海生物對南海導管架平臺結構強度的影響

胡永明，趙佳寧，王子堂

（海洋石油工程股份有限公司 天津300451）

0 引 言

導管架平臺安裝就位后，海生物在結構表面附著并持續生長。海生物的種類將近 600種，主要包含硬質的貝殼以及軟質的海草，其中硬質海生物密度（干基）為 1300～1400kg/m3。海生物的存在會增加平臺結構的質量，并且增大結構桿件尺寸，從而加大波浪、海流對結構的作用力。

目前我國南海平臺結構設計時均考慮一定的海生物厚度，以保證平臺服役期內的安全。部分平臺安裝了防海生物裝置[1-2]或在結構表面涂敷特殊涂層，限制海生物的生長。但部分平臺的海生物檢測結果表明，硬質海生物在幾年之內就能生長到50～60mm甚至更高，使平臺結構部分區域海生物厚度超過設計值。因此，有必要研究海生物的實際厚度對導管架結構強度的影響，根據導管架結構應力水平及樁基礎承載力制定合理的海生物清理方案，保證平臺結構安全。

1 海生物影響計算方法

1.1 海生物質量

導管架主要由圓管組成，單根圓管結構上單位長度海生物的質量可通過以下公式計算：

式中：D 為光滑桿件外徑；tm為海生物平均厚度；ρm為海生物密度；ρw為海水密度。

實際測量時采用鋼尺測量桿件不同位置處的周長，取平均值，再計算海生物平均厚度。

1.2 波流荷載

單根桿件單位長度的波流荷載采用莫里森方程[3]進行計算：

式中：CD為拖曳力系數；w為海水重力密度；g為重力加速度；A為桿件在荷載方向上單位長度的投影面積，對于圓管等于包含海生物在內的有效直徑，A = D + 2 ×tm；U為水質點速度；Cm為慣性力系數；V為桿件單位長度排開水的體積，圓管為水質點加速度。

海生物的存在會影響拖曳力系數和慣性力系數[4]，API規范[3]建議平臺結構整體計算時按表 1取值。

表1 拖曳力系數與慣性力系數Tab.1 Drag and inertia coefficients

2 工程實例

2.1 海生物厚度

選取我國南海某平臺，研究海生物對平臺質量、水平環境力以及平臺結構強度的影響。該平臺為固定式導管架平臺，8腿 12裙樁，水深 199m，2009年投產。原始設計時采用的海生物厚度如表2所示。

表2 海生物設計厚度Tab.2 Design marine growth thickness

在 2014年進行了水下海生物測量，結果如表 3所示。

從測量結果可以看出，海生物厚度超過了原始設計值，水深 28～98m 測量值與設計值相差較大。2014年測量完成后清除了水深 0～35m范圍內的海生物。根據《海上固定平臺安全規則》，我國海上固定平臺水下檢測周期一般為 5年。為了確定下一次水下檢測即2019年時海生物是否需要清理以及清理范圍，分析表4～6所示情況。

表3 海生物實測厚度Tab.3 Measured marine growth thickness

表4 一直不清理情況下海生物厚度Tab.4 No marine growth removal

表5 每5年清理0～35m水深下海生物厚度Tab.5 Remove marine growth 0～35m per 5 years

對表 4～6中 2019年及 2024年海生物厚度在2014年清理后的基礎上進行預測，假定水深0～50m海生物每年增長10mm，水深50～100m海生物每年增長 3mm，水深 100m～泥面海生物每年增長2mm。

表6 每5年清理0～50m水深下海生物厚度Tab.6 Remove marine growth 0～50m per 5 years

2.2 分析結果

經過計算，該平臺在 2014年清理海生物前，海生物質量（濕基）約 818t，百年一遇工況下海生物引起的波流力約 370t，占平臺受到的總波流力的5.5%。分析結果（表 7）顯示，如果不清理海生物，結構應力持續增加，樁基礎承載力安全系數降低，到2024年會出現應力比超1且承載力安全系數不滿足要求。定期清理海生物將有效控制結構的應力水平并保證極端工況下基礎承載力安全系數大于 1.5，綜合考慮平臺的應力水平和清理難度，建議定期清理水深0～35m范圍的海生物。

表7 導管架強度分析結果Tab.7 Jacket structural strength analysis results

3 結 論

通過以上海生物影響分析，本文主要得出如下結論，可供南海導管架平臺檢測和完整性管理參考。

①平臺設計時一般考慮一定的海生物厚度，有些平臺會在潮差帶安裝防海生物裝置，控制海生物的最大厚度。但部分平臺檢測資料顯示，實際海生物厚度可能會超過設計值，水深超過 50m 區域也可能會有海生物大量生長，防海生物裝置也會因為海生物生長或其他因素失去效用。因此有必要定期監測海生物的生長狀態。

②海生物生長速度無法準確預測，一般認為平臺安裝初期生長較快，隨后生長速度減慢。海生物最大厚度也沒有明確規律，根據目前我國南海部分平臺的檢測數據，局部硬質海生物可達 80～100mm，軟質海生物可達200mm以上。目前僅考慮了硬質海生物的影響，軟質海生物還有待進一步研究。

③南海固定平臺由于水深較大，水深超過 50m后部分水下作業需要動用飽和潛水，費用很高。由于平臺在水面附近受到的波流荷載較大，目前南海固定平臺一般會清理水深 0～35m 范圍內的海生物。當深水區海生物生長嚴重時，可根據平臺實際情況清理0～50m范圍或考慮采用水下機器人ROV清理深水區結構外表面的海生物。