基于SACS的老齡導管架平臺靜力分析

摘" " 要：針對某渤海小型老齡導管架平臺，基于SACS軟件，對該平臺進行了上浪及靜力分析，主要研究了平臺響應對沉降/海底沖刷深度的敏感性。結果表明：極端冰工況為該平臺的控制工況，且新增結構的安全性較弱。在極端冰工況下，平臺桿件及節點最大UC值隨沉降/沖刷深度的加深而接近線性增長，且新增結構的最大桿件及節點UC值會超過1。同時，當沖刷超過72.50cm時，平臺主體的樁基承壓安全系數不再滿足要求。本文分析結果對類似平臺的檢測維修和延壽評估具有一定參考意義。

關鍵詞：導管架平臺；SACS；上浪；靜力分析；沉降；沖刷

中圖分類號：P752" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A

Static Analysis of Aged Jacket Platform Based on SACS Software

YAO Yunpeng，" FU Zhiguo，" XU Hui，" DING Guolin

（ Offshore Technology Center of China Classification Society， Tianjin 300457 ）

Abstract： In terms of a shallow water aged jacket platform in the Bohai Sea， the green water load and static analysis of the platform was carried out based on SACS software. The sensitivity of the platform response to subsidence/ submarine scour depth was mainly studied. The results show that the safety of the newly added structures is weak under extreme ice conditions which are control conditions. Under the extreme ice conditions， the maximum UC values of platform members and joints increase linearly with the deepening of subsidence/scour depth， and the maximum UC values of newly added structures exceed 1. Further， when the scour exceeds 72.50 cm， the bearing safety factor of the pile foundation of the main body of the platform can no longer meet the requirements. The results have certain reference significance for the inspection， maintenance and life extension evaluation of similar platforms.

Key words： jacket platform;" SACS;" green water;" static analysis;" subsidence;" scour

1" " "引言

如今對于海洋油氣的開發中，導管架平臺憑借其結構形式簡單、成本低等特點在淺海和中深海域的油氣開發市場中占據優勢地位。目前我國的海洋工程領域，存在大量的現役導管架平臺，其中大多數服役壽命為20到25年。由于長期服役在惡劣的海洋環境下，導管架樁腿的深度腐蝕[1]、較厚的海生物附著[2]和長期的疲勞損傷[3]等原因會造成導管架平臺整體安全性的劇烈衰減，尤其是在平臺服役后期，甚至超期服役期間，平臺的安全性會受到較大挑戰。

除上述不利因素外，大量的實際監測結果顯示，相當數量的老齡平臺存在整體沉降問題[4]，致使平臺受到更大的彎矩外載。同時，海底土層的持續沖刷[5]亦會導致平臺樁基承載能力的下降。另外，部分老齡平臺由于改造等原因，新增部分結構，其可靠性亦較低，為了保證平臺的安全生產，需要及時對老齡以及超期平臺的安全性進行詳細評估。徐輝等[6]對老齡平臺的評估方法及程序等進行了詳細介紹，為相關的評估工作給出了指導。本文則主要參考《導則》[7]要求，具體以某渤海淺水小型導管架平臺為例，基于SACS軟件，從靜力分析的角度，重點分析平臺沉降及海底沖刷帶給平臺的影響，為后續相關的檢測及延壽評估工作提供一定的參考。

2" " "計算原理

靜力分析過程中，平臺受到的主要環境載荷為風浪流以及冰的作用力，其計算原理具體如下：

風載荷計算公式為：

（1）

式中：FD為風力；ρ為空氣質量密度；u為風速；CS為形狀系數；A為迎風面積。

垂直于小尺度圓形豎直桿件軸線方向，單位長度上的波浪載荷按Morison公式計算：

（2）

式中：Fw為波浪力；CD為拖曳力系數；CM為慣性力系數；ρ為海水密度；D為桿件直徑；u為垂直于桿件軸線的水質點相對于桿件的速度分量；a為垂直于桿件軸線的水質點相對于桿件的加速度分量。

作用于單位長度圓柱上的流載荷計算公式為：

（3）

式中：FC為流載荷；CD為拖曳力系數；ρ為海水密度；A為單位長度圓柱垂直于流的投影面積；uc為海流流速。

在風和流作用下，大面積冰源擠壓垂直孤立樁柱所產生的冰載荷[8]按下式計算：

（4）

式中：F1為冰力；m為形狀系數，圓形截面取0.9；σc為冰無側限壓縮強度；D為冰接觸區域結構的寬度；h為冰厚。嵌入系數I和fc接觸系數可由下式得到：

（5）

3" " 平臺模型及環境參數

3.1" "平臺模型

本文選取服役于渤海海域的某三腿淺水導管架平臺（設計使用年限15年，目前已超期服役11年，并發生沉降0.55 m，沖刷2.2 m）進行評估。除平臺主體外，于服役中期改造加裝三根獨立樁及相應的水平撐桿（用以連通新的井位，下文統一用“新增結構”指代）。該平臺服役水深為12.5 m，其操作重可變載荷取100%，極端重可變載荷取75%，海生物密度為1.40 t/m3，厚度見表1。

建立SACS模型時，依據最新的檢測報告，分別考慮了各桿件的腐蝕深度。后又考慮了飛濺區腐蝕速率為0.3 mm/年，冰磨蝕速率為0.1 mm/年。鑒于檢測報告顯示目前平臺上部組塊及樁腿表面油漆發生了大面積掉落，故在其余部位整體考慮0.1 mm的腐蝕，具體取值如表2所示。

3.2" " 環境參數

考慮50年重現期的極端冰厚為45 cm，極限抗壓強度為2244 kPa。操作及極端風暴工況分別取1年和50年重現期，其對應的環境參數如表3所示。

4" " 計算結果及討論

4.1" "甲板氣隙分析

導管架平臺需要保持足夠的氣隙高度，因此對該平臺的甲板氣隙進行分析，具體的甲板氣隙計算方法如下：

（6）

式中：T為甲板高程或設備底面高程；H為校核高水位水面高程；Hb為校核高水位的最大波高；Δ為富裕高度。

由表4可知，該平臺的甲板氣隙為1.05 m，小于1.5 m，不滿足要求。后經過詳細分析，發現極端風暴工況高水位下的水質點高度距離甲板下表面1.07 m，不會抨擊甲板，故甲板高程滿足安全要求，無需在后續的靜力分析中施加額外的波浪抨擊載荷。

4.2" "平臺靜力分析

采用3.2節環境條件，對該平臺進行操作工況、極端風暴工況以及極端冰工況下的靜力分析，具體計算結果如下。

由表5可得，平臺主體及新增結構的UC值均小于1，滿足規范要求。由于該平臺主體處于淺水區域，且結構形式簡單，受到的波流力有限，故其控制工況為極端冰工況。計算結果顯示，其中新增結構的最大桿件UC值為0.991，最大節點UC值為0.994，而平臺主體的最大桿件UC值為0.392，最大節點UC值為0.494。同時，平臺主體和新增結構的樁強度最大UC值為0.524。顯然，平臺主體的安全性較高，而新增結構的最大桿件及節點UC值接近于1，需要重點進行分析。平臺新增結構最大UC值桿件及節點出現的位置在水線以上，同時，該平臺會定時清理海生物，且腐蝕狀況較為良好，故下文不再針對海生物厚度及腐蝕深度進行進一步討論。

通過表6可知，平臺主體及新增結構樁基在操作工況下的承載力安全系數大于2.0，在極端工況下的承載力安全系數大于1.5，滿足規范[10]要求。其中，新增結構的樁基承載力安全系數遠在規范要求之上，安全性較高，下文不再對其進行分析。

4.3" "平臺沉降敏感性分析

由于平臺的整體沉降現象，進一步地，鑒于極端冰工況為該平臺的控制工況，且其余工況下的平臺響應較小，故在極端冰工況下，分析了平臺響應對于沉降深度的敏感性，選取的最大沉降深度為55 cm，具體的計算結果如圖4～7所示。

通過圖4和圖5可以發現：由于沉降的加深，冰載荷的加載位置相對于平臺結構變高，施加的力矩變大，故平臺主體及新增結構的桿件及節點的最大UC值均隨沉降深度增加而接近線性增加。同時，當新增結構沉降超過4.17 cm時，最大節點UC值超過1，當新增結構沉降超過11.67 cm時，最大桿件UC值超過1，不再滿足規范要求。

由圖6和圖7可得，沉降深度對鋼樁UC值及樁基承壓安全系數影響極小，但會導致平臺主體的樁基抗拔安全系數隨沉降深度增加而接近線性減小，但均滿足規范要求。

4.4" 平臺沖刷敏感性分析

導管架平臺常會發生海底泥面的沖刷現象，從而導致其樁基剛度的降低，影響平臺的安全性能，故本節在平臺未出現沉降現象的基礎上進行平臺對于沖刷深度的敏感性分析，選取的最大沖刷深度為200 cm，計算工況為極端冰工況，具體結果如圖8～11所示。

通過圖8和圖9可以發現：由于沖刷的加深，導致樁基剛度的降低，從而造成平臺主體及新增結構的桿件及節點最大UC值均隨沖刷深度增加而接近線性增加。同時，當新增結構沖刷超過33.33 cm時，最大節點UC值超過1，當新增結構沖刷超過11.11 cm時，最大桿件UC值超過1，不再滿足規范要求。

由圖10和圖11可得，隨著沖刷深度的增加，鋼樁UC值接近線性增加，樁基承載力系數線性減小。尤其是當沖刷深度超過72.50 cm時，平臺主體的樁基承壓安全系數小于1.5，不再滿足規范要求。

5" " "結論

針對渤海區域小型導管架平臺，采用SACS軟件進行結構建模，考慮了海生物、腐蝕的作用，分析了平臺響應對沉降/沖刷深度的敏感性，結論如下：

1）對于渤海區域的淺水小型導管架平臺，由于其結構形式簡單，故其控制工況為冰工況，在僅考慮海生物和腐蝕的影響下，平臺靜力分析結果滿足規范要求；

2）一定程度的沉降和沖刷均會導致平臺不再滿足規范要求，且平臺的最大桿件及節點UC值對平臺沉降深度/沖刷深度的敏感性較高，隨其增加而接近線性上升，同時，沖刷現象甚至會導致平臺樁基承載力的不足；

3）相比于原始的平臺主體結構，新增結構的安全性較弱，應對相關結構加強監測并進行相應補強，保證其安全性。

參考文獻

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