導管架海洋平臺整體結構海冰載荷環境下響應分析

邱少華

(南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇 南通 226006)

海洋中蘊藏著豐富的石油、天然氣資源，對其開采關系著國家巨大經濟效益，是國家能源開發的重中之重[1-3]。導管架平臺作為海洋工程裝備的重要組成部分，廣泛應用于海洋資源開發的各個方面[4-7]。導管架平臺主要包括上船體、樁腿、采油裝置等部分[8-9]。其中樁腿是用來支撐平臺主體，使其處于正常工作狀態。與陸地工程結構相比，導管架平臺樁腿長期處于復雜的服役環境中，受到風、浪、流、冰等沖擊載荷的作用，同時由于環境溫度和濕度變化，海洋微生物侵蝕，平臺樁腿結構還會發生腐蝕，這些不利因素都會導致海洋平臺樁腿結構構件和整體抗力的衰減，所以平臺樁腿發生疲勞斷裂的事故時有發生[10-12]。且當前我國擁有大量的在役海洋鉆井平臺，隨著服役年限的增加，其中一些海洋平臺已屬于老齡化結構，有相關分析表明，對于役齡在25年以上的海洋結構，其體系的失效概率高達25%～45%[13]。

自20世紀80年代以來，中國學者研究了海洋平臺結構在海冰災害的預防措施，工程應對策略和機制。但針對海洋平臺上海冰負荷的風險評估及影響因素的分析報告相對較少，基礎研究主要集中在冰力計算方法、結構破壞模式分析、工程結構的冰力抗力，以及疲勞壽命計算等方面[14-15]。且由于不同海上工程結構對海冰災害的分類結果和海冰因素的差異，評估結構性冰災所需的海冰數據也有所不同。因此，我國海洋工程結構科學評估方法、在役平臺維護保養、腐蝕防護等方面落后于一些發達國家，需開展相關的優化評估。如何在更接近于實際工程的情況下，綜合考慮環境載荷和腐蝕對導管架平臺樁腿的影響，對海洋平臺實際服役過程中提出維修保養方案，具有較強的現實意義和指導意義。本文以中國渤海地區常用的導管架平臺為具體研究對象，分析不同工況下海洋平臺不同區域的變形情況，探索結構變形的敏感性因素，分析樁基入泥深度對變形情況的影響。

1 模型建立

模型采用商用有限元軟件ABAQUS建立，建模時，采用shell(殼)、beam(梁)、pipe(管)模型分別對甲板、甲板支撐梁及樁腿進行建模。導管架平臺甲板為30 m×20 m、壁厚0.028 m；支撐梁長20 m、截面為0.4 m×0.4 m；甲板立柱長8 m、直徑0.88 m、壁厚0.038 5 m；水平撐桿長18 m、直徑0.88 m、壁厚0.038 5 m；斜撐桿直徑0.51 m、壁厚0.258 m；樁腿直徑1.205 m、壁厚0.055 m。各部件對應的建模單元見表1，所建模型見圖1。

表1 導管架平臺幾何參數屬性

圖1 三維輪廓模型

模型建立完成后，對樁腿底部施加全約束，并創建重力環境，重力加速度設置為-9.8 m/s2。平臺頂部包含有各種器械設備、建筑及人員，約5 000 t，轉換為重力為5×107N，建模采用質量單元進行等效。

重力環境創建完成后，繼續在模型上施加海冰載荷，模型中海冰載荷簡化等效為水平方向(沿海平面)施加的集中力。通過中國固定平臺計算公式來確定，具體如下。

F=mIeKc(D/Hi)σc

式中：m為形狀系數，對圓柱取0.9；Ie為局部擠壓系數，取2.4；Kc為接觸條件系數，取0.45；根據已知，海冰厚度Hi取1.2 m；D為主導管的直徑，取1.2 m；根據已知，σc為冰的單軸抗壓強度，取980 kPa。

由于本例中D/Hi=1.0，所以Ie取2.5。則計算海冰載荷為F=1 428 840 N。其載荷形式為集中力，方向是沿海平面的水平方向，作用在主導管的樁腿上。

2 結果分析與討論

2.1 導管架平臺整體結構響應分析

圖2為環境載荷作用下靜力學分析結果，通過位移云圖可知，導管架下甲板長端兩側位移較為明顯，約為0.75 m。

圖2 環境載荷作用下位移結果云圖

圖3為不同流速下樁腿的位移圖。由圖3可知，當海平面流速為1.0 m/s時，樁頂的位移為0.21 m；當海平面流速為1.73 m/s時，樁頂的位移為0.58 m；當海平面流速為3.0 m/s時，樁頂的位移為1.92 m；當海平面流速為4.0 m/s時，樁頂的位移為3.60 m；當海平面流速為5.0 m/s時，樁頂的位移為5.03 m。因此可知，海平面流速越大樁腿頂端的位移越大。

圖3 不同海平面流速下樁腿的位移云圖

2.2 不同入泥深度對樁基變形的影響

導管架由于樁腿長度，基本工作在沿海的大陸架淺水區域，海底表層為淤泥。在此條件下設置嵌巖樁不同的入泥深度，見表2。樁基XZ方向位移與轉角的模擬結果見圖4。由圖4可知，當樁基打入海底的深度從-8 m變化到-13 m時，XZ方向位移與轉角逐漸減小；當從-18 m變化到-25 m時，XZ方向位移與轉角基本沒有變化。樁基不同打入深度下的受力分析見圖5。由圖5可見，D3方案的受力情況最為嚴重。隨著樁基打入深度的增加，受力情況也呈先減小后不變的趨勢，與圖3模擬結果相一致。綜合考慮經濟因素與安全因素，在有淤泥地質海域下，樁基打入海底的深度為-8 m時取得最佳效果，即D1方案。

表2 有淤泥地質海域下樁基打入海底深度

圖4 有淤泥地質海域樁體變形樁長敏感性分析

圖5 有淤泥地質海域樁基周圍巖土塑性區分布

3 結論

通過ABAQUS有限元軟件對海洋導管架平臺進行建模，分析其在環境載荷下的響應及不同海流速度下樁腿的位移變化結果，在正常服役工況下，導管架平臺甲板部分易受環境載荷影響，導管架下甲板長端兩側位移較為明顯，產生較大位移，為易產生危險部位。樁腿位移變化受海流速度的影響較大，海平面流速越大，樁腿上部位移越大，尤其當處于某些極端情況下，樁腿上部位移可達5 m左右，在此情況下，導管架平臺應及時停止作業，規避風險。樁基變形受樁腿入泥深度影響較大，樁腿入泥深度8 m為最佳工況方案。