臺風作用下海洋井架結構安全風險監測及評級

摘要：

海洋井架服役期間經常承受極端風載荷作用，定量評估其風載作用下的結構響應并指導安全風險預警尤為重要。采用有限元分析方法研究風載作用下井架高風險區，結合在線監測技術采集井架在臺風期的結構響應數據，并建立風載作用下井架安全評級模型，對井架現狀進行量化風險分級。應用結果表明：井架在風載作用下高風險區域處在結構不同分體的連接處，尤其是承載機構部位；井架在線監測設備可實現在臺風期持續平穩運行，監測數據可為井架安全狀態監測預警提供參考；井架安全風險評級模型可在充分結合井架實際服役狀況及臺風預警數據的前提下，實現井架量化安全風險評級。所得結論可為臺風期井架安全風險預警及分級管控提供有益指導。

關鍵詞：

海洋井架結構；風載作用；高風險區；安全風險評級；在線監測

中圖分類號：TE95

文獻標識碼：A

202402071

Risk Monitoring and Safety Rating of Offshore Derrick

Structure Under the Action of Typhoons

Zhang Shichao1，2，3 Huang Rukang1，2 Li Biaobiao1，2 Li Jianwei2，3 Chen Xiaowei1，2，3 He Baolin1，2

（1.CNOOC Safety Technology Services Co.，Ltd.；2.CNOOC EnerTech-Safety amp; Environmental Protection Co.；3.Key Laboratory for Safety amp; Environmental Protection of Offshore Oilfield，CNOOC Energy Technology amp; Services Limited）

Offshore derricks are often subjected to extreme wind loads during service，so it is particularly important to quantitatively evaluate their structural response under wind loads and guide safety risk warning.In this paper，the finite element analysis method was used to examine the high-risk area of the derrick under the action of wind load.Then，combined with the on-line monitoring technology，the structural response data of the derrick during the typhoon period were collected.Finally，a safety rating model of the derrick under the action of wind load was built to quantify the risk classification of the current situation of the derrick.The application results show that the high-risk area of the derrick under wind load is located at the connection of different structural components，especially at the load-bearing mechanism.The online monitoring equipment of derrick can run continuously and stably during typhoon periods，and the monitoring data can provide reference for the monitoring and early warning of the safety status of the derrick.The derrick safety risk rating model can achieve quantitative safety risk rating of the derrick by fully combining the actual service condition of derrick with the typhoon warning data.The research conclusions provide useful guidance for the safety risk warning and hierarchical control of derricks during typhoon periods.

offshore derrick structure；wind load effect；high-risk area；safety risk rating；online monitoring

0 引 言

海洋石油井架作為鉆修機最主要的承載結構，在服役過程中長期承受復雜的作業載荷及海洋環境載荷雙重作用［1］。與陸地石油井架不同，海洋井架作為石油平臺高聳鋼結構，風載對其不利影響更加明顯。特別是近年來，超強臺風引發極端風暴頻發，使得海洋井架服役環境越趨惡劣。2019年，超強臺風“玲玲”正面襲擊東海，實測最大強度超過17級，造成了有史以來最嚴重的生產和鉆井設施損失，其中部分井架均有不同程度損壞［2］。

為了掌握井架在風載作用下響應規律，眾多學者進行了相關研究。文獻［3-4］進行了井架風洞試驗研究，采用測壓試驗和測力試驗有效獲取井架風壓分布與風載荷大小；文獻［5-6］采用相似理論建立井架縮尺物理模型進行了風載荷激勵試驗，采集了井架各部位加速度響應與應變響應；文獻［7-8］通過建立數值模型進行仿真模擬，揭示了不同風載荷作用下井架結構動力特性。大量的研究文獻為海洋井架防臺風險評估提供了思路及方法，但在海洋井架防臺風險評估預警工程應用上還少有相關實踐。

鑒于上述情況，筆者通過分析風載作用下井架高風險區，融合井架結構在線監測技術［9-10］，通過建立風載作用下井架安全評級模型，對井架現狀進行安全風險分級［11-12］，由此搭建了一套集應力分析、在線監測及安全評價為一體的海洋井架防臺風險評估技術體系。應用示范結果表明，該技術體系可監控井架在臺風期間的狀態，能有效指導臺風期間井架安全風險預警及分級管控。

1 風載作用下井架高風險區強度分析

1.1 井架整體應力分析

為掌握井架在風載作用下的應力分布規律，確定井架高風險區，對井架整體進行了風載作用下的有限元分析。

1.1.1 井架概況

L平臺JJ450/47型井架是以H型鋼為主大腿的前開口式無繃繩“K”形自舉式井架，額定靜鉤載4 500 kN；工作高度46.7 m；井架抗風能力為：保全設備工況（無立根、無鉤載）風速≤63.3 m/s；等候天氣工況（滿立根無鉤載）風速≤47.475 m/s。

1.1.2 有限元模型建立

根據井架出廠資料及歷史檢驗檢測數據，建立井架整體有限元模型。為了減少計算工作量，在進行有限元建模時，結合井架的特點，在滿足計算精度的情況下，對井架的實際結構進行簡化，建立接近實際結構的力學模型。在建立井架模型時作了以下假設：

①將井架簡化為三維空間剛架結構，其單元為三維空間梁單元；②建模時將二層臺、天車、井架護欄、護梯等附屬設備忽略；③在井架上下體連接處建立耦合約束，模擬承載機構的連接方式。建立的L平臺井架三維模型如圖1所示。

1.1.3 應力分析結果

依據標準［13］要求進行風載作用下應力分析。臺風條件下應力分析2種工況：等候天氣工況（無鉤載，二層臺滿立根）和保全設備工況（無鉤載，二層臺無立根），每種工況風載施加方向包括0°、45°、90°、135°、 180°、225°、270°、315°這8種情況。0°方向（背向）風載施加示意圖如圖2所示。

分析結果表明，井架在保全設備工況背向承風時為最不利工況，井架高應力區位于井架上體與井架基座的相連接的承載機構處，應力云圖如圖3所示。

1.2 高風險區強度校核

為分析承載機構部位在風載作用下的應力變化情況，結合具體事故案例進行事故反演分析。某次超強臺風作用造成C平臺井架在承載機構處發生斷裂并致使井架傾覆，如圖4所示。事故失效模式與有限元分析結論相符，即承載機構處是井架在風載作用下的薄弱部位。

由于缺少實測風速資料以及井架實際結構性能方面的數據，結合現場情況對井架倒塌過程作初步分析。井架承受風載后，井架上體和基段安裝的承載機構拉脫，承載機構防退安全銷被井架下段處耳板剪斷，井架脫出。從井架基段上部前傾近60°可知，井架在受背向風載狀態下倒塌的同時也將井架基段折彎，井架上體完全與井架基段脫離并倒向大門（開口）方向。

L平臺井架結構形式（包括承載機構）均與事故C平臺井架類似，故參照C平臺井架進行井架傾覆事故反演。計算時采用極端工況風速64.7 m/s（該井架設計最大風速）進行載荷輸入，計算承載機構處的位移，然后將其位移載荷施加至承載機構局部模型中（見圖5），承載機構有限元分析見圖6。

由事故反演有限元計算結果可知，承載機構軸銷及耳板根部有明顯的應力集中現象，在承受非預期載荷時會首先受到破壞，進而導致井架上部結構與井架基段分離并倒塌，可見反演結果符合事故真實情況。由于井架風載作用下產生大的位移，對承載機構軸銷以及耳板產生了強大的剪切力，造成軸銷或耳板的結構破壞，使得承載機構完全失效，最終導致井架倒塌脫落。有限元分析結果及現場事故案例均表明，后續在井架設計時及臺風來臨前要重點關注承載機構部位。

2 臺風期井架結構在線監測

為掌握在臺風作用下井架實時狀態，收集更多歷史監測數據，需要對井架做臺風期在線監測。通過監測數據實時獲取井架結構響應并及時發現井架隱患，進而指導臺風期間對井架結構進行安全預警及風險管控。

2.1 監測方案

監測方案選擇的監測系統主要由傳感器、數據采集系統、電源供電系統、北斗系統、配套設備及監測軟件等構成。采集數據傳輸方式為傳感器→網線→數據采集器防爆箱→工控機（含顯示屏）/UPS→北斗傳輸系統發射端。井架在線監測系統示意圖見圖7。

采用DH2002集中式低速在線監測系統。該系統應用于測點數量多、測點相對集中、采樣速率要求不高的大型結構健康狀態在線監測與結構安全評估。

2.2 傳感器選型

在線監測傳感器其主要包括如下部件。

（1）應變計。DH1101焊接式應變計是一種特殊的電阻應變計，繼承了通用電阻應變計的典型特性，特別適合金屬構件的精密應力測量和分析，具有穩定性好、構造簡單、電焊安裝方便快捷、牢固可靠等特點。

（2）傾角傳感器。SCA120T雙軸電壓輸出型傾角傳感器是一款模擬電壓輸出的雙軸傾角傳感器，能同時輸出2個方向軸的傾斜度，用戶只需采集傳感器的電壓值就可計算出當前物體的傾斜度。主要用來測量井架結構與水平面的傾斜角度。

（3）風速傳感器。對處于臺風區域的井架結構進行風速監測，宜選擇三向超聲風速儀。WINDSONIC超聲風速傳感器是一個低成本的風速計，它利用成熟的超聲波技術，通過一個串行或2個模擬輸出提供風速和方向數據。其具有堅固、無腐蝕的聚碳酸酯外殼，這種小型、輕便的風傳感器特別適合于海洋風環境監測。

2.3 監測設備安裝

2.3.1 總體安裝要求

為滿足總體安裝后的適用性及安全性，提出了如下安裝要求。

（1）由于臺風期間平臺需要撤臺，在線監測設備使用期間平臺上無人值守，故臺風期監測的關鍵點是持續供電，需要設計方案滿足設備要求24 h開機供電；該在線監測系統用電總功率預估為100 W，能夠連續運行時間預估為7 d，滿足監測周期要求。

（2）為避免監測設備安裝后對作業造成干涉，需要所有電纜用不銹鋼綁扎帶進行綁扎。電纜鋪設過程中，可以沿用原走線馬腳和線槽，無法利用的必須重新焊接馬腳和布置線槽。嚴禁直接綁扎在欄桿、護欄、梯子等結構上。

（3）井架在線監測系統各部件及連接件必須穩固可靠，具備雙重防墜落措施；卡箍與橫撐之間加裝膠皮以防止破壞井架涂層以及雙金屬腐蝕。

2.3.2 傳感器布置

傳感器布設要充分結合相關標準、井架歷史失效數據、井架應力分析結果及現場調研情況等綜合考慮。最終確定井架布置32個應變傳感器（8個安裝部位，每個部位4個點）、4個傾角傳感器，布置方案如圖8所示。其中下截面布點位置距鉆臺面17 m，上截面布點位置距鉆臺面31 m。

2.3.3 傳感器安裝

井架在線監測傳感器安裝要求如下。

（1）應變傳感器上截面安裝位置處于井架二層臺截面上方約6 m的井架主立柱距邊緣5 mm處；下截面安裝位置處于距離井架下端爬梯平臺平面的截面上方約2 m的井架主立柱邊緣5 mm處。

（2）傾角傳感器的防爆箱安裝位置處于井架二層臺截面上方的橫撐H型鋼凹槽處，夾具避開井架照明燈。

（3）北斗傳輸系統和風速傳感器安裝位置處于鉆修機儀表間房頂角落欄桿合適部位，以不影響鉆井作業，周邊不得有遮擋，在高處安裝為原則。

（4）數據采集器防爆箱安裝位置處于鉆修機配電間與儀表間之間外墻面；工控機（含顯示屏）、UPS應安裝在鉆修機儀表間門口處空置位置。

2.4 監測數據分析

在監測期間，實時獲取井架32個應變傳感器及4個傾角傳感器的數據，同時獲取L平臺的氣象數據。

2.4.1 應變監測數據分析

根據氣象監測數據，選取風速較大的2023年11月3日全天數據和2023年11月4日截止到下午4時的數據，數據每隔300 s完成一次傳輸，所獲取的數據為井架不同位置的應變數據，如圖9所示。為了更直觀地看出應變值的變化，制作了井架應變變化圖（見圖9a）。監測期間最大應變為327.44 με，該鋼材彈性模量為206 GPa，故最大應力為67.45 MPa。井架安全系數為5.12，大于標準規定安全系數1.67［13］，因此該井架結構滿足強度要求。此外，結合風速及應變監測數據可知，當風速變大，結構應變也隨之變大。

2.4.2 傾角監測數據分析

選取2024年1月1日部分傾角傳感器的數據（數據每隔300 s傳輸1次），經過數據處理得到不同時刻傾角的數據如圖9b所示，其中X和Y表示不同方向。基于位移準則，依據相關標準［14］，高聳結構在以風為主的載荷標準組合下，其水平位移角不得大于1/75。在此次監測中，傾角監測點距鉆臺面31 m，故監測處水平位移不得超過413.3 mm。經測算，水平傾角不得超過0.764°。由圖9b可以看出，監測期間傾角最大值為0.58°，傾角最小值為0.11°，其傾角絕對值均滿足要求。

3 臺風作用下井架安全風險評級

由于海洋鉆修機井架長期服役于復雜工況下，其安全等級受結構自有狀況及外界環境等多種因素共同作用，影響其安全性能的因素較多。若要判斷各因素對鉆修機井架的安全影響程度，并綜合考慮多種影響因素同時作用下對其安全性能造成的影響，基于層次分析的模糊綜合評價法有其突出的適用性。

3.1 建立評價模型

結合標準、工程經驗及管理要求建立臺風作用下井架安全等級評級指標體系，模型指標體系分為2個層級，具體見表1。

3.2 建立評語集

將評價對象井架安全風險等級分為A、B、C、D等4個級別，建立評語集V=（較低風險，一般風險，較大風險，重大風險），并對其賦值為：V=（4，3，2，1）。

3.3 指標權重計算

結合歷史數據建立模糊綜合評價模型，并采用“1-9標度法”邀請相關領域專家，對臺風作用下鉆修機井架安全性能影響因素進行權重賦值。為確保賦值的客觀性及全面性，確定專家人選時充分考慮了專家的擅長領域及專家人數。最終從鉆修機使用單位、鉆修機設計及生產廠家，第三方檢驗咨詢機構以及鉆修機維保單位等領域選定了共計12位專家。專家打分確定的最終臺風作用下井架安全性能影響指標權重見表2。

3.4 評價隸屬度矩陣確定

在建立隸屬度矩陣時充分參照相關的標準條目量化確定，使得分級結果更加客觀。

依據文獻［15］8.1中的規定，井架現有承載能力分為4級。井架抗風能力同樣體現為結構整體的承載性能，故分級指標的確定可參照應力測試分級。井架結構承載性能分級準則見表3。

損傷情況依據文獻［16］中6.2的規定，對鉆修機結構檢查期間發現的損壞定義為“嚴重”“中等”和“輕微”3類；腐蝕銹蝕情況可參考文獻［17］。綜合確定井架結構完好性分級準則見表4。

由于井架歷史服役情況4個指標歷史記錄不夠完善，不能獲得十分精確的數據，故對4個指標的數據進行大數據統計，依據工程經驗進行了分級標準的確定，井架歷史服役情況分級準則見表5。

3.5 安全等級分級計算

結合海上油氣田防臺輔助支持系統，獲取臺風預警信息。以2023年第14號“小犬”臺風為例，該臺風生成后朝西北方向移動并逐漸增強，于10月2日夜間與10月4日夜間2次加強為超強臺風等級。10月4日進入南海東部油氣田最外層警戒線區域，風力強度達15級；并于4日夜間在蘭嶼站測得最大風速95 m/s，打破中國實測最強陣風記錄。臺風“小犬”進入南海后移動速度減緩，移動方向由偏西轉為西偏南，但強度未明顯減弱，于10月6日再次加強為強臺風級并進入南海東部油氣田紅色警戒區域內，最大風力48 m/s，給南海東部和西部油氣田平臺帶來較大影響。臺風“小犬”移動趨勢見圖10。

根據臺風預報數據，L平臺所在區域未來所受最大風力48 m/s。收集獲取L平臺井架相關服役情況并分析，將L平臺海洋井架進行安全等級量化分級，評定結果如表6所示。

通過對防臺風險等級的劃分，得到各指標對應于評語集的隸屬度，進而得到了該平臺鉆修機井架防臺風險單因素評價矩陣R：

R=10000100010000100001001010000010（1）

防臺風險評語定量化見表7。

模糊綜合評判表達式為：

B=A×R

A=0.422 60.237 70.145 80.060 80.066 70.033 10.012 30.021 0T（2）

式中：B為評判結果向量，A為評判因素權向量。

綜合評估結果D為評估向量B與安全等級賦值V的乘積，則有：

D=B×V（3）

將式（1）代入式（2）計算可得：

B=0.438 90.383 50.114 90.066 7

又V=4 3 2 1T，經式（3）計算得D=3.202 6。

綜合評價結果3.202 6屬于（2.5，3.5）的范圍，相應評估結果為“3”。因此L平臺鉆修機井架防臺風險等級為B，防臺風險評估結果為“一般風險”。

為了有效管控臺風作用下井架安全風險，提出如下針對性技術措施：

（1）臺風來臨前，依據井架評級及預警信息對影響井架整體穩定性的關鍵部位進行檢查并修復，確保其處于良好的狀態；井架結構高應力區做好檢驗檢測工作（尤其是承載機構），確保臺風期間無結構缺陷；對現場設備固定綁扎，提高結構抗風穩定性，減小由風載荷引起的振動振幅。

（2）臺風過境后，除了對井架關鍵部位進行檢驗檢測，還需要進行整體結構安全性能評估，對有損傷處征詢設備廠家進行維修升級，提出修復加強措施，以滿足后續使用要求。

4 結論與展望

（1）通過有限元分析，結合事故案例反演可知：井架在風載作用下，井架高風險區域處在結構不同分體的連接處，尤其是承載機構部位。

（2）井架在線監測設備可實現在臺風期持續平穩運行，監測數據可為臺風作用下井架安全狀態監測預警提供參考。在綜合考慮經濟效益及適用性的前提下，未來可考慮研發輕量化集成化在線監測裝備。

（3）利用基于層次分析的模糊綜合評價法，建立了臺風作用下井架安全等級模糊綜合評價模型，臺風預警數據應用結果表明，該模型可實現臺風作用下井架安全風險評級。對于模型中部分指標數據獲取困難、量化打分缺少客觀依據的情況，需要后續持續調研完善，以使評級結果更加精準可靠。

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第一張士超，高級工程師，生于1989年，2014年7月畢業于中國石油大學（北京）結構工程專業，獲碩士學位，現從事海洋油氣鉆采設備質量與安全技術研究工作。地址：（300457）天津經濟技術開發區。email：zhangshch18@cnooc.com.cn。2024-02-182024-07-11楊曉峰