锦州9-3油田两平台间栈桥冰激振动分析

2016-01-18郝宝齐,董坤

船海工程 2015年5期

关键词：栈桥

锦州9-3油田两平台间栈桥冰激振动分析

郝宝齐，董坤

(中海石油(中国)有限公司天津分公司工程建设中心，天津 300452)

摘要：考虑到平台间的栈桥与平台整体结构的固有动力特性完全不同，针对锦州9-3油田WHPC与WHPE海洋平台之间的栈桥及其附属管线，进行冰激振动响应分析计算。结果表明，栈桥钢结构和管线系统的响应变化规律与平台甲板存在一定差异，主要原因为多重“子结构”与“主结构”的匹配关系。

关键词：海洋平台；栈桥；冰激振动

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.026

中图分类号：U661.44；P751

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0093-04

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一郝宝齐 (1975-)，男，学士，工程师

Abstract:Considering the natural vibration characteristics of the platform structure is different from that of the bridge connecting two platforms, the ice-induced vibration response is analyzed for the bridge structure and the pipelines connecting WHPC and WHPE platform in Jinzhou 9-3 oilfield. The results show that the variation in response of the bridge structure and piping systems is different that of the platform deck, and the main reason for this difference is the matching relationship between the multiple sub-structures and the main structure.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋工程设计、建造和工程项目管理

E-mail:haobq@cnooc.com.cn

冰激振动是结构在交变冰荷载作用下产生振动的一种特有现象[1]。我国渤海因地理位置偏北，冬季受西伯利亚南下冷空气直接影响，每年都有不同程度的结冰现象，这使得渤海海域内海洋平台的冰激振动问题显得尤为突出。强烈的冰激振动事件对正常的生产作业、结构的安全性以及工作人员的人身健康造成了严重威胁[2]。历史上，渤海就有过因冰激振动致使平台毁坏的严重事故。1969年初，“海一井”平台支座拉筋被海冰割断，“海二井”生活平台、设备平台和钻井平台被海冰推到。1977年，“海四井”烽火台被流冰推倒，生活平台振动剧烈，以至平台栈桥难以行走[3-5]。1999-2000年冬季，渤海JZ20-2中南平台由于冰激振动导致平台管线的断裂[6]。

目前我国对冰区海洋平台冰激振动的研究以平台整体结构的分析居多，而针对平台间栈桥等子结构的动力响应所展开的研究工作较为匮乏。栈桥是连接海上油气田两个或多个平台间油气水管线、电控线缆和人员通行的通道，一般采用空间框架钢结构[7]。栈桥具备与平台整体结构完全不同的固有动力特性。作为平台的子结构，栈桥结构的振动主要由平台的整体结构振动所引发；同时，在其自身动力特征的控制下，会将由平台整体结构传递过来的振动加以放大，从而对栈桥自身结构造成严重损害。因此，在对平台整体结构进行分析的同时，还必须对栈桥结构进行单独的计算分析。

锦州9-3油田区域位于渤海辽东湾北部海域，东经121°24′～121°37′，北纬40°37′～40°42′，平均水深6.5～10.5 m，属于浅水重冰区，严重的海冰灾害多发生在这一区域。针对锦州9-3油田WHPC与WHPE平台之间栈桥及其附属管线的工程设计，在考虑平台在冰激振动作用下，对平台间的栈桥及其附属管线造成的振动响应进行有限元分析计算。

1计算模型

1.1整体模型中的栈桥模拟

栈桥具有与平台整体结构完全不同的固有动力特性。如果将栈桥结构融合到平台整体计算模型中，将产生主结构与子结构振型耦合后的计算失真效应[8-9]。因此，必须将栈桥结构进行单独的建模计算分析工作，但二者间应保持固有的主次或振动继承关系。

对于子结构继承主结构振动响应关系的把握，关键在于如何准确获取子结构与主结构连接位置的振动响应时程。主要取决于两方面因素。

1)局部刚度矩阵的准确建立。即在主结构振动分析模型中应准确模拟与主结构形成主要连接的子结构构件。

2)局部质量矩阵的准确建立。即在主结构振动分析模型中应准确模拟子结构的质量。

据此，对平台栈桥结构与平台整体上部模块间的连接及其自身质量进行模拟。平台整体计算模型中在与栈桥连接构件所组成的局部框架上设置栈桥质量分布。

1.2栈桥计算模型

WHPC-WHPE栈桥计算模型分为两部分，即栈桥钢结构模型和管线模型。其中，为保证栈桥与WHPC平台振动响应间的“继承”关系，栈桥与WHPC平台的连接处保留了原支撑构件。对于管线模型的建立，由于管线是与两座平台上的总体管网相贯通连接的，因此，管线的振动响应是不能以栈桥结构为边界的。需为栈桥上的管线提供半无限式的边界条件，以避免造成整体栈桥结构的边界条件具有局部边界效应。计算模型中将栈桥上的管线系统向栈桥结构外侧(即两座平台的整体管网上)各延伸15 m，然后在延伸端点施加铰接约束，保证边界条件合理。栈桥钢结构模型和管线模型均采用Pipe59单元模拟，其中管线模型单元中添加了管内流体(原油)属性。整体结构阻尼比设定为5%。栈桥整体模型见图1。

图1　WHPC-WHPE栈桥整体模型图

2栈桥冰激振动响应分析

2.1模态分析

模态分析的目的是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据[10]。由于平台上管线的布置和支撑方式远较栈桥上的复杂，致使其振动阻尼耗散也十分显著，造成整体管网的振动很难传递至栈桥管线系统。因此，整个栈桥-管线系统的基础振动特征是由栈桥钢结构控制的。故模态分析主要针对栈桥钢结构进行，而栈桥上的管线系统作为附属结构处理。计算得到栈桥钢结构前3阶振型和自振频率(表1)。

2.2冰激振动响应分析

针对WHPC-WHPE栈桥结构的计算分析是以WHPC平台整体结构的计算分析为基础的。因此，计算工况的设定与WHPC平台整体结构的计算相同，即将冰速分为0.15、0.3、0.6、1.2和1.4 m/s共5种情况，冰厚分为5、10、15、20、25、30、35、40和49.2 cm共9种情况，冰向分为NE、SW、NNE和SSW共4种情况，水位分为最高天文潮、平均水位、最低天文潮共3种情况。这些情况涵盖了锦州9-3油田附近海域可能遭遇的冰情特征，组合共形成540组计算工况。

表1　WHPC-WHPE栈桥模型前3阶自振频率

如1.1中所述，在针对WHPC平台所进行的有限元分析计算中，已经对平台栈桥子结构与平台整体上部模块间的连接及其自身质量进行了准确模拟，据此便可以准确提取与每种海冰作用工况相对应的栈桥连接点上的结构动力响应。这些动力响应的提取结果正是在对栈桥结构进行独立计算中采用的振动输入项。由此，便形成了对WHPC-WHPE栈桥与各组计算工况一一对应的振动输入时程的构建。

根据以上方法，对有限元模型施加与各工况相对应的平台整体位移响应时程曲线，采用瞬态动力计算方法，进行全时域范围内的冰激振动响应分析计算。计算表明，WHPC-WHPE栈桥结构在最高天文潮水位下，冰速1.2 m/s，冰厚49.2 cm，来冰方向为SSW时出现了最大响应。以此工况为例对栈桥结构的冰激振动响应进行分析。WHPC-WHPE栈桥钢结构和管线系统出现最大响应时刻的变形见图2。

图2　WHPC-WHPE栈桥钢结构和　　管线系统最大响应时刻变形

由图2可见，钢结构和管线系统的最大响应位置均出现在靠近WHPC平台一侧的端点上。其主要原因是由于栈桥所连接的两座平台的振动存在差异。锦州9-3沉箱平台WHPE以其庞大的结构型式形成了良好的冰激振动抑制作用，而对导管架平台WHPC所进行的冰激振动模型试验和数值结果表明，其经历的冰激振动水平是较为显著的。栈桥结构在一端振动明显，而另一端振动可忽略的外部激励模式下，自然也就呈现出上面展示的变形和响应特征。

依据图2展示的变形图中标注的结构最大变形位置，分别提取对应的振动响应数据，进行结构响应特征分析，所得结果如图3、4。其中图3、4为在上述工况下，栈桥钢结构最大响应位置沿X、Y、Z3个方向的位移响应与WHPC平台栈桥支撑甲板上的相应位移响应的对比，图4为栈桥管线系统最大响应位置沿X、Y、Z3个方向的位移响应与WHPC-WHPE栈桥钢结构上的最大位移响应的对比。

图3　栈桥钢结构与平台甲板位移响应

图4　栈桥管线与栈桥钢结构位移响应

通过图3可见，作为平台整体结构上的子结构，栈桥钢结构在吸收了平台甲板传递过来的振动能量后，已将其转化为自身特有的振动形态。具体表现为：在X、Y及Z向，振动形态与平台甲板基本保持一致，位移响应水平较平台甲板分别缩减了3.5、1.1及放大了1.6倍。

同时，通过图4可以得出，作为栈桥钢结构上的子结构，栈桥管线在吸收了平台甲板传递过来的振动能量后，在两个方向上均形成了动力放大，具体表现为：在X、Y及Z向，位移响应水平较栈桥钢结构分别缩减了37.5倍、放大了2.5倍及放大了10.8倍。

由此可见，在相同的冰条件作用下，栈桥钢结构体现出与平台主结构十分相似的振动响应形态。在X和Y方向上，栈桥钢结构的振动响应相对于平台主结构则保持了极强的“继承”特征，同时由于栈桥的框架结构在这两个方向上具备很高阶的模态特征，因此产生了振动缩减现象。在Z方向上，尽管栈桥的框架结构在这一方向上仍具备频率很高的模态特征，但由于栈桥结构自身在Z方向上具备二阶模态，因此在该方向上对振动能量的吸收敏感性较强。栈桥上的管线系统在Z方向上具备更强的振动能量吸收敏感性，进而致使栈桥钢结构在垂向上呈现出动力放大特征。由此可见，对于整体栈桥结构来说，其具有更加复杂的结构动力特征，即具有多重的“子结构”与“主结构”匹配关系。

1)相对于平台结构，整体栈桥结构具有“子结构”特征，因此，在水平向的振动上具有相对于平台主结构的振动“继承”特征。

2)整体栈桥结构的“子结构”从属性并不单一，而是同时具备两个主响应结构，即WHPC和WHPE平台，而两座平台不同的振动响应特征，则致使栈桥结构的动力放大进程受到抑制。

3)栈桥上的管线系统相对于栈桥钢结构，又具备了第二阶的“子结构”与“主结构”匹配关系，即管线系统的振动响应激励来源于栈桥钢结构的振动响应。

4)由于栈桥上的管线系统与栈桥钢结构间的重量和刚度差异并不显著，因此二者间的主、次关系并不明显，进而致使管线系统在垂向上的振动敏感性对栈桥钢结构产生了明显的影响或控制作用。

4结论

对WHPC-WHPE栈桥结构的建模计算分析，证明”子结构”与”主结构”二者间固有的主次及振动继承关系。相对于平台整体结构，栈桥结构具有“子结构”特征，而栈桥上的管线系统相对于栈桥钢结构，又具备了第二阶的“子结构”与“主结构”匹配关系。本文采用的栈桥结构冰激振动分析方法可为设计方案提供评价与指导。

参考文献

[1] 黄焱,史庆增,宋安.冰激柔性直立桩结构振动的模型试验[J].天津大学学报,2007,40(5):530-535.

[2] SODHI D S.Crushing failure during ice-structure interaction[J].Engineering Fracture Mechanics,2001.68:1889-1921.

[3] 张方俭,费立淑.我国的海冰灾害及其防御[J].海洋同胞,1994,13(5):75-83.

[4] 张树祥,周森.渤海航运中的海冰危害和防冰减灾对策[J].冰川冻土,2003,25(S2):360-362.

[5] 李志军.渤海海冰灾害和人类活动之间的关系[J].海洋预报,2010,27(1):8-12.