某海洋导管架平台受损构件剩余强度优化

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(1.武汉理工大学 交通学院,武汉 430063； 2.深圳市润渤船舶与石油技术服务有限公司,广东 深圳 518067)

钢质导管架平台在复杂的海洋环境中工作，除了受到正常的工作荷载外，还要受到海风、波浪、海流和海冰等环境荷载的作用[1]。同时还可能发生意外事故，如供应船与平台结构的碰撞，平台上部模块落下的重物等。碰撞经常使平台结构构件发生整体弯曲和局部凹陷变形，承载能力降低，影响构件的安全，由于海上受损构件的修理比较困难，而且费用较高，对海洋平台结构受损构件剩余强度进行评估，是提出合理可行的修理加固方案的前提条件。在研究海洋导管架平台结构碰撞文献中，大多是从动力学和准静态角度研究平台碰撞过程。本文主要从工程意义角度出发，以某海洋导管架平台在安装时某构件受损为例，对受损构件进行剩余强度评估，并采用有限元方法研究受损构件的截面缩减公式。

1 受损平台概述

该平台是一座4腿12裙桩深水导管架钢质平台，设计水深为101 m。在导管架平台完成组块吊装后，对导管架水下杆件进行检查时，发现该导管架EL(-)32 m水平层一根构件发生局部凹陷变形。该损伤降低了导管架的安全系数，需根据实际情况对损伤情况进行评估，为平台结构进行整体分析和提出合理修复方案提供依据。

2 杆件损伤情况描述

受损构件的位置位于导管架EL(-)32 m水平层，是一根直径914 mm，壁原19 mm的水平圆管，长度18.3 m(见图1)。其材料的屈服强度415 MPa。局部凹陷变形的深度150 mm，宽度400 mm，长度1 200 mm，位于构件中部。

图1 EL(-)32.00 m水平层结构布置

3 受损构件剩余强度评估

为评估受损构件剩余强度以及对平台整体强度的影响，采用原详细设计的SACS模型和载荷条件等，对平台结构进行弹性范围内的静力分析。根据杆件的受损情况，强度评估的假设条件如下。①受损构件与其它相邻杆件连接焊缝完好；②受损构件变形部分不考虑产生裂纹；③受损构件的整体变形按75 mm考虑。

3.1 受损构件截面缩减

API RP 2A中[2]没有对受损构件截面折算的推荐做法，目前导管架平台整体分析的SACS软件引用了EN ISO 19902[3]等做法来评估受损杆件。ISO和大量支持文献对截面的凹陷程度要求为h≤0.3D且h≤10t。此受损杆件的h/t=7.9<10，在ISO推荐公式的范围内。受损构件截面积缩减公式如下。

Ad=ξcA

(1)

Id=ξmIo

(2)

ξc=e-0.08h/t

(3)

ξm=e-0.06h/t

(4)

式中：h——凹陷的最大深度；

t——圆管壁厚；

Ad——受损截面的有效面积；

A——未受损截面面积；

ξc——截面面积缩减系数；

Id——受损截面有效惯性矩；

Io——未受损截面惯性矩；

ξm——惯性矩缩减系数。

按照上述公式对凹陷截面积和惯性矩进行折算。受损截面有效面积Ad=283.9 cm2；受损截面有效惯性矩Id=333 072.1 cm4。

3.2 评估结果及分析

在导管架平台SACS模型中输入修正后受损构件的截面特性(见图2)和屈服强度进行平台整体强度核算，核算采用的载荷与详细设计一致。

图2 受损导管架平台SACS实体模型

1)未受损时，在极端情况下(即百年一遇工况)，按415 MPa校核，该杆件应力比为0.33；承受的最大轴向力为3 948.7 kN。

2)受损后，按415 MPa屈服强度校核，极端情况下最大应力比值为0.51。承受的最大轴向力为3 891.8 kN。

由上述结果可知，该构件受损后最大应力比值增大了0.18，轴向承载力降低了56.9 kN。该构件受损后的最大应力比值小于1.0，仍满足API规范要求。整个平台强度仍能满足作业要求，但需要对受损构件进行修复。

4 有限元方法求截面缩减公式

4.1 有限元模型

受损构件是长度为18 300 mm的圆管，其直径914 mm、壁厚19 mm。用板单元对圆管进行模拟，采用大量四边形单元，过渡处采用少量三角形单元。网格划分时，圆管环向划分为28等分，纵向为100 mm等分。将凹陷变形简化为椭圆进行模型，凹陷位置假定在圆管中部。凹陷变形处单元细化为30 mm×30 mm的四边形单元。图3所示为凹陷深度为150 mm时有限元模型。建立一组不同凹陷深度的圆管模型，凹陷深度分别取为0、30、60、90、120、150、180 mm。

图3 凹陷深度为150 mm的圆管有限元模型与载荷

4.2 载荷及边界条件

从SACS结果文件中，提取出该构件应力比值最大时两端节点的位移值，作为强迫位移通过MPC(多点约束)加载到圆管有限元模型的两端。

4.3 分析结果

(5)

(6)

图4 截面面积缩减曲线回归与修正

凹陷深度/(h·mm-1)截面面积缩减系数缩减后截面面积/mm2折算后内径/mm折算后惯性矩I/cm4ξdm=Ii/I101.00 53 395.7 876.0 534 882.1 1.00 30 0.8746 689.5 880.9 470 196.6 0.88 60 0.76 40 825.5 885.1 413 048.4 0.77 90 0.67 35 698.0 888.8 362 629.0 0.68 120 0.58 312 14.6 892.0 318 198.9 0.59 150 0.51 27 294.2 894.8 279 086.7 0.52 180 0.4523 866.2 897.2244 686.2 0.46

图5 截面惯性矩缩减曲线

将所得式(5)和(6)与ISO推荐式(3)和(4)分别比较可知(见图4和图5)，当h/t比值相同时，式(5)和(6)算得的系数比式(3)和(4)小。

4.4 受损构件再评估

将折算后截面数据输入SACS模型中，计算得：按415 MPa屈服强度校核，极端情况下最大应力比值为0.51。承受最大轴向力为3 891.8 kN。

受损构件的应力比小于1.0，仍满足API规范要求。

与ISO标准推荐公式计算结果很相近，应力比大0.01，轴向承载力降低了4.4 kN。

5 结论

1)按照ISO推荐公式对受损构件截面进行缩减，利用SACS软件计算可知，按415 MPa屈服强度校核，极端情况下最大应力比值为0.51。承受的最大轴向力为3 891.8 kN。该构件剩余强度仍满足API规范要求，不影响平台作业，但需要对受损构件进行修复。

3)采用有限元计算得出的截面缩减公式对受损构件截面进行折算，按屈服强度415 MPa校核，该受损构件在极端情况下最大应力比值为0.51，承受的最大轴向力为3 891.8 kN。与结论1)结果相似。

本文从工程意义和静力学角度出发，分析了某导管架平台受损构件的剩余强度，未考虑受损构件发生碰撞时的动力响应过程及圆管的初始几何缺陷和残余应力。采用有限元软件分析截面缩减公式时，将凹陷形状简化为椭圆形；只分析了凹陷深度的变化与截面缩减公式的关系，未对凹陷长度及宽度的变化与截面缩减的关系进行分析。

[1] 金伟良，龚顺风，宋 剑.大型船舶碰撞引起的海洋导管架平台结构损伤分析[J].海洋工程，2003，21(2):20-25.

[2] American Petroleum Institute. API recommended practice 2A-WSD(RP2A-WSD)[S].Twenty-First Edition,2000.

[3] American Petroleum and natural gas industries—Fixed steel offshore structures(BS EN ISO19902)[S].2007.