森.渤海航運中的海冰危害和防冰減災對策[J].冰川凍土,2003,25(S2):360-362.

[5] 李志軍.渤海海冰災害和人類活動之間的關系[J].海洋預報,2010,27(1):8-12.

[6] YUE Q J.Crushing formed dynamic ice loads during interacting with vertical compliant structure[J].Engineering Mechanics,2004(2):200-208.

[7] 劉戈,宋克新,張海.海洋平臺棧橋動力分析[J].海洋技術,2009,28(2):84-87.

[8] 王文亮,杜作潤.結構振動與動態子結構方法[M].上海:復旦大學出版社,1985.

[9] R 克拉夫,J 彭津.結構動力學[M].北京:高等教育出版社,2006.

[10] 陳道章.隨機振動理論及其應用[J].電子科技大學學報,1993,22(4):428-433.

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