极端波浪载荷下导管架平台抗倒塌性能评估

朱本瑞,陈国明,林 红,黄 超,刘 康

(中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580)

极端波浪载荷下导管架平台抗倒塌性能评估

朱本瑞,陈国明,林 红,黄 超,刘 康

(中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580)

提出载荷序列增量分析(LSIA)方法,对极端波浪载荷下导管架平台结构极限状态进行分析。LSIA能够考虑不同波高及可能的甲板上浪载荷对平台侧向载荷分布的影响,“追踪”平台在不同载荷重现期作用下的真实响应,从而克服当前Pushover的缺点。基于LSIA等效承载能力曲线,提出倒塌重现期NCP,使得平台抗倒塌能力评估指标具体化。以K型和X型两种不同结构形式的导管架平台为例,采用LSIA方法对其进行抗倒塌性能评估,并与Pushover进行分析对比。结果表明,LSIA具有更高的评估精度,能够确定平台结构真实的倒塌状态与失效模式。

极端波浪;导管架平台;LSIA;评估指标;极限承载能力;失效模式

台风引起的极端波浪载荷是海洋平台倒塌破坏的主要原因,2002—2005年台风Lili、Ivan、Katrina和Rita相继摧毁的122座导管架平台中,大部分是由极端波浪引起的过载造成的[1]。GEORGE[2]认为北海平台倒塌失效与上浪载荷直接相关。目前,导管架平台设计规范通常不考虑上浪导致的极大作用力,而是通过规定最小甲板高程避免上浪现象的发生,这种采用“最小甲板气隙”的作法,对于某些沉降严重油田(如北海的Ekofisk油田沉降达到8 m,并以每年7～14 cm的速度下沉[3]),显然不能够为其全寿命周期的安全服役提供有效保障。静力推覆分析(Pushover)是确定结构极限状态及倒塌行为的有效方法[4-5]。针对导管架平台而言,该方法是对结构施加100年一遇的环境载荷,并将其逐级进行放大,直至结构发生倒塌,然后采用储备强度系数(RSR)来衡量平台结构的抗力水平。目前,API、ISO以及DNV规范普遍推荐使用该方法[6-8],然而该方法存在以下不足:(1)造成平台倒塌的环境载荷较大,其概率往往远小于1/100,因此基于100年一遇环境载荷进行放大并不能够真实反映平台倒塌时受到的侧向载荷分布;(2)平台结构倒塌失效时的波冠高度有可能大于甲板设计高程,而Pushover没有考虑上浪载荷因素;(3)Pushover得到的极限承载能力曲线无法反映不同波高载荷作用下平台结构的响应,因而对平台结构的安全评估提供的信息不足[9]。为此,笔者提出载荷序列增量分析(LSIA)方法,以克服当前Pushover方法的缺点。LSIA能够充分考虑平台侧向载荷分布的变化及甲板上浪载荷因素,且其确定的评估指标更加直接化、具体化。

1 LSIA方法分析原理

1.1 分析步骤

与Pushover方法不同,LSIA以不同重现期的环境载荷作为渐进加载序列来进行极限承载能力分析,其原理如图1所示。记N={N1,N2,…,Nn},Ni为第i个载荷序列对应的重现期,其载荷参数可表示为{Vw,H,T,D,Vuc}i,Vw、H、T、D、Vuc分别为重现期Ni时的风速、波高、周期、水深和流速。由此,对平台在每种重现期Ni对应的载荷作用下分别进行一次静力非线性分析,从而得到平台结构基底剪力与位移(或倾覆力矩与转角)的关系。显然,当载荷重现期N较小时,结构响应为线弹性,如图1(a)、 (b)所示;当N足够大时,结构进入非线性响应阶段,如图1(c)、(d)所示;这样,逐渐增大环境载荷重现期N,最终将得到一种载荷使得平台结构处于临界倒塌状态,记其载荷重现期为NCP,微量增加NCP将使得结构位移瞬间增大,平台发生倒塌破坏,记此时结构响应曲线为倒塌承载能力曲线(collapse bearing capacity curve,CBCC),如图1(e)所示;进一步将平台倒塌前每个Ni计算得到的基底剪力与位移绘于同一坐标系中,即得到LSIA方法的等效承载能力曲线(equivalent bearing capacity curve,EBCC),如图1(f)所示。

显然,相对于Pushover,LSIA方法不仅能够确定平台结构倒塌极限状态,而且可以综合反映平台在不同重现期载荷作用下的结构响应信息,从而为服役海洋平台全尺度载荷强度下的安全评估提供数据支持。由于LSIA方法是基于特定场址载荷要素的概率分布来确定加载序列,所以能够考虑风、浪、流各种载荷因素的相关性,使得平台受到的侧向载荷分布与真实海洋环境相一致,从而避免了当前Pushover方法采用“单一”强度载荷进行“盲目”放大的弊端。

图1 LSIA原理示意图Fig.1 Sketch map of load sequence incremental analysis principle

1.2 评估指标

基于Pushover方法确定的极限承载能力曲线(UBCC)可以细分为“线弹性响应”、“弹塑性响应”和“倒塌响应”3个阶段,如图2所示。由图2可知, 3个阶段分别由设计环境载荷Rd、构件开始屈服载荷Ry以及极限载荷Ru三个评估点确定。由此,定义储备强度系数RSR=Ru/Rd以评估结构整体抗力水平,延性系数γ=su/sy以表征结构的塑性变形能力,以及“倒塌响应”阶段曲线变化趋势表征结构的倒塌性态,文献[5]认为平台达到极限状态后其承载能力迅速下降时为脆性倒塌,缓慢降低则为延性倒塌,如图2中曲线①和②所示。

图2 极限承载能力曲线Fig.2 Ultimate bearing capacity curve

LSIA继承了当前Pushover方法的优点,并赋予了承载能力曲线新的物理意义,即载荷重现期。参照FEMA350[10]抗震性能评估思想,采用LSIA方法时,将上述3个评估点重新定义为正常使用(normal operation)、可以使用(immediate operation)和预防倒塌(collapse prevention),对应的载荷重现期分别记为NNO、NIO和NCP。由此,当环境载荷重现期N＜NNO时,平台结构能够正常使用;当NNO＜N＜NIO时,平台结构运行风险较低,可以使用;当平台遭遇的环境载荷重现期NIO＜N＜NCP时,则应发布预警信息,拟定应急方案,以防止结构发生倒塌带来的经济损失或人员伤亡;而当监测的环境载荷重现期N＞NCP时,平台结构将不足以抵抗外界载荷而发生倒塌破坏,此时应对平台采取必要的风险控制措施,以降低其失效的后果,如减少平台质量、关闭井口、人员撤离等。由此,将承载能力曲线划分为蓝、黄、橙、红4级“服役状态”监测窗口,可为台风多发海域的平台结构完整性管理、风险预警以及安全决策提供一定参考。

此外,倒塌重现期NCP与载荷参数直接相关,即可以确定对应的倒塌波高HCP或倒塌风速VWCP等,从而使得衡量平台结构极限承载能力的参数更加具体化、形象化和直观化,更利于结构工程师的理解与应用。另一方面,基于该方法确定的NCP可用于平台结构可靠性分析中,近似估算平台结构倒塌失效的概率,即Pf=P{N＞NCP}。

2 环境载荷计算

采用LSIA进行极端波浪载荷下平台抗倒塌性能评估时,需要额外考虑两方面的计算:一是计算不同重现期对应的环境参数,以确定加载序列环境载荷值;二是当波高大于平台甲板高程时,应考虑甲板上浪载荷引起的抨击载荷,即须确定上浪载荷计算方法。

2.1 环境参数极值

极端波浪载荷往往是由台风或超强台风引起的一种发生频率相对较高的极值载荷,可采用三参数Weibull极值分布对极端环境载荷要素进行推算[11],于是有

由此,计算得到环境载荷参数极值xp为

式中,参数α、μ和ξ分别为尺度参数、位置参数和形状参数,可根据极大似然估计法利用MS EXCEL“规划求解”功能计算得到[12]。

2.2 甲板上浪载荷

迄今为止,甲板上浪载荷的计算尚没有被普遍认可的方法。现有的方法大致可分为侧面轮廓法和细节构件法两大类。侧面轮廓法是根据有效甲板湿水面积及水质点压力,采用拖曳力公式或动量公式进行计算;细节构件方法则分别计算作用于甲板每根杆件上的波浪载荷,通过屏蔽系数考虑结构构件之间的交互作用,然后进行叠加得到总载荷。鉴于后者需要建立所有杆件与设备模型,对计算机及软件要求高,故本文选用侧面轮廓法,其主要模型包括:API模型、DNV拍击力模型、SHELL模型和MSL模型等,各种模型的详细讨论可参考文献[13-14],采用API模型[6]计算甲板上浪时,有

式中,Fwd为甲板上浪载荷,N;ρ为海水密度,kg/m3; Cd为拖曳力系数;Vx为甲板淹湿顶部处水质点水平速度,m/s;Vuc为与波浪运动同向的流速,m/s;awkf为波浪运动系数,台风时取0.88;acbf为导管架的海流阻挡系数;A为甲板淹湿轮廓在波浪方向的投影面积,m2;Hwd为甲板上浪高度,m;B为甲板宽度,m。

计算甲板上浪关键在于确定甲板淹湿位置处的波面高度及水质点水平速度,可根据Stokes 5th波理论建立的色散关系方程组采用牛顿法编程求解出波长L和系数λ,然后代入波面公式和速度公式计算得到[15]。

3 算例分析

3.1 有限元模型及环境载荷

以两种不同结构形式的导管架平台作为算例,应用LSIA方法对其抗倒塌性能进行评估,两平台分别记为“K平台”和“X平台”,如图3所示。K平台的导管架由7层构成,4根桩管成双斜对称结构, ROWA和ROWB斜撑为K型布置;上部组块为3层,宽25 m,长45 m,质量为6.033 kt(包括设备质量);底层甲板高程为15 m;设计水深107 m;X平台如图3(b)所示,ROWA和ROWB斜撑为倒K型与K型交叉布置组成的X型结构,其余参数与K平台相同。

图3 海洋平台有限元模型Fig.3 Finite element model of platforms

考虑到分析涉及结构非线性倒塌阶段力学行为研究,建模时应充分考虑模拟单元的力学特性及材料非线性。选用3D弹塑性单元PIPE288建立平台导管架部分,材料选取双线性随动强化模型。PIPE288能够通过OCEAN模块自动模拟计算波浪载荷,从而大大降低了波浪载荷下导管架平台结构力学分析的计算工作量。

将上部组块结构进行简化,并采用线弹性单元PIPE16进行模拟;组块质量平均分布在顶部4个节点上,采用MASS21单元模拟;忽略桩-土非线性相互作用,导管架底部采用固支约束,即在泥面处约束4条桩腿的所有自由度。

对中国科学院南海海洋研究所1948—2008年间的环境载荷资料进行统计分析,由极大似然估计法得到不同环境要素的Weibull分布参数估计值,见表1。

表1 环境载荷Weibull参数估计Table 1 Weibull parameters estimate of environmental loads

由表1中估计参数,带入式(2),可计算得到该海域不同重现期对应的风速、波高、周期及流速的极值,见表2,其中Hmax=1.721Hs,Tmax=1.27Tz,其推导过程详见文献[16]。表2中的上浪载荷由式(3)计算得到,其中系数Cd取2.5,acbf取0.8,B为45 m。

表2 环境载荷参数及上浪载荷部分数据Table 2 Partial environmental load parameters and wave-in-deck loads

由表2可知,平台100年一遇设计环境参数为:波高22.4 m,周期14.1 s、表层流速2.355 m/s,最大风速44.2 m/s,从而计算得平台正面(0°)最大波流载荷为15.2518 MN(对应最大相位角为32°),风载为1.8083 MN。此外,应注意到当载荷重现期为2000 a时,平台开始出现甲板上浪载荷;当重现期为5.8×105a时,上浪高度为4.6 m,上浪载荷为34.716 MN,达到了设计环境载荷的2倍左右,可见上浪载荷作用力之大。

3.2 极限承载能力与性能评估

采用当前Pushover和LSIA方法对K平台与X平台进行推覆分析,分别得到两座平台的极限承载能力曲线UBCC和倒塌承载能力曲线CBCC如图4所示。

图4 当前Pushover与LSIA方法分析结果对比Fig.4 Result comparison of current Pushover and LSIA

由图4可知:采用当前Pushover方法时,K平台与X平台均具有较高的强度储备,RSR分别为4.87和5.50;但其延性性能差别较大,延性系数γ分别为1.60和3.88;从倒塌阶段的响应分析可知,平台X极限承载能力下降缓慢,倒塌模式表现为延性倒塌,而K平台则表现脆性倒塌。由此可知,X平台在极限承载能力、延性能力以及倒塌模式方面均表现为优良的力学特性,说明平台空间拓扑结构合理,具有较好的载荷传递路径及冗余性能。相对而言, K平台在抵抗外界环境载荷,特别是载荷超过其极限承载能力时表现为脆弱性,不利于结构在强台风或超强台风下“生存”。

对比Pushover极限承载能力曲线UBCC与LSIA倒塌承载能力曲线CBCC可知,用两种方法得到的K平台承载能力曲线变化规律不同,显然, Pushover过高地评估了K平台的极限承载能力;而X平台两曲线变化趋势一致,平台在达到极限承载能力后,承载能力均缓慢下降,表现为良好的延性性能。

根据LISA原理,作出两座平台的等效承载能力曲线EBCC如图5所示。由图5可知,平台结构在弹性响应阶段,当发生上浪载荷时,等效承载能力曲线出现拐点,说明上浪载荷对平台载荷分布及结构响应影响较大,进一步确定两座平台的性能评估参数见表3。

由表3可知,K平台与X平台倒塌重现期NCP分别为3.9×105a和5.8×105a,此时对应的环境载荷参数:倒塌波高HCP分别为32.9和33.3 m,风速VWCP分别为64.5和65.2 m/s,因此若平台遭遇的超强台风强度大于该倒塌环境载荷时,平台极有可能发生倒塌破坏。相对当前Pushover分析结果,LSIA得到的K平台和X平台极限承载能力分别为75.163 7和78.802 4 MN,RSR分别降低9.5%和16.0%。可见,若不考虑平台侧向载荷分布模式以及甲板上浪等因素的影响,仅采用基于100年一遇的环境载荷进行推覆分析,将使得评估结果偏于保守,容易造成较大的误差。因此,对服役海洋平台特别是抗力衰减严重的老龄平台进行极限承载能力评估时,建议采用LSIA方法以获得更加精确的结果。

图5 LSIA等效承载能力曲线Fig.5 Load sequence incremental analysis EBCC

表3 基于LSIA的平台性能评估参数Table 3 Performance evaluation parameters based on LSIA

3.3 倒塌失效模式分析

鉴于平台承载能力曲线与结构力学特性相关,为进一步阐明两种方法得到的抗力曲线变化趋势的迥异,揭示真实平台结构倒塌机制,提取平台结构的塑性应变分布如图6所示。

由图6(a)可知:两种分析方法得到的K平台失效模式发生显著变化,从而导致其承载能力曲线变化规律不同。Pushover分析时,K平台主要表现为中层斜撑失效后,导致导管架ROW1和ROW2两面所有桩腿过载而发生整体倒塌;LSIA则表现为上层斜撑失效使得平台ROW2面桩腿发生弯曲失效,且平台上部组块与导管架连接构件均发生塑性变形,显然,这是由于甲板上浪载荷使得平台侧向载荷分布更加集中于顶部,从而引起塑性分布区上移,这进一步说明考虑甲板上浪载荷的必要性。

图6 K平台及X平台倒塌失效模式对比Fig.6 Collapse failure modes comparison of platform K and platform X

由图6(b)可知,与K平台结果相似,LSIA方法亦使得X平台导管架上部塑性区扩大,但两种方法得到的平台失效模式并没有发生显著的变化,均表现为中层斜撑与水平撑失效后,桩腿因无支撑长度增加而发生失稳,最终使得平台形成机构而发生倒塌。显然,不同载荷分布模式并没有改变结构最终的倒塌模式,这说明X斜撑具有良好的结构连续性与载荷传递功能,从而使得平台上部载荷有效的传递给导管架结构,在抵抗外界载荷时表现为良好的抗力水平和延性性能。

综合K平台与X平台分析结果可知,当前Pushover方法无法考虑载荷分布变化的影响,在进行平台结构性能评估时结果偏于保守,特别针对发生上浪载荷的平台,甚至可能得到错误的结论。此外,上浪载荷使得导管架与上部组块连接构件发生塑性变形,这些连接构件处于飞溅区,腐蚀严重,易成为平台结构的弱点,因此若连接构件抗剪强度不足或无法将载荷有效传递给导管架结构,一旦上浪载荷较大,则有可能导致平台上部组块侧翻,从而发生台风过后观察到的倒塌失效模式。

4 结 论

(1)LSIA方法能够更好地“追踪”平台结构真实的响应以及对应的载荷信息,在进行平台结构抗倒塌性能评估时,能够有效地考虑甲板上浪载荷对平台侧向载荷分布的影响,具有更高的评估精度;基于该方法确定的评估指标更加直观、具体,是当前Pushover方法的补充。

(2)极端波浪载荷引起的上浪载荷对平台侧向载荷分布以及倒塌失效模式影响较大,巨大的甲板上浪载荷可能引发平台上部组块的侧翻,对服役平台安全评估时(尤其发生严重沉降的平台),有必要考虑可能的甲板上浪载荷。

(3)不同结构形式的导管架平台抗倒塌能力不同,X型构造增加了平台结构的连续性,在抵抗外界水平载荷时,具有良好的载荷传递路径与力学特性,从而能够有效提高平台结构的抗力与延性,降低结构倒塌的风险。

[1] PUSKAR F J,SPONG R E,KU A,et al.Assessment of fixed offshore platform performance in hurricane Ivan [R].OTC 18325,2006.

[2] GEORGE Z.Wave crest heights and deck damage in hurricanes Ivan,Katrina and Rita[R].OTC 18620,2007.

[3] MARLEY M,ETTERDAL B,GRIGORIAN H.Structural reliability assessment of Ekofisk jackets under extreme loading[R].OTC 13190,2001.

[4] MOAN T.Development of accidental collapse limit state criteria for offshore structures[J].Structural Safety, 2009,31:124-135.

[5] 朱本瑞,陈国明,刘康,等.深水导管架平台抗台风极限承载能力[J].石油学报,2014,35(1):152-158. ZHU Ben-rui,CHEN Guo-ming,LIU Kang,et al.Typhoon-resistant ultimate bearing capacity of deep-water jacket platforms[J].Acta Petrolei Sinica,2014,35(1): 152-158.

[6] API RP 2A-WSD.Recommended practice for planning, design and constructing fixed offshore platforms—working stress design[S].American Petroleum Institute, 2007.

[7] ISO 19902.Petroleum and natural gas industries-fixedsteel offshore structures[S].International Organization for Standardization,2007.

[8] DNV.ULTIGUIDE-best practice guideline for use of nonlinear analysis methods in documentation of ultimate limit states for jacket type offshore structures[S].Norway:Det Norske Veritas,1999.

[9] GOLAFSHANI A A,BAGHERI V,EBRAHIMIAN H,et al.Incremental wave analysis and its application to performance-based assessment of jacket platforms[J].Journal of Constructional Steel Research,2011,67(3):1649-1657.

[10] FEMA-350.Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings[S].Washington D.C.:SAC Joint Venture,Federal Emergency Management Agency, 2000.

[11] 陈团海,陈国明,许亮斌.基于台风验证载荷的平台时变可靠性分析与更新[J].中国石油大学学报:自然科学版,2011,35(3):129-134. CHEN Tuan-hai,CHEN Guo-ming,XU Liang-bin. Time-dependent reliability analysis and updating of offshore platforms based on typhoon proof load[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2011,35(3):129-134.

[12] 史景钊,任学军,陈新昌,等.一种三参数Weibull分布极大似然估计的求解方法[J].河南科学,2009, 27(7):832-834. SHI Jing-zhao,REN Xue-jun,CHEN Xin-chang,et al. A solution method for 3-parameter Weibull distribution of maximum likelihood estimation[J].Henan Science, 2009,27(7):832-834.

[13] RAAIJ K,GUDMESTAD O T.Wave-in-deck loading on fixed steel jackets decks[J].Marine Structures,2007, 20(3):164-184.

[14] RAAIJ K.Dynamic behaviour of jackets exposed to wavein-deck forces[D].Norway:University of Stavanger, 2005.

[15] 董胜,石湘.海洋工程数值计算方法[M].青岛:中国海洋大学出版社,2007:237-239.

[16] 文圣常,余宙文.海洋理论与计算原理[M].北京:科学出版社,1984.

(编辑 沈玉英)

Anti-collapse performance assessment of jacket offshore platforms in extreme storm waves

ZHU Ben-rui,CHEN Guo-ming,LIN Hong,HUANG Chao,LIU Kang
(Centre for Offshore Engineering and Safety Technology in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

A novel approach called load sequence incremental analysis(LSIA)was established to estimate the ultimate limit states and accurate behaviors of jacket platforms against extreme environmental loading.This approach could take into account the effects of variation in wave height and wave-in-deck loading,and track the actual behavior of platform under different load return periods.Thereby,the shortages of current Pushover analysis(CPA)were overcome.Based on the equivalent bearing capacity curve obtained by LSIA,a parameter called collapse return period(NCP)was introduced,which made the evaluation indicator of platform performance more specifical.On this basis,LSIA was used for the anti-collapse performance assessment of K platform and X platform.The results show that LSIA can achieve better assessment precision than CPA,and be able to determine the real collapse state and failure mode of platforms.

extreme wave;jacket platform;LSIA;evaluation index;ultimate bearing capacity;failure mode

TE 951

:A

1673-5005(2014)03-0135-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.03.022

2013-12-21

国家自然科学基金项目(51079159,51209218);中央高校基本科研业务费专项(13CX06079A)

朱本瑞(1986-),男,博士研究生,主要研究方向为海洋石油装备强度与可靠性等。E-mail:zhubenrui@163.com。