導(dǎo)管架平臺(tái)火炬臂冰激振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析

劉玉璽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

高緯度地區(qū)的海洋油氣資源開發(fā)必須考慮海冰的影響，這是寒區(qū)海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)、建造中需要首先考慮的環(huán)境因素。海冰可能對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物造成多方面的影響，如靜冰力極值引起的強(qiáng)度問題和動(dòng)冰力作用下引起的結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)問題，其中：結(jié)構(gòu)誘發(fā)劇烈、穩(wěn)定的冰激振動(dòng)是結(jié)構(gòu)特征與冰條件相互匹配的結(jié)果。我國(guó)渤海海域的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式和冰情特征具有一定的特殊性，導(dǎo)致渤海的冰激振動(dòng)問題比極區(qū)國(guó)家更為突出。例如：1999年—2000年冬季，渤海錦州20-2中南平臺(tái)因發(fā)生冰激振動(dòng)導(dǎo)致管線斷裂，造成高壓天然氣大量噴出。在國(guó)外，平臺(tái)結(jié)構(gòu)因發(fā)生冰激振動(dòng)最終導(dǎo)致破壞性結(jié)果的事故也是屢見不鮮，例如：1973年波蘭在波茲尼亞灣建造的Kemi-I鋼質(zhì)燈塔，于當(dāng)年冬季在風(fēng)驅(qū)動(dòng)的漂移冰排作用下產(chǎn)生劇烈振動(dòng)而倒塌。基于這些冰災(zāi)害引發(fā)的工程事故，如何對(duì)冰區(qū)導(dǎo)管架平臺(tái)的冰激振動(dòng)[1]情況進(jìn)行分析引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共同關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外科研工作者和工程技術(shù)人員采用不同的方法對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)問題開展了大量研究工作。張偉等[2]通過低溫拖曳冰水池模型試驗(yàn)方法對(duì)渤海某八樁腿大跨度導(dǎo)管架平臺(tái)的冰激振動(dòng)響應(yīng)情況進(jìn)行了研究，校核了動(dòng)冰力作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，并對(duì)不同冰條件下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析與討論。張紀(jì)剛等[3]使用作動(dòng)器模擬動(dòng)冰載荷作用，對(duì)一新型不銹鋼管中管鋼管混凝土組合平臺(tái)開展模型試驗(yàn)，并將模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，得到新型平臺(tái)有更強(qiáng)的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)性。更多的學(xué)者通過理論分析和數(shù)值模擬的手段對(duì)冰激振動(dòng)問題的現(xiàn)象和機(jī)理進(jìn)行了大量研究。梁瑞等[4]使用ANSYS有限元軟件對(duì)某六腿導(dǎo)管架平臺(tái)的冰激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行模擬分析，討論了冰力遮蔽效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。趙玉良等[5]同樣利用ANSYS有限元軟件對(duì)渤海某導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行了冰激振動(dòng)分析，主要考慮海冰撞擊作用下結(jié)構(gòu)的冰振響應(yīng)情況，并討論了不同冰厚、冰速等冰參數(shù)變化時(shí)導(dǎo)管架響應(yīng)的變化規(guī)律。吳奇兵等[6]使用ABAQUS有限元軟件對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的冰激振動(dòng)特征進(jìn)行了模擬分析，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)基頻與冰力頻率相近時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的共振現(xiàn)象，進(jìn)而提出了改善冰激振動(dòng)問題的幾項(xiàng)抗冰措施。除了針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，一些學(xué)者還對(duì)如海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)等構(gòu)造物進(jìn)行了研究。張大勇等[7]針對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)這一柔性結(jié)構(gòu)在海冰作用下的情況進(jìn)行研究，分別從靜冰力極值和動(dòng)冰載荷的角度進(jìn)行分析，結(jié)合多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)渤海某典型風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗冰性能進(jìn)行了評(píng)估。

通過對(duì)已有研究工作的整理和分析可知，目前對(duì)冰區(qū)海洋平臺(tái)冰激振動(dòng)問題的研究中，仍主要以平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)為對(duì)象，對(duì)平臺(tái)火炬臂等子結(jié)構(gòu)在動(dòng)冰力作用下產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)的研究工作仍較為匱乏。海洋平臺(tái)火炬臂屬于上部組塊的附屬結(jié)構(gòu)，主要由鋼制圓管組成，是平臺(tái)火炬系統(tǒng)的組成部分之一。火炬臂主要為火炬系統(tǒng)的其他組成部分提供支撐，一般屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)[8-9]。本文以錦州9-3區(qū)域中心平臺(tái)上的火炬臂子結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分析火炬臂的冰激振動(dòng)現(xiàn)象，從而探究其振動(dòng)響應(yīng)與主平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系。

1 計(jì)算原理

對(duì)于本文所研究的導(dǎo)管架平臺(tái)火炬臂結(jié)構(gòu)，其與平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中典型的主從系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)相互影響。因此，為避免在進(jìn)行主結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)，出現(xiàn)從屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響主結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征的現(xiàn)象，本文在研究中將對(duì)火炬臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立的動(dòng)力分析計(jì)算。由此可知，計(jì)算中的關(guān)鍵性技術(shù)原理在于把握火炬臂子結(jié)構(gòu)相對(duì)于導(dǎo)管架平臺(tái)主結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的繼承關(guān)系[10-12]。

為準(zhǔn)確把握子結(jié)構(gòu)對(duì)主結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的繼承關(guān)系，關(guān)鍵在于：

(1)在主結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析中采用恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑴?zhǔn)確獲取子結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)連接位置的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程。

(2)在動(dòng)力響應(yīng)分析中，對(duì)局部關(guān)鍵位置動(dòng)力響應(yīng)的準(zhǔn)確把握主要取決于兩方面因素：局部剛度矩陣和局部質(zhì)量矩陣的準(zhǔn)確建立。

在分析過程中，通過構(gòu)建有限元模型對(duì)火炬臂與中心平臺(tái)上部模塊間的連接構(gòu)件及火炬臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量均進(jìn)行了準(zhǔn)確模擬，見圖1。由圖可見，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中火炬臂與中心平臺(tái)上部模塊的兩層甲板形成了連接，在有限元模型中完整模擬了火炬臂與這兩層甲板連接的一系列構(gòu)件。同時(shí)，為了在平臺(tái)整體模型中考慮火炬臂結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，將火炬臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量附加在模型的上述連接構(gòu)件所組成的局部框架上。

這樣，在進(jìn)行中心平臺(tái)的整體冰激振動(dòng)分析計(jì)算中，就可以準(zhǔn)確提取與每種海冰作用工況相對(duì)應(yīng)的火炬臂連接點(diǎn)上的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程，而這些動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程正是本文對(duì)火炬臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)的外部激勵(lì)輸入條件。

根據(jù)原型結(jié)構(gòu)中火炬臂的結(jié)構(gòu)型式建立有限元模型。在原型結(jié)構(gòu)中，火炬臂通過4根弦桿分別與中心平臺(tái)上甲板(高程+29 m)和中層甲板(高程+21 m)相連。4根弦桿逐漸收攏并合并為3根弦桿，構(gòu)成火炬臂結(jié)構(gòu)框架。火炬臂結(jié)構(gòu)的阻尼比為5%。為準(zhǔn)確掌握火炬臂結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征，首先對(duì)火炬臂模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過計(jì)算得到結(jié)構(gòu)前3階自振頻率，見表1。通過與原型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征進(jìn)行對(duì)比，可知該火炬臂模型的模態(tài)分析結(jié)果是合理的。前3階振型見圖2～圖4。

表1 中心平臺(tái)火炬臂模型前3階自振頻率

圖4 中心平臺(tái)火炬臂3階振型

2 計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 激勵(lì)輸入

火炬臂振動(dòng)是在平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)的帶動(dòng)下產(chǎn)生的，因此本文對(duì)火炬臂模型的分析是以導(dǎo)管架平臺(tái)的整體動(dòng)力計(jì)算為基礎(chǔ)的。計(jì)算結(jié)果表明：在最高天文潮水位，冰厚49.2 cm、冰速1.4 m/s(即百年遇冰厚和極端冰速)、冰向SSW工況下，平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)達(dá)到最大值。在火炬臂動(dòng)力分析中即以該工況為例，對(duì)火炬臂的激勵(lì)輸入條件進(jìn)行介紹。

如上所述，火炬臂的激勵(lì)輸入項(xiàng)是通過提取平臺(tái)整體計(jì)算輸入點(diǎn)上的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果實(shí)現(xiàn)的。本文僅給出4個(gè)振動(dòng)輸入點(diǎn)的其中一個(gè)，該點(diǎn)為火炬臂與中心平臺(tái)高程+29 m甲板靠西側(cè)連接點(diǎn)。提取該輸入點(diǎn)X、Y、Z3個(gè)方向的位移響應(yīng)時(shí)程，其結(jié)果見圖5～圖7。其他連接點(diǎn)的輸入激勵(lì)按此種方法提取即可。進(jìn)而可以進(jìn)行火炬臂結(jié)構(gòu)相應(yīng)工況的動(dòng)力計(jì)算。

圖5 火炬臂振動(dòng)輸入點(diǎn)：X向位移時(shí)程

圖6 火炬臂振動(dòng)輸入點(diǎn)：Y向位移時(shí)程

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

本文首先對(duì)平臺(tái)極端工況進(jìn)行分析，即最高天文潮水位下冰厚49.2 cm、冰速1.4 m/s(即百年遇冰厚和極端冰速)、冰向SSW工況。經(jīng)過計(jì)算，圖8～圖13為火炬臂在該工況下沿X、Y、Z3個(gè)方向的位移和加速度響應(yīng)，以及中心平臺(tái)高程+29 m甲板上的動(dòng)力響應(yīng)，其中：甲板響應(yīng)結(jié)果源自平臺(tái)整體冰激振動(dòng)分析，火炬臂響應(yīng)由其頂端節(jié)點(diǎn)結(jié)果描述。

圖7 火炬臂振動(dòng)輸入點(diǎn)：Z向位移時(shí)程

圖8 沿X方向的位移響應(yīng)

圖9 沿Y方向的位移響應(yīng)

圖10 沿Z方向的位移響應(yīng)

通過上面對(duì)極端冰況下火炬臂與平臺(tái)甲板響應(yīng)的對(duì)比可以看到，火炬臂在吸收了平臺(tái)甲板傳遞過來的振動(dòng)能量后，已將其轉(zhuǎn)化為自身特有的振動(dòng)形態(tài)。具體表現(xiàn)為：

(1)X向：振動(dòng)形態(tài)基本與平臺(tái)甲板保持一致，位移響應(yīng)水平較平臺(tái)甲板放大了2.5倍。

(2)Y向：振動(dòng)形態(tài)與平臺(tái)甲板類似，但呈現(xiàn)出大比例的高頻成分，位移響應(yīng)水平較平臺(tái)甲板放大了1.5倍。

(3)Z向：振動(dòng)形態(tài)與平臺(tái)甲板完全不同。甲板在該向的振動(dòng)水平十分微弱，但火炬臂已將其轉(zhuǎn)化為自身的1階模態(tài)共振，振動(dòng)水平較平臺(tái)甲板放大了近100倍。

圖11 沿X方向的加速度響應(yīng)

圖12 沿Y方向的加速度響應(yīng)

圖13 沿Z方向的加速度響應(yīng)

由上述分析可知，火炬臂在相同冰條件下體現(xiàn)出與平臺(tái)結(jié)構(gòu)完全不同的振動(dòng)響應(yīng)特征。上述分析是在極端冰況下進(jìn)行的，此時(shí)冰力中包含很大比例的高頻激勵(lì)成分[13-14]。查閱之前模態(tài)計(jì)算結(jié)果可知，火炬臂的前3階固有頻率均高出中心平臺(tái)整體固有頻率數(shù)倍，因此形成了火炬臂對(duì)高頻振動(dòng)能量集中吸收的響應(yīng)模式。

隨后對(duì)低冰速條件下的冰激振動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比分析，分別提取該工況下火炬臂和中心平臺(tái)高程+29 m甲板上的響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，本文只列出Z向響應(yīng)結(jié)果見圖14、圖15。低冰速條件下，火炬臂在吸收了平臺(tái)甲板傳遞過來的低頻振動(dòng)能量后，將其轉(zhuǎn)化為另一種特有的振動(dòng)形態(tài)。具體表現(xiàn)為：

(1)X向：振動(dòng)形態(tài)與平臺(tái)甲板保持幾乎相反的相位，同時(shí)呈現(xiàn)出大比例的高頻成分，位移響應(yīng)水平較平臺(tái)甲板放大了近7倍。

(2)Y向：低頻振動(dòng)形態(tài)與平臺(tái)甲板類似，但較之甲板呈現(xiàn)出更大比例的高頻成分，位移響應(yīng)水平較平臺(tái)甲板放大了近2倍。

(3)Z向：振動(dòng)形態(tài)與平臺(tái)甲板完全不同。甲板在該向的振動(dòng)水平十分微弱，但火炬臂已將其轉(zhuǎn)化為類似于自身1階振型的衰減振動(dòng)形態(tài)，位移響應(yīng)水平較平臺(tái)甲板放大了近100倍。

由此可見，即便在低冰速下，火炬臂在繼承了平臺(tái)較為穩(wěn)定的振動(dòng)特征后，也將演化為以垂向振蕩為主的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

圖14 低冰速下中心平臺(tái)火炬臂和

圖15 低冰速下中心平臺(tái)火炬臂和

鑒于以上分析可知，火炬臂Z向運(yùn)動(dòng)與X、Y向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有明顯不同，且其在垂向(Z向)的振動(dòng)響應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)此，為了更詳細(xì)地研究Z向冰激振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，對(duì)冰向西南偏南方向(SSW)工況下火炬臂Z向響應(yīng)隨冰速與冰厚的變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖16～圖18所示的三維分布圖。

由前面數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，中心平臺(tái)在動(dòng)冰力作用下的響應(yīng)規(guī)律主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)最高天文潮水位

低冰速下：振動(dòng)水平較低的超諧波共振；

中冰速下：振動(dòng)水平較高的超諧波共振；

高冰速下：振動(dòng)水平較低的次諧波共振。

圖17 火炬臂在平均水位工況下Z向加速度波動(dòng)范圍隨冰速變化情況

圖18 火炬臂在最低天文潮水位工況下Z向加速度波動(dòng)范圍隨冰速變化情況

(2)平均水位

低冰速下：準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)；

中冰速下：開始進(jìn)入非線性共振區(qū)；

高冰速下：振動(dòng)水平隨冰速逐漸增長(zhǎng)的非線性共振。

(3)最低天文潮水位

低冰速下：振動(dòng)水平較高的超諧波共振；

中冰速下：非線性共振區(qū)向隨機(jī)波動(dòng)區(qū)的過渡；

高冰速下：振動(dòng)水平較低的隨機(jī)響應(yīng)。

觀察圖16～圖18可知，上述規(guī)律可同樣在火炬臂的振動(dòng)響應(yīng)中得到集中體現(xiàn)。由此可見，火炬臂的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)于平臺(tái)主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)具備重要的“繼承”特征，這也同時(shí)驗(yàn)證了火炬臂冰激振動(dòng)計(jì)算分析結(jié)果的合理性。

3 結(jié)論

本文為渤海淺水重冰區(qū)平臺(tái)的火炬臂冰激振動(dòng)分析提供了一種數(shù)值模擬方法，通過對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)和火炬臂結(jié)構(gòu)的有限元分析可以得到以下結(jié)論：

(1) 主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)拆分建立力學(xué)模型經(jīng)過檢驗(yàn)是可行的方法，為以后此類問題的解決提供了參考與借鑒。

(2) 計(jì)算結(jié)果顯示，渤海淺水重冰區(qū)平臺(tái)火炬臂的冰激振動(dòng)相對(duì)于主結(jié)構(gòu)有一定的放大，且垂直方向上的變化相對(duì)其他兩個(gè)方向更為顯著。

(3) 對(duì)極端工況分析可以發(fā)現(xiàn)，火炬臂的運(yùn)動(dòng)與平臺(tái)主結(jié)構(gòu)的受力特性有著密切的關(guān)系。不同冰速下有著不同的破壞特性，對(duì)火炬臂結(jié)構(gòu)有著不同的影響。

(4) 通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的詳細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，子結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)主結(jié)構(gòu)有著良好的“繼承”關(guān)系，在結(jié)果中得到了很好的驗(yàn)證。