导管架平台冰振特征分析及冰振风险应对措施

2019-03-11吴奇兵张士超

石油工程建设 2019年1期

吴奇兵，张士超

中海油安全技术服务有限公司，天津 300450

渤海辽东湾海域冬季冰情严重，海冰在导管架平台的堆积及其对平台结构的撞击给海洋石油开发生产带来诸多安全隐患[1]。其中持续的冰激振动可引起平台剧烈振动，长久作用下甚至会引发结构失效。赵海培等[2-3]运用仿真计算分析了固定式平台的自振特征，王译鹤等[4-5]利用振动监测技术实地监测平台区域的冰激频率。但目前研究重点多在振动机理及振动特征的研究方面，关于冰振作用下平台的预防性应对措施研究较少且不够完善[6-7]。本文以辽东湾某导管架平台为例，利用有限元方法进行模态分析，计算结构的自振频率等动力特性，结合平台结构振动监测响应分析振动风险，为有效避免共振所带来的结构损伤和破坏提供参考依据。此外针对辽东湾海冰期冰情特点，提出了多种操作性强的风险应对措施。

1 冰振作用下平台动力特性分析

1.1 平台自振特征分析

要研究导管架采油平台在海冰作用下的动力特性，主要通过有限元方法进行平台的模态计算[8]。由于目标平台模型复杂，且包含大变形的几何非线性计算，因此选用ABAQUS软件进行分析，其强大的非线性求解能力可以很好地解决计算模型不收敛问题。

1.1.1 平台模型建立

C平台是一座常见的4腿4主桩导管架钢结构井口平台，设计工作水深为7.5 m。平台现场实况见图1，共设置工作甲板、下层甲板、中层甲板和上层甲板四层。上层甲板尺寸为38.5 m×28 m，标高EL.+28.5 m（相对海图基准面，以下同）；中层甲板尺寸为28 m×34.5 m，标高EL.+23.5 m；下层甲板尺寸为33m×28m，标高EL.+17m；工作甲板尺寸为21.5 m×21 m，标高EL.+12 m。生活楼安置于上层甲板。建立的三维模型见图2。位于A轴的两条导管架腿柱为双斜，B轴的两条导管架腿柱为单斜，正面投影的斜度是10∶1；4根桩的直径是1 829 mm，预计入土深度为80 m。在平台井槽区布置有20根隔水套管，直径是610 mm，预计入土深度50 m。该导管架平台结构为典型的空间板梁组合结构，建模时忽略附属部件，所有梁、筋、肋等均与实际结构保持一致。

图1 C平台实况

图2 C平台三维结构模型

平台通过钢桩固定在海基上，其桩腿与土的相互作用直接影响到平台的振动形式。因此，模型建立的一个重要工作是要确定桩腿的约束方式，它直接影响到模型计算的准确性和精度。有些学者给桩腿施加弹簧约束来模拟与土的作用，本文采用将其嵌固点取泥线以下6～8倍桩径距离这种普遍的约束方式。这种约束方式在满足模型计算精度要求的前提下，极大简化了结构模型，减少了计算成本。

1.1.2 平台模态分析

采用ABAQUS/Standard模块自带的子空间迭代法进行模态计算分析，用来研究C平台的自由振动特点。使用Frequency模态分析模块，利用振型叠加方法、线性摄动分析步提取特征值，计算导管架结构的固有频率和振型。由于导管架平台整体刚度较大，因此其振动频率较低。由于对运动起主导作用的只是前面的几阶模态，为了减小计算规模，在此分析其前8阶的振型及固有频率。前8阶振型见图3，前8阶自振频率见表1。

从前8阶振型图中可以看出，C平台结构的第一阶模态绕Y轴扭转，第二阶模态沿X向偏移振动，第三阶模态绕Y轴呈与第一阶模态相反方向的扭转。此外在平台前6阶振动中，直升机甲板边缘上均存在较大的振动变形。通过对导管架平台的模态分析，可知振动变形的主要原因是平台局部刚度不足。因此在结构抗震设计中应充分考虑前几阶模态的影响，应适当增大已建平台的刚度，进而增加结构抵抗侧移的能力，从而提高结构的抗震性能。

1.2 平台振动风险分析

为评估导管架平台实际振动特征，针对渤海辽东湾抗冰导管架平台的冰振风险，对海冰引起的灾害隐患进行冰振监测。以C平台为例，通过建立在平台上的监测系统（振动传感器）测量平台甲板加速度值。具体实施方式是将振动测量仪器布置在相应位置，利用振动传感器监测采集海冰对结构造成振动的振动数据。C平台振动监测数据见图4。

由表1可知，计算的一阶固有频率（基频）为1.416 4 Hz，而由图4可知，现场监测的冰振频率为1.391 6 Hz，可见海冰的冰激频率与平台结构基频十分相近，因此冰情严重时不可避免地会产生强烈的共振现象，进而对海洋平台结构造成振动或强度破坏。

图3 C平台前8阶振型

表1 C平台前8阶模态频率

图4 C平台振动监测频谱图

2 海冰风险应对措施

大量研究及数据显示，冰振作用是冰期导管架结构失效的重要风险因素。因此需要制订针对性的应对措施来避免平台结构失效事故的发生。针对C平台制订了4种应对技术措施。

2.1 海冰数值预报

应对海冰风险首要工作即做好冰情预警。每天接收WRF模式的渤海海面数值气象预报，与海冰模式联接，制作海冰数值预报；密切关注渤海冰情进展和演变，按时发送渤海海冰数值预报及未来冰情展望：包括冰厚、冰速、海冰外缘线等。

2.2 冰情监测

冰期现场海冰实时监测系统是海冰预警和应急响应的关键技术。通过海冰和海冰监测的气象和水文条件，收集和掌握海冰的实时信息，可以得到更多的海冰分布、类型和强度等数据，进而为导管架平台的冬季生产安全管理提供依据。平台海冰现场监测数据主要包括：冰厚、冰速度、冰浓度、冰类型等。目前海冰现场监测技术主要包括：现场人员观测、雷达跟踪监测、气象站实时监测、视频监控、振动实时监测及卫星云图等。可依据具体冰情特点选择合适的监测技术监测冰情。

2.3 抗冰锥的应用

为减小海冰对平台的水平推力，可在冰区的导管架平台桩腿均安装抗冰锥，抗冰锥可以很好地减小平台由于低平潮时海冰带来的振动[9]。当抗冰锥抗冰效果不理想时，需进行改造，结合具体冰况，从锥径、锥角等结构参数进行优化设计和加工。按照此思路对辽东湾多个导管架平台抗冰锥进行改造（见图5），监测结果显示改造后的抗冰锥有效降低了海冰对平台冲击造成的振动，降低了安全隐患。

图5 抗冰锥改造

2.4 冲冰装置的配置

平台一般利用空压机输出的高压空气作用在海面以下结构周围，形成海水的高速扰动，借助海水动能及压缩空气的压力防止海冰结成、堆积。针对C平台设计使用的冲冰装置（见图6）应用了一套气爆冲冰设备，利用地下水增压带温冲击导管架之间的堆积冰。但冲冰技术存在局限性，在冰情较轻时冲冰效果良好，当冰情较重时冲冰装置效果一般。冲冰装置的除冰效果除了取决于冰情的轻重外，还要参考海冰流速、潮水、风速等信息，因此在使用这项应对措施时需要结合冰情综合考虑。