番禺30-1導管架海洋平臺結構振動監測與安全分析

岳前進，王勝永，樊哲良，張大勇

(1.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116023;2.大連海洋大學 海洋工程學院，遼寧 大連 116023)

我國最早的海洋石油開發起步于20 世紀60年代末的渤海灣海域，該海域水深較淺，海洋平臺結構型式以導管架平臺結構為主，經過近四十年的工程應用，對導管架平臺結構的設計、建造、安裝及維護等方面已經取得了比較成熟的工程經驗。

隨著人們對海洋石油能源需求的日益增加，從淺海走向深海是世界海洋油氣開發的總趨勢，深海石油作業已經被認為是石油工業的一個重要前沿陣地。我國南海深水海域有著豐富的油氣資源，是世界四大海洋油氣聚集中心之一。在南海較深的海域進行油氣資源探索開采進程中，采油平臺結構的設計、建造及安全運行，是深海油氣資源開發中的關鍵技術之一［1］。番禺30-1 平臺是我國至今為止首座位于水深200 m 海域的固定式導管架海洋平臺結構，位于我國南海珠江口盆地，其導管架結構總高度213 m，自重19 200 t，是目前亞洲最大的海上油氣導管架平臺結構，它的安全運行性能對保障油氣田資源正常開采及推進平臺結構相關技術研究具有重要工程意義。

目前的海洋平臺結構規范設計中，一般將地震、波浪、海流、風等環境載荷轉化為等效靜力作用進行考慮，因而現有的平臺結構設計大多數是基于靜力/擬靜力的設計標準，并通過結構強度、剛度及穩定性校核，進行評估結構或者構件在各種載荷組合作用下是否安全，從而保證平臺結構在極端工況下的結構安全。然而對于平臺結構來說，卻經常受到交變動載荷的作用而產生結構的振動響應，例如阿拉斯加庫克灣的采油平臺［2］，北歐的Bothnia 灣燈塔［3］及我國遼東灣導管架平臺等多座平臺結構都監測到振動現象［4-5］，導致海洋工程結構的多種失效模式，而大多數深海海洋工程結構更趨于屬于柔性結構，在波浪控制載荷作用下極易發生振動響應。為了保障番禺30-1 平臺結構的安全運行，分析環境載荷對平臺結構的動力性能影響，開展了該平臺結構的動力性能監測和安全評估工作，為將來深水平臺結構的設計、安全保障提供參考價值。

1 環境載荷作用下導管架平臺結構的失效模式

導管架平臺結構在海洋環境中受到多種載荷的作用，其中固定載荷主要包括平臺結構自身的重量及作用在水面以下結構上的靜水力，而動載荷主要包括海洋環境的風、浪、流、冰、地震等載荷及平臺結構的作業載荷等［6］。平臺結構在固定載荷和動載荷作用下主要發生以下幾種失效模式。

強度、剛度及穩定性失效模式，平臺結構在載荷作用下的強度失效模式是其構件的應力超過了設計許用應力;剛度失效模式是平臺結構的最大層間變形和最大變形量超過了設計容許量;平臺結構構件具有截面輪廓尺寸小、構件細長的特點，在外載荷作用下，可能使平臺結構出現整體失穩或局部失穩現象。

在交變動載荷作用下，平臺結構會產生振動加速度及構件交變應力響應，其中交變應力可能會引起平臺結構構件疲勞失效;另外，平臺結構也經常受到偶然的沖擊載荷作用，例如船舶與平臺結構的碰撞、下落重物等，沖擊載荷一般具有瞬時性、載荷值較大等特點，往往對平臺結構的某個構件產生嚴重的損傷、塑性變形等而失效。

2 海洋環境及平臺結構振動響應監測

為了評估番禺30-1 導管架平臺結構(圖1)在海洋環境載荷下的動力性能，建立了圖2 所示的平臺結構現場監測裝置。主要包括遙測波浪儀，用于監測平臺所處海域的波高、頻率等波浪參數;風速儀，用于監測平臺結構的所受的風速、風向等參數;加速度傳感器，用于監測平臺結構的振動加速度響應。此外，還開發了專門的應用程序，實現了在南海海域臺風多發期及季風期內海洋環境和平臺結構動力響應監測的同步性、連續性和完備性。

圖1 番禺30-1 平臺Fig.1 PY30-1 platform

圖2 番禺30-1 平臺加速度測量示意Fig.2 The acceleration measurement system on PY30-1 platform

3 波浪動載荷下平臺結構振動與安全分析

2009年9月至2010年1月開展了平臺結構振動響應監測工作，由于在整個監測期間沒有臺風經過平臺所處海域，因而監測得到的是季風期海洋環境參數及平臺結構的動力響應，由于季風期內作用于平臺結構的海洋環境載荷幅值及頻率變化具有連續和緩慢過渡的特性，可以取每日平臺結構振動加速度均方根值進行曲線擬合來近似表征海洋環境載荷作用下平臺結構的動力響應，圖3(a)、(b)所示番禺30-1 平臺結構于2009年11月季風期內在南北及東西方向振動加速度均方根值變化曲線，可以看出平臺結構振動加速度均方根值變化范圍較小，南北及東西方向振動加速度均方根值分別在0.005 ～0.06 m/s2和0.014 ～0.053 m/s2之間，在無季風期間(2009-11-03 ～2009-11-10)平臺結構振動加速度均方根值緩慢減小，南北及東西方向振動加速度均方根值分別降低到0.005 和0.014 m/s2，在季風期間(2009-11-10 ～2009-11-29)平臺結構振動加速度均方根值緩慢增大，南北及東西方向振動加速度均方根值達到0.038 和0.035 m/s2，且平臺結構在整個季風期間的振動響應比較平穩。

圖3 番禺30-1 平臺南北及東西方向每日振動加速度均方根值變化曲線(2009-11-01 ～2009-11-29)Fig.3 The observed acceleration of north-south and east-west direction for PY30-1 platform (2009-11-01 ～2009-11-29)

番禺30-1 導管架平臺結構復雜，在波浪動載荷作用下其構件的熱點應力位置判斷及直接測量都存在很大的難度，可以借助有限元數值分析的方法確定平臺結構構件的熱點應力。為了保證有限元模型的動力分析結果能夠反映原型平臺結構的動力響應，有限元數值模型滿足與原型平臺結構基頻一致、結構幾何尺寸相似及振動能量分布相似的動力相似條件。圖4 是2009年11月15日20:30 的交變波浪載荷作用于平臺結構時監測得到的平臺結構振動響應，可以看出平臺結構在波高2.5 m、周期8 s 時的振動加速度響應比較平穩，振動加速度峰值在0.03 m/s2左右。通過頻譜分析得到平臺結構的基頻為0.378 7 Hz(圖5)，并運用ANSYS 有限元軟件建立與原型平臺結構動力相似的數值模型。

圖4 番禺30-1 平臺結構振動加速度曲線(2009-11-15，20:30)Fig .4 The observed acceleration of PY30-1 platform (20:30，2009-11-15)

圖5 番禺30-1 平臺結構振動加速度功率譜密度(2009-11-15，20:30)Fig.5 The acceleration PSD of PY30-1 platform (20:30，2009-11-15)

將2009年11月15日20:30 的交變波浪載荷作用于平臺結構有限元數值模型上進行瞬態動力分析，計算得到圖6 所示平臺結構振動加速度與樁腿的熱點應力變化曲線，其中振動加速度曲線(圖6(a))與實測振動加速度曲線(圖4)也較為一致，振動較為平穩，峰值在0.03 m/s2左右;平臺結構樁腿的熱點應力幅值為2 MPa左右(圖6(b))，從平臺結構及其構件所用鋼材材料的強度極限上進行安全評估，平臺結構樁腿熱點應力幅值遠低于鋼材材料的許用應力值。

4 拖船撞擊樁腿引起平臺結構振動與安全分析

海洋平臺結構在運行過程中會受到多種形式的偶然性載荷沖擊作用，其中對平臺結構安全性能影響比較大的是船舶的撞擊載荷?，F場平臺結構振動的監測數據及調查分析，?？客洗既蛔矒羝脚_結構某個樁腿會引起平臺結構較為強烈的瞬態振動現象。2010年1月15日14:37 現場監測到平臺結構樁腿受到拖船的撞擊，此次拖船對平臺結構樁腿的撞擊引起的平臺結構振動以南北方向為主，振動加速度幅值為0.28 m/s2(圖7 所示)。

圖6 波浪載荷作用下平臺結構振動加速度與樁腿熱點應力曲線(2009-11-15，20∶30)Fig.6 The hot stress of platform piles under wave loads(20∶30，2009-11-15)

雖然拖船碰撞對平臺結構是瞬間的作用力，對平臺整體結構的振動響應影響不是太大，但是這種局部的撞擊力作用點集中在平臺結構的一個樁腿上，會對該樁腿的安全性能產生影響。運用撞擊載荷反演及有限元數值分析的方法［7］，計算出當平臺結構振動加速度達到0.28 m/s2時，拖船撞擊的平臺結構樁腿處的撞擊載荷幅值約106 N，平臺結構樁腿撞擊處的應力變化曲線圖8 所示，可以看出樁腿撞擊處的應力最大值為8.7 MPa。隨著撞擊的結束，應力幅值很快趨于衰減。從材料強度上分析，此次拖船對平臺結構樁腿撞擊時的最大應力值遠小于樁腿鋼材材料的屈服極限。

圖7 拖船撞擊樁腿時平臺結構振動加速度(2010-01-15，14:35 ～14:45)Fig.7. The acceleration under vessel against pile (14:35 ～14:45，2010-01-45)

圖8 平臺結構樁腿撞擊處瞬態應力變化曲線(2010-01-15，14:37)Fig.8 The transient stress under vessel against pile(14:37，2010-01-15)

5 結 語

番禺30-1 平臺結構是位于我國南海較深海域的固定式海洋平臺結構，從監測數據統計及數值計算分析表明番禺30-1 平臺結構在季風期內平臺結構的安全冗余量比較大，平臺結構的構件在海洋環境載荷下結構強度滿足工程規范要求，保證了平臺結構的安全運行。然而，平臺結構處于南海的較深海域，不但受力狀態較為復雜，而且在使用期間常常受到沖撞和非正常載荷產生的彈塑性彎曲等損傷，且海水在管壁上產生腐蝕損傷，這些損傷都會引起桿件承載能力的降低，也使整體承載能力和使用壽命降低，因而有待于進一步開展平臺結構監測工作，并根據平臺結構的動力響應及時進行安全風險評估。

［1］陽連豐，彭 艷.我國海洋油氣開發面臨的歷史機遇［J］.中國造船，2006，47:27-31.

［2］Sinha N K，Timco G W，Frederking R.Recent advance in ice mechanics in Canada［J］.Appl.Mech.Rev.，1987，40(9):1214-1231.

［3］Engelbrekston A.Dyanamic ice loads on lighthouse structures［C］∥Proc.4th Int.Conf.on Port and Ocean Engrg.under Arctic Conditions.1997，2:654-864.

［4］YUE Q J，BI X J.Ice induced jacket structure vibrations in Bohai sea［J］.Journal of Cold Regions Engineering，2001，14(2):81-92.

［5］OU J P，XIAO Y Q，DUAN Z D，et al.Ice-induced vibration control of JZ20-2MUQ platform structure with viscoelastic energy dissipators［J］.Ocean Eng.，2000，18(3):9-14.

［6］岳前進，張大勇，劉 圓，等.渤海抗冰導管架平臺失效模式分析［J］.海洋工程，2008，26(1):18-23.

［7］金偉良，宋 劍，龔順風.船舶與海洋平臺撞擊的載荷模擬［J］.計算力學學報，2004，21(1):26-32.