導(dǎo)管架平臺(tái)冰振特征分析及冰振風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

吳奇兵，張士超

中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450

渤海遼東灣海域冬季冰情嚴(yán)重，海冰在導(dǎo)管架平臺(tái)的堆積及其對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的撞擊給海洋石油開發(fā)生產(chǎn)帶來諸多安全隱患[1]。其中持續(xù)的冰激振動(dòng)可引起平臺(tái)劇烈振動(dòng)，長久作用下甚至?xí)l(fā)結(jié)構(gòu)失效。趙海培等[2-3]運(yùn)用仿真計(jì)算分析了固定式平臺(tái)的自振特征，王譯鶴等[4-5]利用振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)實(shí)地監(jiān)測平臺(tái)區(qū)域的冰激頻率。但目前研究重點(diǎn)多在振動(dòng)機(jī)理及振動(dòng)特征的研究方面，關(guān)于冰振作用下平臺(tái)的預(yù)防性應(yīng)對(duì)措施研究較少且不夠完善[6-7]。本文以遼東灣某導(dǎo)管架平臺(tái)為例，利用有限元方法進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振頻率等動(dòng)力特性，結(jié)合平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測響應(yīng)分析振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，為有效避免共振所帶來的結(jié)構(gòu)損傷和破壞提供參考依據(jù)。此外針對(duì)遼東灣海冰期冰情特點(diǎn)，提出了多種操作性強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。

1 冰振作用下平臺(tái)動(dòng)力特性分析

1.1 平臺(tái)自振特征分析

要研究導(dǎo)管架采油平臺(tái)在海冰作用下的動(dòng)力特性，主要通過有限元方法進(jìn)行平臺(tái)的模態(tài)計(jì)算[8]。由于目標(biāo)平臺(tái)模型復(fù)雜，且包含大變形的幾何非線性計(jì)算，因此選用ABAQUS軟件進(jìn)行分析，其強(qiáng)大的非線性求解能力可以很好地解決計(jì)算模型不收斂問題。

1.1.1 平臺(tái)模型建立

C平臺(tái)是一座常見的4腿4主樁導(dǎo)管架鋼結(jié)構(gòu)井口平臺(tái)，設(shè)計(jì)工作水深為7.5 m。平臺(tái)現(xiàn)場實(shí)況見圖1，共設(shè)置工作甲板、下層甲板、中層甲板和上層甲板四層。上層甲板尺寸為38.5 m×28 m，標(biāo)高EL.+28.5 m（相對(duì)海圖基準(zhǔn)面，以下同）；中層甲板尺寸為28 m×34.5 m，標(biāo)高EL.+23.5 m；下層甲板尺寸為33m×28m，標(biāo)高EL.+17m；工作甲板尺寸為21.5 m×21 m，標(biāo)高EL.+12 m。生活樓安置于上層甲板。建立的三維模型見圖2。位于A軸的兩條導(dǎo)管架腿柱為雙斜，B軸的兩條導(dǎo)管架腿柱為單斜，正面投影的斜度是10∶1；4根樁的直徑是1 829 mm，預(yù)計(jì)入土深度為80 m。在平臺(tái)井槽區(qū)布置有20根隔水套管，直徑是610 mm，預(yù)計(jì)入土深度50 m。該導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)為典型的空間板梁組合結(jié)構(gòu)，建模時(shí)忽略附屬部件，所有梁、筋、肋等均與實(shí)際結(jié)構(gòu)保持一致。

圖1 C平臺(tái)實(shí)況

圖2 C平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)模型

平臺(tái)通過鋼樁固定在海基上，其樁腿與土的相互作用直接影響到平臺(tái)的振動(dòng)形式。因此，模型建立的一個(gè)重要工作是要確定樁腿的約束方式，它直接影響到模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和精度。有些學(xué)者給樁腿施加彈簧約束來模擬與土的作用，本文采用將其嵌固點(diǎn)取泥線以下6～8倍樁徑距離這種普遍的約束方式。這種約束方式在滿足模型計(jì)算精度要求的前提下，極大簡化了結(jié)構(gòu)模型，減少了計(jì)算成本。

1.1.2 平臺(tái)模態(tài)分析

采用ABAQUS/Standard模塊自帶的子空間迭代法進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析，用來研究C平臺(tái)的自由振動(dòng)特點(diǎn)。使用Frequency模態(tài)分析模塊，利用振型疊加方法、線性攝動(dòng)分析步提取特征值，計(jì)算導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。由于導(dǎo)管架平臺(tái)整體剛度較大，因此其振動(dòng)頻率較低。由于對(duì)運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用的只是前面的幾階模態(tài)，為了減小計(jì)算規(guī)模，在此分析其前8階的振型及固有頻率。前8階振型見圖3，前8階自振頻率見表1。

從前8階振型圖中可以看出，C平臺(tái)結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)繞Y軸扭轉(zhuǎn)，第二階模態(tài)沿X向偏移振動(dòng)，第三階模態(tài)繞Y軸呈與第一階模態(tài)相反方向的扭轉(zhuǎn)。此外在平臺(tái)前6階振動(dòng)中，直升機(jī)甲板邊緣上均存在較大的振動(dòng)變形。通過對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的模態(tài)分析，可知振動(dòng)變形的主要原因是平臺(tái)局部剛度不足。因此在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮前幾階模態(tài)的影響，應(yīng)適當(dāng)增大已建平臺(tái)的剛度，進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)移的能力，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1.2 平臺(tái)振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)分析

為評(píng)估導(dǎo)管架平臺(tái)實(shí)際振動(dòng)特征，針對(duì)渤海遼東灣抗冰導(dǎo)管架平臺(tái)的冰振風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)海冰引起的災(zāi)害隱患進(jìn)行冰振監(jiān)測。以C平臺(tái)為例，通過建立在平臺(tái)上的監(jiān)測系統(tǒng)（振動(dòng)傳感器）測量平臺(tái)甲板加速度值。具體實(shí)施方式是將振動(dòng)測量儀器布置在相應(yīng)位置，利用振動(dòng)傳感器監(jiān)測采集海冰對(duì)結(jié)構(gòu)造成振動(dòng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。C平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。

由表1可知，計(jì)算的一階固有頻率（基頻）為1.416 4 Hz，而由圖4可知，現(xiàn)場監(jiān)測的冰振頻率為1.391 6 Hz，可見海冰的冰激頻率與平臺(tái)結(jié)構(gòu)基頻十分相近，因此冰情嚴(yán)重時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成振動(dòng)或強(qiáng)度破壞。

圖3 C平臺(tái)前8階振型

表1 C平臺(tái)前8階模態(tài)頻率

圖4 C平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測頻譜圖

2 海冰風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

大量研究及數(shù)據(jù)顯示，冰振作用是冰期導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)失效的重要風(fēng)險(xiǎn)因素。因此需要制訂針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施來避免平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效事故的發(fā)生。針對(duì)C平臺(tái)制訂了4種應(yīng)對(duì)技術(shù)措施。

2.1 海冰數(shù)值預(yù)報(bào)

應(yīng)對(duì)海冰風(fēng)險(xiǎn)首要工作即做好冰情預(yù)警。每天接收WRF模式的渤海海面數(shù)值氣象預(yù)報(bào)，與海冰模式聯(lián)接，制作海冰數(shù)值預(yù)報(bào)；密切關(guān)注渤海冰情進(jìn)展和演變，按時(shí)發(fā)送渤海海冰數(shù)值預(yù)報(bào)及未來冰情展望：包括冰厚、冰速、海冰外緣線等。

2.2 冰情監(jiān)測

冰期現(xiàn)場海冰實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)是海冰預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。通過海冰和海冰監(jiān)測的氣象和水文條件，收集和掌握海冰的實(shí)時(shí)信息，可以得到更多的海冰分布、類型和強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，進(jìn)而為導(dǎo)管架平臺(tái)的冬季生產(chǎn)安全管理提供依據(jù)。平臺(tái)海冰現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括：冰厚、冰速度、冰濃度、冰類型等。目前海冰現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)主要包括：現(xiàn)場人員觀測、雷達(dá)跟蹤監(jiān)測、氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測、視頻監(jiān)控、振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測及衛(wèi)星云圖等。可依據(jù)具體冰情特點(diǎn)選擇合適的監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測冰情。

2.3 抗冰錐的應(yīng)用

為減小海冰對(duì)平臺(tái)的水平推力，可在冰區(qū)的導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿均安裝抗冰錐，抗冰錐可以很好地減小平臺(tái)由于低平潮時(shí)海冰帶來的振動(dòng)[9]。當(dāng)抗冰錐抗冰效果不理想時(shí)，需進(jìn)行改造，結(jié)合具體冰況，從錐徑、錐角等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工。按照此思路對(duì)遼東灣多個(gè)導(dǎo)管架平臺(tái)抗冰錐進(jìn)行改造（見圖5），監(jiān)測結(jié)果顯示改造后的抗冰錐有效降低了海冰對(duì)平臺(tái)沖擊造成的振動(dòng)，降低了安全隱患。

圖5 抗冰錐改造

2.4 沖冰裝置的配置

平臺(tái)一般利用空壓機(jī)輸出的高壓空氣作用在海面以下結(jié)構(gòu)周圍，形成海水的高速擾動(dòng)，借助海水動(dòng)能及壓縮空氣的壓力防止海冰結(jié)成、堆積。針對(duì)C平臺(tái)設(shè)計(jì)使用的沖冰裝置（見圖6）應(yīng)用了一套氣爆沖冰設(shè)備，利用地下水增壓帶溫沖擊導(dǎo)管架之間的堆積冰。但沖冰技術(shù)存在局限性，在冰情較輕時(shí)沖冰效果良好，當(dāng)冰情較重時(shí)沖冰裝置效果一般。沖冰裝置的除冰效果除了取決于冰情的輕重外，還要參考海冰流速、潮水、風(fēng)速等信息，因此在使用這項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施時(shí)需要結(jié)合冰情綜合考慮。

圖6 導(dǎo)管架平臺(tái)沖冰裝置

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析，確定了C平臺(tái)的振型和自振頻率。現(xiàn)場海冰監(jiān)測顯示，冰力能量頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相近，易產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，進(jìn)而對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成振動(dòng)或強(qiáng)度破壞，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。

（2）分別從預(yù)測和處置兩個(gè)角度提出了多種風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)技術(shù)措施：包括海冰數(shù)值預(yù)報(bào)、冰情監(jiān)測、抗冰錐的使用及配備沖冰裝置，現(xiàn)場應(yīng)用顯示應(yīng)對(duì)措施具有很高的可操作性及適用性。

（3）在進(jìn)行海冰期冰區(qū)導(dǎo)管架平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)管理時(shí)，除了引進(jìn)先進(jìn)的抗冰技術(shù)外，還需要完善海冰應(yīng)急管理制度及程序，才能確保導(dǎo)管架平臺(tái)海冰期的結(jié)構(gòu)安全。