导管架海洋平台整体结构海冰载荷环境下响应分析

邱少华

(南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226006)

海洋中蕴藏着丰富的石油、天然气资源，对其开采关系着国家巨大经济效益，是国家能源开发的重中之重[1-3]。导管架平台作为海洋工程装备的重要组成部分，广泛应用于海洋资源开发的各个方面[4-7]。导管架平台主要包括上船体、桩腿、采油装置等部分[8-9]。其中桩腿是用来支撑平台主体，使其处于正常工作状态。与陆地工程结构相比，导管架平台桩腿长期处于复杂的服役环境中，受到风、浪、流、冰等冲击载荷的作用，同时由于环境温度和湿度变化，海洋微生物侵蚀，平台桩腿结构还会发生腐蚀，这些不利因素都会导致海洋平台桩腿结构构件和整体抗力的衰减，所以平台桩腿发生疲劳断裂的事故时有发生[10-12]。且当前我国拥有大量的在役海洋钻井平台，随着服役年限的增加，其中一些海洋平台已属于老龄化结构，有相关分析表明，对于役龄在25年以上的海洋结构，其体系的失效概率高达25%～45%[13]。

自20世纪80年代以来，中国学者研究了海洋平台结构在海冰灾害的预防措施，工程应对策略和机制。但针对海洋平台上海冰负荷的风险评估及影响因素的分析报告相对较少，基础研究主要集中在冰力计算方法、结构破坏模式分析、工程结构的冰力抗力，以及疲劳寿命计算等方面[14-15]。且由于不同海上工程结构对海冰灾害的分类结果和海冰因素的差异，评估结构性冰灾所需的海冰数据也有所不同。因此，我国海洋工程结构科学评估方法、在役平台维护保养、腐蚀防护等方面落后于一些发达国家，需开展相关的优化评估。如何在更接近于实际工程的情况下，综合考虑环境载荷和腐蚀对导管架平台桩腿的影响，对海洋平台实际服役过程中提出维修保养方案，具有较强的现实意义和指导意义。本文以中国渤海地区常用的导管架平台为具体研究对象，分析不同工况下海洋平台不同区域的变形情况，探索结构变形的敏感性因素，分析桩基入泥深度对变形情况的影响。

1 模型建立

模型采用商用有限元软件ABAQUS建立，建模时，采用shell(壳)、beam(梁)、pipe(管)模型分别对甲板、甲板支撑梁及桩腿进行建模。导管架平台甲板为30 m×20 m、壁厚0.028 m；支撑梁长20 m、截面为0.4 m×0.4 m；甲板立柱长8 m、直径0.88 m、壁厚0.038 5 m；水平撑杆长18 m、直径0.88 m、壁厚0.038 5 m；斜撑杆直径0.51 m、壁厚0.258 m；桩腿直径1.205 m、壁厚0.055 m。各部件对应的建模单元见表1，所建模型见图1。

表1 导管架平台几何参数属性

图1 三维轮廓模型

模型建立完成后，对桩腿底部施加全约束，并创建重力环境，重力加速度设置为-9.8 m/s2。平台顶部包含有各种器械设备、建筑及人员，约5 000 t，转换为重力为5×107N，建模采用质量单元进行等效。

重力环境创建完成后，继续在模型上施加海冰载荷，模型中海冰载荷简化等效为水平方向(沿海平面)施加的集中力。通过中国固定平台计算公式来确定，具体如下。

F=mIeKc(D/Hi)σc

式中：m为形状系数，对圆柱取0.9；Ie为局部挤压系数，取2.4；Kc为接触条件系数，取0.45；根据已知，海冰厚度Hi取1.2 m；D为主导管的直径，取1.2 m；根据已知，σc为冰的单轴抗压强度，取980 kPa。

由于本例中D/Hi=1.0，所以Ie取2.5。则计算海冰载荷为F=1 428 840 N。其载荷形式为集中力，方向是沿海平面的水平方向，作用在主导管的桩腿上。

2 结果分析与讨论

2.1 导管架平台整体结构响应分析

图2为环境载荷作用下静力学分析结果，通过位移云图可知，导管架下甲板长端两侧位移较为明显，约为0.75 m。

图2 环境载荷作用下位移结果云图

图3为不同流速下桩腿的位移图。由图3可知，当海平面流速为1.0 m/s时，桩顶的位移为0.21 m；当海平面流速为1.73 m/s时，桩顶的位移为0.58 m；当海平面流速为3.0 m/s时，桩顶的位移为1.92 m；当海平面流速为4.0 m/s时，桩顶的位移为3.60 m；当海平面流速为5.0 m/s时，桩顶的位移为5.03 m。因此可知，海平面流速越大桩腿顶端的位移越大。

图3 不同海平面流速下桩腿的位移云图

2.2 不同入泥深度对桩基变形的影响

导管架由于桩腿长度，基本工作在沿海的大陆架浅水区域，海底表层为淤泥。在此条件下设置嵌岩桩不同的入泥深度，见表2。桩基XZ方向位移与转角的模拟结果见图4。由图4可知，当桩基打入海底的深度从-8 m变化到-13 m时，XZ方向位移与转角逐渐减小；当从-18 m变化到-25 m时，XZ方向位移与转角基本没有变化。桩基不同打入深度下的受力分析见图5。由图5可见，D3方案的受力情况最为严重。随着桩基打入深度的增加，受力情况也呈先减小后不变的趋势，与图3模拟结果相一致。综合考虑经济因素与安全因素，在有淤泥地质海域下，桩基打入海底的深度为-8 m时取得最佳效果，即D1方案。

表2 有淤泥地质海域下桩基打入海底深度

图4 有淤泥地质海域桩体变形桩长敏感性分析

图5 有淤泥地质海域桩基周围岩土塑性区分布

3 结论

通过ABAQUS有限元软件对海洋导管架平台进行建模，分析其在环境载荷下的响应及不同海流速度下桩腿的位移变化结果，在正常服役工况下，导管架平台甲板部分易受环境载荷影响，导管架下甲板长端两侧位移较为明显，产生较大位移，为易产生危险部位。桩腿位移变化受海流速度的影响较大，海平面流速越大，桩腿上部位移越大，尤其当处于某些极端情况下，桩腿上部位移可达5 m左右，在此情况下，导管架平台应及时停止作业，规避风险。桩基变形受桩腿入泥深度影响较大，桩腿入泥深度8 m为最佳工况方案。