中心一号动力平台推倒分析

丛军 王振法

摘要：阐述了平台结构倒塌分析的原理及评定结构安全性能的指标，并以胜利油田中心一号动力平台为例，用SACS软件对其进行结构倒塌的全过程分析。通过分析对平台储备强度进行评估，并对结构如何增强储备强度提出建议。

关键词：导管架平台；推倒分析；储备强度

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

1.引言

随着海上油气开发的不断发展，越来越多的海洋平台被投入建造和使用，我国海上油气分布以近海为主，导管架式平台由于其结构简单，造价低和安全可靠等特点是近海油气开发主要的海洋平台结构形式。到目前为止，我国共建成各类导管架式固定平台百余座。这些固定式平台设计寿命一般是15到20年。该类平台作为大型超静定钢结构，按照相关规范进行设计，一般都具有一定的强度冗余。随着全球气候变暖，极端环境出现的越来越频繁，有些台风风力甚至超过平台设计所能承受的最大风力，此时为了评估平台在极端环境下的安全可靠性，必须评估平台的极限强度，倒塌分析的目的就是为了求得平台的极限强度，因而对平台进行倒塌分析具有重要的工程意义。

目前船舶与海洋工程极限强度的计算方法主要有三种：直接计算法，逐步破坏分析法和数值计算方法。本文所采用的方法是数值计算法。数值计算法又称有限元法，是使用计算机有限元程序模拟整个结构单元再进行离散化分析计算，计算过程中可包含几何和材料非线性因素，求出平台极限强度的方法。

目前极限强度分析多针对船舶，针对导管架极限强度的研究并不是很多。本文应用SACS有限元软件中collapse模块进行倒塌计算。针对胜利油田中心一号动力平台，首先建立服役初期无缺损模型（设计结构）。之后根据现场检测报告，考虑腐蚀，冲刷，海生物、及平台结构的损伤情况建立现阶段结构模型，并且根据检验报告及相关标准，通过预估未来五年之后的结构损伤程度（包括估计结构每年的腐蚀、冲刷、及海生物生长等）模拟五年之后导管架平台的有限元模型（超期服役结构）。以逐级增加环境载荷的方法，对平台进行非线性分析，进而得出平台的强度储备比（Reserve Strength Ratio即RSR）[1-3]。

2.计算原理

倒塌分析的理论基础是大变形和塑性理论。当载荷逐步增加时，可以计算得到每个载荷步的节点变形、单元应力和刚度矩阵。当某一杆件的应力值达到其屈服强度时。就会产生塑性变形、结构整体刚度减小；当载荷继续增加时，增加的载荷将被传递到相邻的杆件上去。随着载荷的进一步增加，会有越来越多的杆件发生塑性变形，直到结构整体倒塌[4]。

倒塌分析包括三个迭代过程：首先，对于任何一个载荷步，根据杆件截面特性，可以计算得到梁一柱模型的解：然后进行整体刚度迭代计算，考虑了节点弹性，塑性以及失效等情况的影响，基础的刚度迭代计算则需考虑桩—土共同作用非线性影响。完成一次迭代求解后，将结构变形与上一次的迭代结果进行比较。如果计算结果不收敛，用梁受到内外部载荷作用产生的位移来重新计算单元的刚度阵。重复上述过程，直到计算结果收敛。计算时须考虑桩一土共同作用非线性影响[5-6]。

对于像海洋平台这样的大型结构，倒塌分析将需要很长的计算时间，因为计算时，软件每根杆件会默认分成8个单元，最大可分为20个单元，这样可以通过考虑每个内部单元端部的位移和旋转角度来模拟杆件内部的大位移非线性影响，如下图1所示：

图1 杆件内部单元非线性特征模拟

对圆管，每个单元还会沿周长（截面）被进一步分成12等份，对于型钢，如工字钢，划分为7份，具体如下图2所示。

图2 倒塌分析中梁截面的划分

海洋结构体系的储备强度由其储备强度系数来表征，而储备强度系数定义为结构倒塌时荷载与设计荷载之比，即储备强度比。储备强度给出了超过设计荷载时结构的承受能力。它同单个构件或节点的设计保守程度有关，但最终取决于结构中各杆件和节点的性能以及它们的组合情况。储备强度主要来源于结构冗余度、规范安全系数、结构设计中的多阶段控制、以及腐蚀容差。

到目前为止，海洋平台结构的设计一直是以单个构件为对象进行的。通常认为，当结构中所有构件和节点都满足规范要求时结构是安全的，否则结构是不安全的。但实际上，通常的海洋平台结构都有很大的冗余度。当结构上的一个构件或节点失效后，如果结构仍具有冗余度，结构仍可能具有相当的储备强度。储备强度比（RSR）可按下式计算：

（1）

式中Fu为极限荷载下的基底剪力或倾覆力矩，Fd为平台设计荷载。该系数反映了在役平台结构在当前有损状态的剩余储备强度。当其大于1时，当前有损状态的结构遭遇原设计荷载时不会倒塌。通常要求该比值大于1.6。

3.有限元计算模型

埕岛中心一号动力平台是一座六腿式导管架结构平台，共分二层。导管架顶标高为+3.90m，底标高为-10.50m，高14.40m在标高+3.00m，-2.50m和-9.00m之间设竖向斜撑。四角主导管双向斜度7.071：1，中间主导管单向斜度为10：1。主导管在水平周边撑相接的管结点处采用E32级钢，其余部位采用D级钢。如图1所示：

图3 中心一号动力平台SACS有限元模型

4.载荷计算

4.1 结构功能性荷载

结构功能性荷载为平台自身结构，设备，生产设施，作业等原因产生的荷载。结构重量及所受到浮力，由计算程序自动生成，其中包括海生物重量及受到的浮力。甲板活荷载分为最大活荷载和最小活荷载，活荷载参考《海上固定平台入级与建造规范》，活载荷数值按下表进行施加：

设备自重及位置根据工艺总体布置提供的设备布置图以及现场调研测量数据确定，包括设备以及设备支撑的重量。栈桥荷载根据栈桥的设计重量加上栈桥上管线的重量，以member载荷的形式施加到平台上。

4.2 环境荷载

此次分析按照API RP 2A推荐做法，考虑8个极端环境荷载作用方向：0o、45o、90o、135o、180o、225o、270o、315o进行校核，极端环境荷载参数按照API RP2A-WSD有关原则进行选取。环境载荷选取的基本原则为：极端环境荷载条件选取50年重现期海洋环境条件；风、波浪、海流、海冰环境载荷计算方法如下所述：

作用在结构上的风荷载采用API RP 2A 中2.3.2c节中的风力计算公式：

（2）

式中： —风力； —风速； —空气质量密度； —形状系数； —结构物迎风面积；

极端风暴工况采用50年重现期的一分钟平均风速；对甲板以上构件，主要考虑设备房、分离器等设备所受的风载荷，将其受风面积产生的风力作用到相应节点上；对已输入模型的构件风载荷计算，则由程序自动按照构件截面形状和位置，确定其高度系数和形状系数并形成风载荷直接作用于构件上。

单位长度上的波浪荷载按Morison公式计算：

（3）

式中： —海水密度，kg/m3；CD —拖曳力系数；CM —惯性力系数；D —圆形杆件直径，m；U —垂直于杆件轴线的水质点相对于杆件的速度分量，m/s； —垂直于杆件轴线的水质点相对于杆件的加速度分量，m/s2； —波浪力，N。

圆柱单位长度上的流荷载 由下式计算：

式中： —拖曳力系数； —单位长度圆柱垂直于流的投影面积，m2/m； —设计海流流速，m/s； —流荷载，N。

4.3 土壤参数

本文土壤计算参照《ZX1#工程地质勘察报告》。山东海盛海洋工程集团有限公司工程公司2013年08月，进行编制。

5.计算结果分析

根据平台结构模型进行推倒分析，对平台先施加结构自重和设备荷载等基本载荷，然后施加极端环境荷载，逐渐放大环境荷载系数直至平台被推倒，此时的极端环境荷载系数即是平台的储备强度比。8个方向的储备强度系数如下表所示：

表1 储备强度比计算结果

极端环境荷载作用方向 储备强度比 受损杆件部位

0o 3.79 +6.5水平层，导管架与上部组块连接处

45o 5.50 +6.5水平层，导管架与上部组块连接处

90o 4.69 +6.5水平层，导管架与上部组块连接处

135o 4.24 +6.5水平层，导管架与上部组块连接处

180o 4.15 +6.5水平层，导管架与上部组块连接处

225o 4.24 +6.5水平层，导管架与上部组块连接处

270o 4.51 +6.5水平层，导管架与上部组块连接处

315o 4.96 +6.5水平层，导管架与上部组块连接处

由计算结果可知，极端环境荷载作用方向为0o时，储备强度比最小，为3.79。说明平台在遭遇极端设计工况下极端环境荷载后，仍有2.79倍的极端环境荷载储备强度。储备强度较大，满足规范要求。

另外由结果可以看出，平台结构强度较薄弱的地方位于+6.5米水平层导管架与上部组块连接处，若想进一步增加结构的储备强度比可对此处构件做相应加强。

环境荷载为0o时，平台推倒破坏效果图如下图所示：

图4 0o极端环境荷载平台倒塌变形（储备强度比3.79）

6.结论

本文针对中心一号动力平台，考虑桩-土相互作用，对平台进行倒塌分析得到如下结论：

1. 极端环境荷载作用方向为0o时，储备强度比最小，为3.79，储备强度较大，满足规范要求。

2.计算结果显示，平台结构强度较薄弱的地方位于+6.5米水平层导管架与上部组块连接处，分析原因如下：平台上部模块面积较大，荷载中不乏配电间，中控室之类受风面积较大的重量单元，在极端环境荷载作用下产生较大风力。因此作用在上部组块的横向荷载较大使得导管架与上部组块连接处构件承受较大弯矩。若想进一步增加结构的储备强度比可对此处构件做相应加强。

参考文献

[1]Randal L. Montgomery， Chris Serratella. Risk-Based Maintenance： A New Vision for Asset Integrity Management， ASME 2002 Pressure Vessels and Piping Conference （PVP2002）

August 5–9， 2002 ， Vancouver， BC， Canada

[2] Binder Singh and Jim Britton， Offshore Risk-Based Asset Integrity Management： A New Methodology[C]， NACE 2001

[3]P.E. O'Connor， BP； J.R. Bucknell， MSL； S.J. DeFranco， BP； H.S. Westlake， MSL； and F.J. Puskar， Energo Eng. Inc. Structural Integrity Management （SIM） of Offshore Facilities[C]， Offshore Technology Conference， 2 May-5 May 2005， Houston， Texas

[4]《导管架平台倒塌分析》夏凡 武汉理工大学硕士论文2012

[5]《海洋导管架平台的极限强度分析》，许滨，申仲翰。海洋工程，1994

[6]《海洋桩基平台》罗传信 天津大学出版社，1988