渤海某新建升壓站平臺的抗冰性能分析

楊耀鵬，張大勇，婁春娟，岳前進

(大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221)

渤海某新建升壓站平臺的抗冰性能分析

楊耀鵬，張大勇，婁春娟，岳前進

(大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221)

為了明確海上升壓站平臺設計中抗冰設計的合理性，以渤海某新建升壓站平臺為例，采用有限元數(shù)值模擬方法分析典型冰況下升壓站平臺的抗冰性能，與渤海典型的油氣平臺對比表明，動冰力下，結構的振動不明顯，在極值靜冰下結構具有很大的靜力安全儲備；新設計的升壓站平臺具有較好的抗冰性能。

風電，升壓站平臺，抗冰性能，數(shù)值模擬

海上升壓站是將小電壓變?yōu)榇箅妷旱暮Ｉ献冸娧b備。海上升壓站需要一定剛度的支撐結構(升壓站平臺)以保證風電場的正常運行。目前升壓站平臺在無冰淺水海域發(fā)展比較成熟，而在冰區(qū)還未使用。

我國渤海冬季結冰，現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，海冰對海上構筑物的作用要遠比其他載荷大。海冰對海上結構物(如石油平臺、海上燈塔、海上升壓站)的作用通常是結構設計的主要控制荷載。歷史上國內(nèi)外抗冰結構曾發(fā)生多次工程事故[1-4]，使寒區(qū)海上油氣平臺的抗冰性能引起了人們的關注。海上升壓站平臺抗冰性能對安全生產(chǎn)至關重要。

根據(jù)與海冰作用處結構形式的不同，現(xiàn)有冰區(qū)海洋結構可分為直立結構和錐體結構。基于渤海大量的現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，海冰與直立結構作用時，會在不同冰速下產(chǎn)生三種不同的冰破碎形式，導致不同的結構振動形式。在冰速很慢且冰面比較平整時，冰會發(fā)生準靜態(tài)(間歇性)擠壓破碎，結構發(fā)生準靜態(tài)振動；當冰與結構作用速度緩慢增加，稍快于間歇性擠壓破碎時冰速，冰破碎的頻率會與結構振動頻率產(chǎn)生耦合，引起結構穩(wěn)態(tài)的自激振動，也稱之為頻率鎖定；當冰以較快的速度擠壓作用于結構上時，冰板會發(fā)生脆性擠壓破碎，結構響應變?yōu)殡S機激勵下的隨機振動[5]。冰與錐體結構相互作用時主要發(fā)生彎曲破壞，通常冰的彎曲強度要低于壓縮強度，冰與錐體結構作用的荷載要低于直立結構。錐體結構情況，海冰的斷裂周期要明顯大于直立結構，不會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振動。錐體結構交變冰力的基本形式是由加載、卸載和完全卸載組成的周期性脈沖，分別對應海冰的彎曲斷裂、破碎冰上爬和破碎冰完全清除。有學者對在我國渤海JZ20-2MUQ平臺上測量得到的冰力與冰破碎行為進行研究，認為在窄錐結構上的冰力具有一定的周期性，并建立錐體冰力函數(shù)[6]。有學者在已經(jīng)建立的確定性冰力函數(shù)的基礎上，利用實測的冰力數(shù)據(jù)，分析錐體冰力幅值和周期的統(tǒng)計特性，建立了隨機冰力函數(shù)，并借鑒波浪荷載的Neumann譜形式，建立錐體冰力譜[7-8]。

目前冰與規(guī)則的直立柱狀和錐體結構相互作用研究已相對比較成熟，研究者從理論分析、模型實驗及現(xiàn)場監(jiān)測等手段取得相應成果。升壓站平臺還未在冰區(qū)投入使用，其功能特點與油氣平臺有所差異，但結構特點比較類似。因此，這里對升壓站平臺的抗冰性能分析借鑒目前渤海抗冰油氣平臺的相關研究成果。

以渤海某新建海上升壓站平臺為例，基于數(shù)值模擬，明確該類結構的力學性能，并與典型的渤海導管架平臺比對；結合渤海多年的海冰現(xiàn)場監(jiān)測，分析該升壓站平臺在極值靜冰力和典型動冰力下的抗冰性能；最后，對該類結構的抗冰設計提出建議。

1 海上升壓站平臺的力學特性分析

1.1 有限元模型的建立及模態(tài)分析

選取渤海某新建海上升壓站平臺，該平臺上部質量為3 000 t，支撐結構采用4腿斜導管架形式，導管架4個面的斜度均為2.5∶1.0，采用ANSYS軟件，建立該結構的有限元模型，見圖1。建模過程中選取的單元類型及單元作用見表1。

圖1 海上升壓站平臺的有限元模型

單元單元作用Mass21質量點單元,模擬上部質量Shell181模擬甲板或上部質量Pipe288模擬導管架Beam188模擬水面以上導管架

由于海上升壓站平臺附屬設施較多，在建模過程中對平臺結構進行簡化，保證結構的主要幾何形狀、頻率及振型的真實性。表2為結構的前6階固有頻率，基頻為1.04 Hz。圖2～4為結構的前3階振型，前2階結構為水平振動，而第3階為扭轉。基于模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，該類結構與渤海典型的導管架平臺在基頻和振型上比較類似。

表2 升壓站平臺結構的固有頻率

圖2 1階振型

圖3 2階振型

圖4 3階振型

1.2 海上升壓站平臺力學性能分析

為了比對該升壓站平臺與渤海典型導管架平臺的力學特性，選取渤海遼東灣中北平臺。該平臺也是4腿導管架形式，但是用鋼量和上部質量與升壓站平臺有所差異，表3是兩座平臺的等效力學參數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，由于升壓站平臺上部質量較大，結構基頻略高于中北平臺；兩者在結構動力特性上比較類似，但由于升壓站平臺具有較大的水平剛度，其抗冰性能要優(yōu)于中北平臺。

經(jīng)多年在渤海海域對海冰監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，常規(guī)冰況下，冰力能量譜頻率多數(shù)集中在1 Hz左右[13]。

表3 導管架平臺的等效結構參數(shù)

從表3可以看出，海上升壓站平臺結構固有周期與冰力周期十分接近，海冰容易引起該結構的動力放大問題。

2 冰激海上升壓站平臺的響應分析

2.1 極值冰力下平臺的響應分析

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)，海上升壓站平臺所在海域設計冰厚取為39.8 cm(100年一遇)，對于直立結構，靜冰力按API-RP-2N[14]規(guī)范給出的公式計算。

(1)

式中：α——常數(shù)，0.4～0.7，取α=0.7；σc——海冰的單軸壓縮強度，2.1 MPa；D——冰與結構接觸寬度，2 m；t——冰厚，40 cm。

基于有限元數(shù)值模擬，得到極值冰力下升壓站平臺的最大強度和變形。極值冰力下平臺的最大應力為107 MPa，遠低于Q235鋼的屈服強度(235 MPa)；極值冰力下平臺的最大位移是0.010 4 m,滿足剛度要求。因此，在極值冰力作用下，升壓站平臺結構具有很大的靜力安全儲備。

圖5 極值靜冰力下結構的變形圖

圖6 極值靜冰力下結構的應力云圖

3.2 典型動冰力下平臺的冰振響應分析

冰與直立結構作用時，隨著冰速變化，冰擠壓破碎可以分為三種模式：低冰速時的準靜態(tài)冰力，中冰速時的穩(wěn)態(tài)冰力，快冰速時隨機冰力。其中，準靜態(tài)冰力對結構的影響較小，本文不做考慮；穩(wěn)態(tài)冰力對結構影響最大，而快冰速下的隨機冰力占據(jù)絕大數(shù)冰況[15]。因此，動冰力下該結構的抗冰性能分析中選取典型冰況下的穩(wěn)態(tài)冰力和隨機冰力。

當冰與結構作用速度緩慢增加，快于間歇性擠壓破碎時(冰速為2 cm/s

圖7 穩(wěn)態(tài)冰力模型

本文選取的穩(wěn)態(tài)冰力冰況為冰厚36 cm，冰力周期與結構基頻一致。基于有限元數(shù)值模擬，到升壓站平臺的最大位移為1.57 cm、最大振動加速度為39 cm/s2，見圖8、9。

圖8 動冰力作用下平臺的甲板位移

圖9 動冰力作用下甲板的冰振加速度

當冰速很快時，冰板在樁腿上發(fā)生連續(xù)不規(guī)則的脆性擠壓破碎，由于接觸面上冰的碎塊大小不一，且壓力分布不均，形成的合力為不規(guī)則的隨機變化，同時引起結構的隨機振動。K?rn?等[17]根據(jù)渤海和波斯尼亞灣燈塔上測得的大量樣本的隨機冰荷載數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計分析建立了隨機冰力譜。

(2)

本文選取冰厚0.36m、冰速1m/s冰況下的隨機冰力，基于譜分析方法，計算得到平臺最大位移為3.4cm，最大振動加速度為31.84cm/s2，如圖10、11。

圖10 隨機冰力下結構的位移

圖11 隨機冰力下甲板的冰振加速度譜

實測發(fā)現(xiàn)，渤海遼東灣中北平臺在該冰況下結構的最大振動加速度為35 cm/s2，略低于升壓站平臺，主要原因是中北平臺位于冰情較為嚴重的JZ20-2海域，為了保障平臺的冬季安全生產(chǎn)，該平臺在樁腿處安裝了抗冰錐體。

冬季現(xiàn)場實測中北平臺冰振加速度見圖12。

圖12 基于實測的渤海遼東灣中北平臺振動加速度統(tǒng)計

由圖12可見，平臺甲板振動加速度基本小于20 cm/s2。對升壓站平臺與中北平臺的比對分析發(fā)現(xiàn)，渤海某新建的升壓站平臺結構具備一定的抗冰振性能(相對石油平臺而言)，但是否滿足升壓站平臺上供電系統(tǒng)的振動要求，還有待進一步分析。

3 結論

本文對渤海某新建海上升壓站平臺，利用ANSYS有限元數(shù)值模擬，明確結構的基本力學特征，與典型的抗冰導管架平臺相比，結構固有頻率都在1 Hz左右，但水平剛度較大。基于已有的海冰研究成果，對升壓站平臺進行極值靜冰力和動冰力下的響應分析，并與渤海典型的油氣平臺進行對比。結果發(fā)現(xiàn)，極值靜冰下，結構具有很大的靜力安全儲備；動冰力下，結構的振動不是很顯著。總之，與海洋石油平臺相比，該新設計的升壓站平臺具有較好的抗冰性能。

研究認為，冰區(qū)海上升壓站平臺結構的抗冰設計應考慮以下幾點。

1)結構設計中應以海冰為主要控制荷載，采取合理的冰力模型。

2)結構設計靜力安全儲備太大，可以基于冰激結構振動分析開展結構的抗冰基本設計。

3)冰激結構振動是否滿足升壓設施的運行要求，還需進一步研究。

4)平臺樁腿處安裝抗冰錐體是提高結構抗冰性能的有效措施。

5)為了降低平臺的冰振，保護上部設施的安全，應采取冰振控制措施。

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Analysis of the Structural Ice-resistant Performance for the Booster Station Platform in the Bohai Sea

YANG Yao-peng, ZHANG Da-yong, LOU Chun-juan, YUE Qian-jin

(School of Ocean Science and Technology, Dalian University of Technology, Panjin Liaoning 124221, China)

In order to make clear the ice-resistant performance and the rationality of the ice-resist design for the offshore boost station platform. A new boost station platform in Bohai is taken as an example. Its ice resistance performance under typical ice conditions is analyzed by FEM, and compared with the typical oil and gas platforms in Bohai. The results showed that the structure of the new designed boost station platform has a lot of static safety reserve under the extreme ice condition, and the structural vibration is not obvious under the dynamic ice loads. So the new designed booster station platform has good ice-resistant performance.

wind power; booster station platform; ice-resistant performance; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.026

2015-04-28

國家自然科學基金(51309046)； 中國電力建設集團有限公司科技專項 (SD2013-11)

楊耀鵬(1988-)，男，碩士生

U674.38

A

1671-7953(2015)06-0111-05

修回日期：2015-07-03

研究方向:海洋裝備結構監(jiān)測與設計分析

E-mail: yangyp@mail.dlut.edu.cn