導管架平臺火炬臂冰激振動響應數值分析

劉玉璽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

高緯度地區的海洋油氣資源開發必須考慮海冰的影響，這是寒區海洋工程結構物設計、建造中需要首先考慮的環境因素。海冰可能對海洋工程結構物造成多方面的影響，如靜冰力極值引起的強度問題和動冰力作用下引起的結構冰激振動問題，其中：結構誘發劇烈、穩定的冰激振動是結構特征與冰條件相互匹配的結果。我國渤海海域的海洋平臺結構型式和冰情特征具有一定的特殊性，導致渤海的冰激振動問題比極區國家更為突出。例如：1999年—2000年冬季，渤海錦州20-2中南平臺因發生冰激振動導致管線斷裂，造成高壓天然氣大量噴出。在國外，平臺結構因發生冰激振動最終導致破壞性結果的事故也是屢見不鮮，例如：1973年波蘭在波茲尼亞灣建造的Kemi-I鋼質燈塔，于當年冬季在風驅動的漂移冰排作用下產生劇烈振動而倒塌?；谶@些冰災害引發的工程事故，如何對冰區導管架平臺的冰激振動[1]情況進行分析引起了國內外學者的共同關注。

國內外科研工作者和工程技術人員采用不同的方法對海洋工程結構的冰激振動問題開展了大量研究工作。張偉等[2]通過低溫拖曳冰水池模型試驗方法對渤海某八樁腿大跨度導管架平臺的冰激振動響應情況進行了研究，校核了動冰力作用下結構的強度，并對不同冰條件下結構的響應規律進行了分析與討論。張紀剛等[3]使用作動器模擬動冰載荷作用，對一新型不銹鋼管中管鋼管混凝土組合平臺開展模型試驗，并將模型試驗數據與數值模擬結果進行比較，得到新型平臺有更強的承載能力和結構穩性。更多的學者通過理論分析和數值模擬的手段對冰激振動問題的現象和機理進行了大量研究。梁瑞等[4]使用ANSYS有限元軟件對某六腿導管架平臺的冰激振動響應進行模擬分析，討論了冰力遮蔽效應對結構動力響應的影響。趙玉良等[5]同樣利用ANSYS有限元軟件對渤海某導管架平臺進行了冰激振動分析，主要考慮海冰撞擊作用下結構的冰振響應情況，并討論了不同冰厚、冰速等冰參數變化時導管架響應的變化規律。吳奇兵等[6]使用ABAQUS有限元軟件對導管架平臺的冰激振動特征進行了模擬分析，并將計算結果與現場監測數據進行比較，發現結構基頻與冰力頻率相近時會產生明顯的共振現象，進而提出了改善冰激振動問題的幾項抗冰措施。除了針對導管架平臺結構的冰激振動進行數值模擬分析，一些學者還對如海上風電結構等構造物進行了研究。張大勇等[7]針對海上風電基礎這一柔性結構在海冰作用下的情況進行研究，分別從靜冰力極值和動冰載荷的角度進行分析，結合多年現場實測數據，對渤海某典型風電基礎結構的抗冰性能進行了評估。

通過對已有研究工作的整理和分析可知，目前對冰區海洋平臺冰激振動問題的研究中，仍主要以平臺整體結構為對象，對平臺火炬臂等子結構在動冰力作用下產生動力響應的研究工作仍較為匱乏。海洋平臺火炬臂屬于上部組塊的附屬結構，主要由鋼制圓管組成，是平臺火炬系統的組成部分之一。火炬臂主要為火炬系統的其他組成部分提供支撐，一般屬于細長結構[8-9]。本文以錦州9-3區域中心平臺上的火炬臂子結構為研究對象，分析火炬臂的冰激振動現象，從而探究其振動響應與主平臺結構響應之間的關系。

1 計算原理

對于本文所研究的導管架平臺火炬臂結構，其與平臺整體結構共同構成了結構動力學中典型的主從系統。在系統中，主結構與子結構的動力響應會相互影響。因此，為避免在進行主結構動力分析時，出現從屬結構動力響應影響主結構響應特征的現象，本文在研究中將對火炬臂結構進行獨立的動力分析計算。由此可知，計算中的關鍵性技術原理在于把握火炬臂子結構相對于導管架平臺主結構動力響應的繼承關系[10-12]。

為準確把握子結構對主結構振動響應的繼承關系，關鍵在于：

(1)在主結構振動分析中采用恰當的方法，準確獲取子結構與主結構連接位置的振動響應時程。

(2)在動力響應分析中，對局部關鍵位置動力響應的準確把握主要取決于兩方面因素：局部剛度矩陣和局部質量矩陣的準確建立。

在分析過程中，通過構建有限元模型對火炬臂與中心平臺上部模塊間的連接構件及火炬臂結構質量均進行了準確模擬，見圖1。由圖可見，在平臺設計中火炬臂與中心平臺上部模塊的兩層甲板形成了連接，在有限元模型中完整模擬了火炬臂與這兩層甲板連接的一系列構件。同時，為了在平臺整體模型中考慮火炬臂結構的質量，將火炬臂結構質量附加在模型的上述連接構件所組成的局部框架上。

這樣，在進行中心平臺的整體冰激振動分析計算中，就可以準確提取與每種海冰作用工況相對應的火炬臂連接點上的結構動力響應時程，而這些動力響應時程正是本文對火炬臂結構進行分析時的外部激勵輸入條件。

根據原型結構中火炬臂的結構型式建立有限元模型。在原型結構中，火炬臂通過4根弦桿分別與中心平臺上甲板(高程+29 m)和中層甲板(高程+21 m)相連。4根弦桿逐漸收攏并合并為3根弦桿，構成火炬臂結構框架?；鹁姹劢Y構的阻尼比為5%。為準確掌握火炬臂結構的動力特征，首先對火炬臂模型進行模態分析，通過計算得到結構前3階自振頻率，見表1。通過與原型結構的動力特征進行對比，可知該火炬臂模型的模態分析結果是合理的。前3階振型見圖2～圖4。

表1 中心平臺火炬臂模型前3階自振頻率

圖4 中心平臺火炬臂3階振型

2 計算及結果分析

2.1 激勵輸入

火炬臂振動是在平臺整體結構振動的帶動下產生的，因此本文對火炬臂模型的分析是以導管架平臺的整體動力計算為基礎的。計算結果表明：在最高天文潮水位，冰厚49.2 cm、冰速1.4 m/s(即百年遇冰厚和極端冰速)、冰向SSW工況下，平臺整體結構的動力響應達到最大值。在火炬臂動力分析中即以該工況為例，對火炬臂的激勵輸入條件進行介紹。

如上所述，火炬臂的激勵輸入項是通過提取平臺整體計算輸入點上的振動響應結果實現的。本文僅給出4個振動輸入點的其中一個，該點為火炬臂與中心平臺高程+29 m甲板靠西側連接點。提取該輸入點X、Y、Z3個方向的位移響應時程，其結果見圖5～圖7。其他連接點的輸入激勵按此種方法提取即可。進而可以進行火炬臂結構相應工況的動力計算。

圖5 火炬臂振動輸入點：X向位移時程

圖6 火炬臂振動輸入點：Y向位移時程

2.2 計算結果分析

本文首先對平臺極端工況進行分析，即最高天文潮水位下冰厚49.2 cm、冰速1.4 m/s(即百年遇冰厚和極端冰速)、冰向SSW工況。經過計算，圖8～圖13為火炬臂在該工況下沿X、Y、Z3個方向的位移和加速度響應，以及中心平臺高程+29 m甲板上的動力響應，其中：甲板響應結果源自平臺整體冰激振動分析，火炬臂響應由其頂端節點結果描述。

圖7 火炬臂振動輸入點：Z向位移時程

圖8 沿X方向的位移響應

圖9 沿Y方向的位移響應

圖10 沿Z方向的位移響應

通過上面對極端冰況下火炬臂與平臺甲板響應的對比可以看到，火炬臂在吸收了平臺甲板傳遞過來的振動能量后，已將其轉化為自身特有的振動形態。具體表現為：

(1)X向：振動形態基本與平臺甲板保持一致，位移響應水平較平臺甲板放大了2.5倍。

(2)Y向：振動形態與平臺甲板類似，但呈現出大比例的高頻成分，位移響應水平較平臺甲板放大了1.5倍。

(3)Z向：振動形態與平臺甲板完全不同。甲板在該向的振動水平十分微弱，但火炬臂已將其轉化為自身的1階模態共振，振動水平較平臺甲板放大了近100倍。

圖11 沿X方向的加速度響應

圖12 沿Y方向的加速度響應

圖13 沿Z方向的加速度響應

由上述分析可知，火炬臂在相同冰條件下體現出與平臺結構完全不同的振動響應特征。上述分析是在極端冰況下進行的，此時冰力中包含很大比例的高頻激勵成分[13-14]。查閱之前模態計算結果可知，火炬臂的前3階固有頻率均高出中心平臺整體固有頻率數倍，因此形成了火炬臂對高頻振動能量集中吸收的響應模式。

隨后對低冰速條件下的冰激振動情況進行對比分析，分別提取該工況下火炬臂和中心平臺高程+29 m甲板上的響應計算結果，本文只列出Z向響應結果見圖14、圖15。低冰速條件下，火炬臂在吸收了平臺甲板傳遞過來的低頻振動能量后，將其轉化為另一種特有的振動形態。具體表現為：

(1)X向：振動形態與平臺甲板保持幾乎相反的相位，同時呈現出大比例的高頻成分，位移響應水平較平臺甲板放大了近7倍。

(2)Y向：低頻振動形態與平臺甲板類似，但較之甲板呈現出更大比例的高頻成分，位移響應水平較平臺甲板放大了近2倍。

(3)Z向：振動形態與平臺甲板完全不同。甲板在該向的振動水平十分微弱，但火炬臂已將其轉化為類似于自身1階振型的衰減振動形態，位移響應水平較平臺甲板放大了近100倍。

由此可見，即便在低冰速下，火炬臂在繼承了平臺較為穩定的振動特征后，也將演化為以垂向振蕩為主的運動形態。

圖14 低冰速下中心平臺火炬臂和

圖15 低冰速下中心平臺火炬臂和

鑒于以上分析可知，火炬臂Z向運動與X、Y向的運動規律有明顯不同，且其在垂向(Z向)的振動響應占據主導地位。據此，為了更詳細地研究Z向冰激振動響應規律，對冰向西南偏南方向(SSW)工況下火炬臂Z向響應隨冰速與冰厚的變化情況進行統計，得到圖16～圖18所示的三維分布圖。

由前面數值模擬計算結果可知，中心平臺在動冰力作用下的響應規律主要體現在以下幾個方面：

(1)最高天文潮水位

低冰速下：振動水平較低的超諧波共振；

中冰速下：振動水平較高的超諧波共振；

高冰速下：振動水平較低的次諧波共振。

圖17 火炬臂在平均水位工況下Z向加速度波動范圍隨冰速變化情況

圖18 火炬臂在最低天文潮水位工況下Z向加速度波動范圍隨冰速變化情況

(2)平均水位

低冰速下：準靜態響應；

中冰速下：開始進入非線性共振區；

高冰速下：振動水平隨冰速逐漸增長的非線性共振。

(3)最低天文潮水位

低冰速下：振動水平較高的超諧波共振；

中冰速下：非線性共振區向隨機波動區的過渡；

高冰速下：振動水平較低的隨機響應。

觀察圖16～圖18可知，上述規律可同樣在火炬臂的振動響應中得到集中體現。由此可見，火炬臂的振動響應對于平臺主結構的振動具備重要的“繼承”特征，這也同時驗證了火炬臂冰激振動計算分析結果的合理性。

3 結論

本文為渤海淺水重冰區平臺的火炬臂冰激振動分析提供了一種數值模擬方法，通過對平臺整體結構和火炬臂結構的有限元分析可以得到以下結論：

(1) 主從結構系統拆分建立力學模型經過檢驗是可行的方法，為以后此類問題的解決提供了參考與借鑒。

(2) 計算結果顯示，渤海淺水重冰區平臺火炬臂的冰激振動相對于主結構有一定的放大，且垂直方向上的變化相對其他兩個方向更為顯著。

(3) 對極端工況分析可以發現，火炬臂的運動與平臺主結構的受力特性有著密切的關系。不同冰速下有著不同的破壞特性，對火炬臂結構有著不同的影響。

(4) 通過對計算結果的詳細分析可以發現，子結構的運動響應對主結構有著良好的“繼承”關系，在結果中得到了很好的驗證。