渤海導管架平臺延壽評估及應對措施

藍國陽，孫 浩，秦 江，王子堂，王 燕

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

1 導管架平臺臨近服役年限所面臨的風險

在設計導管架平臺過程中，行業做法一般都是根據規范要求對其在服役期間可能承受的各種惡劣地質條件、水文條件進行分析，并將這些極端的風、波浪、海流和冰載荷組合起來作為平臺承載的依據和參考。但隨著服役年限的增長，導管架平臺還會面臨一些新的風險，主要有以下幾個方面。

①重量變化風險：長期服役的導管架平臺一般都經歷過結構和設備改造，重大結構和設備改造必會導致平臺重量、重量分布及可變荷載等發生相應變化，進而影響平臺結構安全。

②結構缺陷風險：導管架平臺長期在海洋環境中作業，受到海洋環境荷載作用的影響，不可避免地會產生各種腐蝕、變形、裂紋，甚至造成結構破壞，降低了平臺結構承載能力，甚至影響平臺的安全。

③船舶撞擊風險：船舶撞擊也是導管架平臺結構面臨的一個重要風險。船舶撞擊將導致平臺近水線面附近結構出現凹陷變形甚至斷裂，船舶撞擊產生的巨大作用力可能使平臺面臨倒塌的風險。

④海生物風險：海生物對于平臺的影響主要體現在海生物增加波浪、海流對于平臺的作用力，同時增加導管架重量，在嚴重的情況下，海生物對于平臺結構造成的影響可能是決定性的。

⑤基礎沖刷風險：土壤是海洋平臺基礎的保證，如果平臺底部海流的沖刷作用強烈，則極有可能造成海底土壤沖刷嚴重，導致鋼樁嵌固點下移和鋼樁承載能力降低。

⑥上浪風險：由于設計或安裝原因，導致平臺高程不足，在極端環境條件下存在上浪風險。平臺上浪會對平臺產生巨大的作用力，嚴重時可能使平臺面臨倒塌的風險。

綜上所述，對老齡化平臺的結構狀態進行安全評估是非常必要的。目前行業內主要依據相應的安全評估導則和法律、規范進行結構安全評估［1］，主要的評估流程如圖1所示。

圖1 主結構安全評估流程圖Fig.1 Flow chart of main structure safety assessment

2 平臺結構數據收集

目前整個導管架平臺檢測指標數據收集主要包括以下內容：

①外觀檢驗，結構涂層狀況、海生物生長情況和機械損傷；

②基礎沖刷檢驗；

③海生物檢驗；

④超聲波測厚；

⑤陽極檢測及電位測量結果；

⑥對方案確定的節點進行焊縫無損檢測。

3 平臺延壽評估方法

依據評估前搜集的相關數據進行分析、篩選，選取合適的技術參數，對平臺進行設計水平評估。評估分析相關設計準則和安全系數等應基于原始設計采用的規格書，任何損壞、修理、侵蝕或其他結構性能影響因素均應考慮在內。本評估中，所有結構分析工作都使用由Bentley公司開發研制的SACS軟件進行，這是國際上比較先進的得到普遍使用的海工結構分析程序。

3.1 渤海導管架平臺結構靜力分析

渤海導管架平臺結構靜力分析為平臺在位分析最重要的內容，用來校核其在冰載荷、風載荷和波流載荷聯合作用下的結構強度。在位分析按照設計規范［3］要求進行，分為操作工況、極端工況和輕載工況三大類校核。

①操作工況校核：該工況為一年期下最極端的氣候條件下平臺正常作業，同時承受來自8個主方向的一年一遇的風、波和流載荷聯合作用的結構強度校核，按照一年期的天文潮細分為操作高水位和操作低水位，共計16種校核工況。

②操作冰工況校核［4］：由于渤海海域冬季冰情嚴重，所以還特別需要校核冰載荷的影響，即操作冰工況下的結構強度校核。該工況為平臺正常作業情況下承受來自8個主方向的一年一遇的風、流和冰載荷聯合作用的結構強度校核；其中冰載荷按照所處水位作用在導管架主腿和隔水套管上，相應的冰載荷計算詳見渤海海域鋼質固定平臺結構設計規定，同樣按照一年期的天文潮細分為操作高水位和操作低水位，共計16種校核工況。

③極端工況校核：該工況為平臺在百年一遇的極端氣候條件下已停止作業，按照設計規范要求部分作業載荷減半的情況，平臺同時承受來自8個主方向的百年一遇的風、波和流載荷聯合作用下的結構強度校核；同時，按照百年期的極端天文潮細分為極端高水位和極端低水位，共計16種校核工況。

④極端冰工況校核：該工況為平臺在百年一遇的極端氣候條件下已停止作業，按照設計規范要求部分，作業載荷減半的情況下，承受來自8個主方向的一年一遇的風、流和冰載荷聯合作用的結構強度校核；其中冰載荷按照所處水位作用在導管架主腿和隔水套管上，相應的冰載荷計算詳見渤海海域鋼質固定平臺結構設計規定；同時，按照百年期的極端天文潮細分為極端高水位和極端低水位，共計16種校核工況。

⑤極端輕載工況校核：此工況是考慮百年極端氣候條件下平臺是否有發生極端傾覆的風險，考慮將上部組塊的所有設備設施撤離，只保留上部組塊和導管架結構自身存在的情況下，觀察平臺的樁基能否承受極端載荷的影響和是否會發生傾覆。該工況為平臺在百年一遇的極端氣候條件下已停止作業，按照設計規范要求減掉所有作業載荷的情況下承受來自8個主方向的百年一遇的風、波浪和流載荷聯合作用的結構強度校核；同時，按照百年期的極端天文潮細分為極端高水位和極端低水位，共計16種校核工況。

⑥冰輕載工況校核：此工況是考慮百年極端冰厚條件下平臺是否有發生極端傾覆的風險，考慮將上部組塊上的所有設備設施撤離，只保留上部組塊和導管架結構自身存在的情況下，觀察平臺的樁基能否承受極端冰情的影響和是否會發生傾覆。該工況為平臺在百年一遇的極端氣候條件下已停止作業，按照設計規范要求，減掉所有作業載荷的情況下，承受來自8個主方向的百年一遇的風、流和冰載荷聯合作用的結構強度校核；同時，按照百年期的極端天文潮細分為極端高水位和極端低水位，共計16種校核工況。

3.2 渤海導管架平臺結構地震分析

渤海導管架平臺結構地震分析為平臺在位分析重要的一部分，用來校核其在地震力作用下的結構強度。抗地震設計一般遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則，國內地震分析通常采取響應譜法進行設計，用有效地面加速度可以建立一個量化的標準設計譜；至少要進行強度水平和韌性水平2種情況下的結構校核，其中強度水平加速度一般取200年一遇的地震加速度，韌性水平加速度一般取1 000年一遇的地震加速度。由于渤海海域3類地區的地震加速度過大，所以常規的響應譜法韌性水平下結構很難滿足規范要求，此時可采用響應譜法和靜力彈塑性法結合進行地震韌性分析。

3.3 渤海導管架平臺結構疲勞分析

渤海導管架平臺結構疲勞分析主要依據API RP 2A-WSD規范，對于結構管節點的疲勞分析，該規范提供了一種簡化疲勞方法［5］。

4 平臺結構應對措施

依據安全評估規范要求，首先，對渤海導管架平臺進行平臺整體檢測并將檢測數據形成報告文件；其次，將檢測報告中的數據進行分析、篩選，從而將部分結構數據參數在SACS計算中更新，并按照相關設計準則和安全系數等基于原始設計采用的規格書對其重新進行計算分析；最后，根據對應的靜力、地震和疲勞分析結果對平臺采取不同的應對處理措施。

①在設計水平評估下，目標導管架主結構、管節點強度均滿足要求，無需任何處理即可繼續使用。

②在設計水平評估下，目標導管架主結構強度不滿足要求，只能采取報廢處理措施。

③對于在設計水平評估下，目標導管架僅地震韌性水平下主結構強度不滿足要求，此時可以采取極限評估方法，若極限評估下主結構強度滿足要求，則平臺可以繼續使用。

④對于在設計水平評估下，目標導管架主結構強度滿足要求，但管節點強度不滿足要求的，此時仍可進行不帶此管節點弦桿的設計水平評估；若此時主結構強度和剛度仍滿足要求，那么平臺只需進行局部加強處理即可。具體實施方法為先切掉此管節點弦桿對應段，然后換上加厚的管段重新焊接，使之滿足管節點強度要求。