導管架平臺管節點強度校核及影響因素分析

(中海油能源發展裝備技術有限公司 設計研發中心，天津 300452)

管節點作為導管架平臺結構設計中關鍵而又薄弱的環節，歷來是設計者十分關注的問題。由于導管架結構設計中大多采用簡單管節點，簡單管節點指位于同一平面內，撐桿之間不搭接，沒有隔板、加筋板及節點板的節點，本文主要針對簡單管節點進行分析研究。管節點的強度分析方法主要有實驗研究和理論分析兩大類[1]。在工程設計中廣泛采用的是以實驗數據為依據，結合理論分析而得出的半經驗半理論公式方法，API RP 2A針對管節點的強度分析方法正是基于上述方法。隨著API RP 2A從21版(2000)到22版(2014)不斷的增補和修訂[2-5]，規范中關于管節點強度的校核方法改動很大，對管節點強度提出了更為嚴格的要求。為了探討分析API RP 2A 22版(以下稱22版規范)規范對管節點強度校核的影響，以某導管架平臺其中一個管節點為例，研究管節點校核的方法，并具體分析管節點各構造參數對管節點強度的影響。同時，對目前工程實際及理論研究中不同的管節點加強方法進行總結，分析其對管節點強度的影響。

1 管節點強度校核

API RP 2A 22版規范對于管節點的強度校核分為基本承載能力校核和最小承載能力校核[6]，要求兩者同時滿足規范要求。簡單管節點構造示意于圖1。

圖1 簡單管節點構造示意

1.1 基本承載能力校核

基本承載能力校核針對導管架平臺中的所有管節點，要求所有管節點強度校核結果滿足規范要求；API RP 2A 22版規范規定對于簡單管節點，撐桿的軸向荷載容許能力為

(1)

撐桿的彎矩容許能力為

(2)

式中：Fs為安全系數，靜力工況Fs=1.6，地震工況Fs=1.0；Qu為強度系數(與節點類型和幾何構造有關)，參見API RP 2A 22版表格7.2；Qf為弦桿載荷系數,

(3)

其中：A為系數,

(4)

Fyc為弦桿的屈服強度或0.8倍的抗拉強度，取較小值；

除此之外，22版規范針對T/Y和X型管節點，還考慮弦桿加厚段對承載能力的影響，具體修正如下。

Pa=[r+(1-r)(Tn/Tc)2](Pa)c

(5)

式中：(Pa)c按照公式(1)計算；Tn為弦桿的名義厚度；Tc為弦桿的加厚段厚度。

經過上述計算，管節點基本承載能力校核公式為

(6)

1.2 最小承載能力校核

通常，由于失效機制及對周圍結構影響的不確定性，管節點優于支撐之前失效是不可取的。22版規范最新提出了最小弦桿容許能力要滿足50%撐桿有效強度的要求，以提高節點和桿件的相對可靠性來確保平臺的冗余度。

此外，最小承載能力要求，對結構在不可預測荷載如裝船過程中支撐失效、下水或吊裝期間不可預期的環境條件、碰船及墜物等作用下提供了安全保障。

最小承載能力校核如下。

(7)

式中：Pa為撐桿的軸向荷載容許能力，見式(1)。Fa為撐桿的有效強度。撐桿的有效強度為主要承受拉力的撐桿的屈服強度，或者指主要承受壓力的撐桿的極限屈服荷載，極限屈服荷載計算時應該考慮非彈性因素。

當撐桿受拉時，Fa=Fby

當撐桿受壓時,

(8)

值得注意的是，在工程實際中，最小承載能力校核針對主要管節點，設計者可以根據所設計結構的重要程度加以判斷，如某些附屬構件管節點失效不會引起重大的安全及環境影響，如隔水套管導向支撐框架、立管及護管的支撐等節點，該類次要節點可不考慮50%的撐桿有效強度要求。

此外，對于地震工況下的管節點校核，22版規范明確提出，當強度水平地震位于地震區域1(1.0 s地震譜加速度大于0.03g)[7]及更大時，對于不進行冗余度分析的L-2平臺，要考慮100%的撐桿有效強度。

(9)

管節點設計時應該注意，與主腿相連的管節點應進行100%撐桿有效強度校核。

2 管節點強度校核影響因素分析

以秦皇島33-1南某平臺上部組塊結構為例，選取圖2所示管節點進行計算分析。

圖2 管節點結構及局部模型

通過在SACS整體模型中計算不同參數下管節點強度，分析不同管節點參數對管節點校核結果的影響。該管節點各主要參數如下。

弦桿直徑1 829 mm、壁厚40 mm；撐桿直徑914 mm、壁厚38 mm。

弦桿與撐桿夾角37°；

鋼材屈服強度355 MPa。

該管節點在整體模型中，弦桿和撐桿端部荷載見表1。

表1 弦桿和撐桿端部載荷

該管節點的基本承載能力校核UC值為1.805，最小承載能力校核UC值為1.480，均不滿足規范要求。

以下從提高管節點強度的影響因素出發，探討分析不同因素對管節點強度校核的影響。

2.1 弦桿壁厚

采用增加弦桿壁厚的方法，可以有效提高弦桿的強度，見圖3。

圖3 管節點UC值與弦桿壁厚的關系

可以看出，隨著弦桿壁厚增加，該管節點的基本承載能力UC和最小承載能力UC值明顯降低，當弦桿壁厚到達60 mm時，管節點的基本承載能力和最小承載能力均滿足規范要求。由此可見，增加弦桿壁厚對提高管節點強度效果顯著。

2.2 撐桿的直徑與壁厚

從弱化撐桿強度的角度考慮，在保證撐桿的桿件強度滿足規范要求的前提下，可以減少撐桿的壁厚。弦桿尺寸保持不變，通過降低撐桿壁厚來提高管節點強度。管節點UC值與撐桿壁厚的關系見圖4。

圖4 管節點UC值與撐桿壁厚的關系

隨著撐桿壁厚不斷減小，管節點的基本承載能力UC值基本不變，而最小承載能力UC值顯著降低，說明撐桿壁厚對基本承載能力影響不大，但是能顯著影響最小承載能力的校核結果。

另外，增加撐桿的直徑可以有效提高撐桿的彎矩容許能力，從而達到提高管節點強度的目的。弦桿尺寸保持不變，通過增加撐桿直徑來提高管節點強度。管節點UC值與撐桿直徑的關系見圖5。

圖5 管節點UC值與撐桿直徑的關系

隨著撐桿直徑不斷增加，管節點的基本承載能力UC顯著降低，而最小承載能力校核UC也有所降低，說明增加撐桿直徑對管節點強度校核有一定作用，設計中可根據實際情況進行調整。

2.3 措施

1)在設計中考慮在撐桿受力較小部位增加弱截面設計，通過降低撐桿的有效強度來降低管節點校核的UC值。在上述管節點的撐桿中加入長度為1.0 m的914 mm×19 mm弱截面，管節點基本承載能力校核UC值從1.805降到1.732，而最小承載能力校核UC值從1.480降到0.759。

2)對于弦桿內部可設置加強環的管節點，設置加強環可以明顯提高管節點的基本承載能力和最小承載能力[8-9]。設置加強環后的管節點強度校核，可以采用等效壁厚、理論分析或者有限元分析的方法進行計算。弦桿內部設置加強環結構見圖6，該方法在工程實踐中得到了非常廣泛的應用。

圖6 內部加強環型管節點

除上述工程常用方法之外，近年來學者對管節點的其他加強方法也進行了大量研究，包括環口板加強型管節點及套管加強T型管節點、節點形式見圖7和圖8。

圖7 環口板加強型管節點

圖8 套管加強T型管節點

文獻[10] 運用有限元方法對環口板加強的T型圓鋼管節點進行了平面內彎矩作用下的承載力分析，結果表明環口板加強在承載力方面提高的有效性。文獻[11]在理論研究和實驗驗證的基礎上，提出了套管加強T、X型管節點，并得出了套管加強T、X型管節點在軸向力、平面內彎矩和平面外彎矩作用下的極限強度簡易計算公式。針對工程中的特定管節點(如導管架腿部管節點內部設置樁基，無法設置內部加強環)，可以考慮應用上述方法進行分析和驗證，將研究成果與工程實際有效結合起來。

3 結論

1)從提高弦桿強度的角度出發，增加弦桿壁厚對提高管節點強度能起到立竿見影的效果。

2)從弱化撐桿強度的角度考慮，減少撐桿壁厚可有效降低管節點最小承載能力UC值。

3)加大撐桿直徑可以降低管節點基本承載能力UC值。

4)在撐桿中合理設置弱截面，或者在弦桿內部增加加強環，均可以改善管節點強度，而前者對最小承載能力校核更為有效。 除此之外，針對新型管節點加強方法如環口板、套管等外部加強形式，可結合工程實際進行進一步分析與驗證。