海生物对导管架平台环境载荷的影响分析

喻之凯,陆月

(1.深圳市润渤船舶与石油工程技术有限公司,广东 深圳 518067;2.中国船级社 广州分社,广州 510235)

南海东部的导管架平台作业水深在100 m左右，其环境载荷主要来自于风、波浪、海流等。南海海域平台投产初期，海生物生长较快，随后生长速度减慢，厚度渐渐趋于稳定[1]。海生物的附着不仅会增加平台的自重，而且通过增大导管架杆件的直径和表面粗糙度，增强对波浪和海流的阻力，从而造成结构物环境载荷增加。有关研究[2]表明，位于英国北海水深100 m的某8桩腿导管架平台在波高30 m情况下，厚度为50 mm海生物增加重量仅占导管架结构设备总重的0.05%，基底剪力增加量占比达到无海生物附着情况下基底剪力总值的5.64%，水深50 m以内增加量占总增加量的90.78%；厚度为150 mm海生物增加重量占比总重的0.15%，基底剪力增加占比达到17.46%，水深50 m以内增加量占总增加量的91.52%。由此可见，海生物附着会导致平台承受的环境载荷增加。

工程上一般定期对水下结构物进行检测，当海生物生长厚度接近设计值时就进行海生物清除工作，但在制定清除范围时，并无标准指南可循，尤其水深超过50 m部分水下作业需要动用饱和潜水，费用很高。本文从工程角度出发，计算不同海生物清除范围下导管架平台的环境载荷，并对其变化趋势和规律进行分析。

1 平台环境载荷分析

海洋平台结构上的波浪诱导载荷一般可以分为3类：拖曳力、惯性力和绕射力。在实际工程中，结构杆件的直径小于波长的20%时，可以忽略结构物对入射波场的影响，采用只考虑拖曳力和惯性力的半经验半理论的莫里森(Morison)公式进行波浪力的计算。

1.1 波浪运动

目前没有适用于任何水深、波高和周期的统一波浪理论，各种理论都有其特定的适用范围，且互为补充。在进行分析时需根据海况条件选取合适的波浪理论来描述波浪运动，确定波浪水质点的速度势函数和波面方程，由此来计算作用于平台上的波浪力。海洋工程常用的波浪理论有：线性艾里(Airy)波理论及非线性斯托克斯(Stokes)波理论等。当波幅和波陡无限小，即认为自由边界满足线性条件时，线性波浪理论才适用，一般用于近海导管架平台的疲劳载荷分析；斯托克斯五阶波理论在相当大范围内可满足自由液面边界条件，适用于平台操作工况和风暴自存工况的环境载荷计算。

1.2 载荷计算

南海导管架平台的结构杆件直径一般均小于设计波长的20%，可以采用莫里森公式计算波浪作用在平台构件上的载荷，平台的整体环境载荷由莫里森公式得出的局部载荷矢量叠加而成。API规范[3]中莫里森公式如下。

考虑波浪与海流同时作用，通常认为莫里森公式仍可适用，但应将波浪诱导速度和流速进行矢量相加后再采用莫里森公式进行载荷计算[4]。在设计标准中只规定风暴水位时的流速分布，采取线性延伸垂向分布或非线性延伸垂向分布方法将它延伸(压缩)到局部的波浪表面。经过对比，非线性延伸垂向分布方法得到的平台总载荷与由波浪和海流垂向分布的典型受拖曳力控制的结构的精确解的误差较小，故本文采用非线性延伸垂向分布方法计算流速分布。

1.3 拖曳力和惯性力系数

拖曳力和惯性力系数由杆件相对表面粗糙度、雷诺数、Keulegan-Carpenter数、流/波的速度比确定。依据API规范，在计算时，拖曳力系数和惯性力系数采用下列值：

光滑构件：Cd=0.65；Cm=1.6。

粗糙构件：Cd=1.05；Cm=1.2。

2 计算案例

2.1 平台选取

南海东部海域现服役导管架平台全部采取4桩腿或8桩腿结构型式，一般包含钻修井、生产、生活模块和隔水套管，选取水深在100 m左右的8桩腿和4桩腿平台各1座进行计算分析。

2.2 平台环境条件和海生物厚度

为反映平台真实环境载荷状态，计算分析采用原始设计的环境条件和海生物厚度，见表1。

表1 设计环境条件和海生物厚度

2.3 计算工况

平台在水平面一般布置成矩形或正方形，考虑到其几何对称性，计算时每座平台均选择3个方向进行分析，假定垂直短边入射为方向1，斜向45°入射为方向2，垂直长边入射为方向3。

在平台设计时会分别考虑高水位(H)和低水位(L)情况下，进行操作工况(O)和风暴自存工况(E)环境条件下的载荷分析。本文在此基础上，将海生物清除范围纳入工况组合，每座平台在每个方向均组合成44种工况，其中方向1组合工况见表2，方向2和方向3组合工况与此类似。

表2 方向1组合工况列表

2.4 模型建立

依据图纸资料采用海洋工程结构分析软件SACS建立导管架平台结构和载荷模型，结构构件采用杆单元和板单元模拟，包括导管架主体结构、上部结构、隔水套管、立管、靠船平台,以及桩土模型等，结构模型见图1～2。本文重点分析海生物清除对环境载荷的影响，故仅施加操作工况和风暴自存工况下的波浪和海流载荷，其他载荷不予考虑。

图1 8桩腿平台结构模型

图2 4桩腿平台结构模型

3 结果分析

通过计算得到各工况平台所承受的基底剪力和基底弯矩，为便于对比分析，将计算所得载荷均以相应设计厚度载荷为基础作归一化处理，例如,将方向1_LO_原始厚度、方向1_LO_清除10 m……方向1_LO_全部清除各工况计算所得环境载荷均除以方向1_LO_原始厚度工况载荷做归一化处理，其它类推。分别得到8桩腿和4桩腿平台载荷随海生物清除范围变化曲线图，见图3～6。

图4 8桩腿平台基底弯矩随海生物清除变化曲线

图5 4桩腿平台基底剪力随海生物清除变化曲线

图6 4桩腿平台基底弯矩随海生物清除变化曲线

由图3～6可见，随着海生物清除范围的增大，基底剪力和基底弯矩均在减小，但减小速率在逐渐变小，直至趋近于零；海生物清除对操作工况下载荷改善比风暴自存工况好。

从海生物不同清除范围时环境载荷降低量占比全部清除载荷降低量角度进行分析，结果见表3。

表3 不同清除范围时载荷降低百分比 %

综上，清理-50 m范围内海生物所降低的环境载荷已非常可观。究其原因:①波浪在上层水体厚度的2～3倍波高范围内集中了总波能的90%～98%能量;②海生物厚度在水面附近区域最大，使得杆件直径增加较其他位置显著。

4 结论

1)南海东部导管架平台海生物清除范围与其环境载荷之间具有较强的规律性，可为今后清除范围制定提供参考。

2)分析表明，以基底剪力和基底弯矩降低百分比为指标制定清除范围可行。如考虑基底剪力和弯矩减少占总降低量分别为75%和85%时，则可将南海东部8桩腿和4桩腿平台海生物清除范围分别设定为水面至-35 m和-45 m。