番禺30-1导管架海洋平台结构振动监测与安全分析

岳前进，王胜永，樊哲良，张大勇

(1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116023;2.大连海洋大学 海洋工程学院，辽宁 大连 116023)

我国最早的海洋石油开发起步于20 世纪60年代末的渤海湾海域，该海域水深较浅，海洋平台结构型式以导管架平台结构为主，经过近四十年的工程应用，对导管架平台结构的设计、建造、安装及维护等方面已经取得了比较成熟的工程经验。

随着人们对海洋石油能源需求的日益增加，从浅海走向深海是世界海洋油气开发的总趋势，深海石油作业已经被认为是石油工业的一个重要前沿阵地。我国南海深水海域有着丰富的油气资源，是世界四大海洋油气聚集中心之一。在南海较深的海域进行油气资源探索开采进程中，采油平台结构的设计、建造及安全运行，是深海油气资源开发中的关键技术之一［1］。番禺30-1 平台是我国至今为止首座位于水深200 m 海域的固定式导管架海洋平台结构，位于我国南海珠江口盆地，其导管架结构总高度213 m，自重19 200 t，是目前亚洲最大的海上油气导管架平台结构，它的安全运行性能对保障油气田资源正常开采及推进平台结构相关技术研究具有重要工程意义。

目前的海洋平台结构规范设计中，一般将地震、波浪、海流、风等环境载荷转化为等效静力作用进行考虑，因而现有的平台结构设计大多数是基于静力/拟静力的设计标准，并通过结构强度、刚度及稳定性校核，进行评估结构或者构件在各种载荷组合作用下是否安全，从而保证平台结构在极端工况下的结构安全。然而对于平台结构来说，却经常受到交变动载荷的作用而产生结构的振动响应，例如阿拉斯加库克湾的采油平台［2］，北欧的Bothnia 湾灯塔［3］及我国辽东湾导管架平台等多座平台结构都监测到振动现象［4-5］，导致海洋工程结构的多种失效模式，而大多数深海海洋工程结构更趋于属于柔性结构，在波浪控制载荷作用下极易发生振动响应。为了保障番禺30-1 平台结构的安全运行，分析环境载荷对平台结构的动力性能影响，开展了该平台结构的动力性能监测和安全评估工作，为将来深水平台结构的设计、安全保障提供参考价值。

1 环境载荷作用下导管架平台结构的失效模式

导管架平台结构在海洋环境中受到多种载荷的作用，其中固定载荷主要包括平台结构自身的重量及作用在水面以下结构上的静水力，而动载荷主要包括海洋环境的风、浪、流、冰、地震等载荷及平台结构的作业载荷等［6］。平台结构在固定载荷和动载荷作用下主要发生以下几种失效模式。

强度、刚度及稳定性失效模式，平台结构在载荷作用下的强度失效模式是其构件的应力超过了设计许用应力;刚度失效模式是平台结构的最大层间变形和最大变形量超过了设计容许量;平台结构构件具有截面轮廓尺寸小、构件细长的特点，在外载荷作用下，可能使平台结构出现整体失稳或局部失稳现象。

在交变动载荷作用下，平台结构会产生振动加速度及构件交变应力响应，其中交变应力可能会引起平台结构构件疲劳失效;另外，平台结构也经常受到偶然的冲击载荷作用，例如船舶与平台结构的碰撞、下落重物等，冲击载荷一般具有瞬时性、载荷值较大等特点，往往对平台结构的某个构件产生严重的损伤、塑性变形等而失效。

2 海洋环境及平台结构振动响应监测

为了评估番禺30-1 导管架平台结构(图1)在海洋环境载荷下的动力性能，建立了图2 所示的平台结构现场监测装置。主要包括遥测波浪仪，用于监测平台所处海域的波高、频率等波浪参数;风速仪，用于监测平台结构的所受的风速、风向等参数;加速度传感器，用于监测平台结构的振动加速度响应。此外，还开发了专门的应用程序，实现了在南海海域台风多发期及季风期内海洋环境和平台结构动力响应监测的同步性、连续性和完备性。

图1 番禺30-1 平台Fig.1 PY30-1 platform

图2 番禺30-1 平台加速度测量示意Fig.2 The acceleration measurement system on PY30-1 platform

3 波浪动载荷下平台结构振动与安全分析

2009年9月至2010年1月开展了平台结构振动响应监测工作，由于在整个监测期间没有台风经过平台所处海域，因而监测得到的是季风期海洋环境参数及平台结构的动力响应，由于季风期内作用于平台结构的海洋环境载荷幅值及频率变化具有连续和缓慢过渡的特性，可以取每日平台结构振动加速度均方根值进行曲线拟合来近似表征海洋环境载荷作用下平台结构的动力响应，图3(a)、(b)所示番禺30-1 平台结构于2009年11月季风期内在南北及东西方向振动加速度均方根值变化曲线，可以看出平台结构振动加速度均方根值变化范围较小，南北及东西方向振动加速度均方根值分别在0.005 ～0.06 m/s2和0.014 ～0.053 m/s2之间，在无季风期间(2009-11-03 ～2009-11-10)平台结构振动加速度均方根值缓慢减小，南北及东西方向振动加速度均方根值分别降低到0.005 和0.014 m/s2，在季风期间(2009-11-10 ～2009-11-29)平台结构振动加速度均方根值缓慢增大，南北及东西方向振动加速度均方根值达到0.038 和0.035 m/s2，且平台结构在整个季风期间的振动响应比较平稳。

图3 番禺30-1 平台南北及东西方向每日振动加速度均方根值变化曲线(2009-11-01 ～2009-11-29)Fig.3 The observed acceleration of north-south and east-west direction for PY30-1 platform (2009-11-01 ～2009-11-29)

番禺30-1 导管架平台结构复杂，在波浪动载荷作用下其构件的热点应力位置判断及直接测量都存在很大的难度，可以借助有限元数值分析的方法确定平台结构构件的热点应力。为了保证有限元模型的动力分析结果能够反映原型平台结构的动力响应，有限元数值模型满足与原型平台结构基频一致、结构几何尺寸相似及振动能量分布相似的动力相似条件。图4 是2009年11月15日20:30 的交变波浪载荷作用于平台结构时监测得到的平台结构振动响应，可以看出平台结构在波高2.5 m、周期8 s 时的振动加速度响应比较平稳，振动加速度峰值在0.03 m/s2左右。通过频谱分析得到平台结构的基频为0.378 7 Hz(图5)，并运用ANSYS 有限元软件建立与原型平台结构动力相似的数值模型。

图4 番禺30-1 平台结构振动加速度曲线(2009-11-15，20:30)Fig .4 The observed acceleration of PY30-1 platform (20:30，2009-11-15)

图5 番禺30-1 平台结构振动加速度功率谱密度(2009-11-15，20:30)Fig.5 The acceleration PSD of PY30-1 platform (20:30，2009-11-15)

将2009年11月15日20:30 的交变波浪载荷作用于平台结构有限元数值模型上进行瞬态动力分析，计算得到图6 所示平台结构振动加速度与桩腿的热点应力变化曲线，其中振动加速度曲线(图6(a))与实测振动加速度曲线(图4)也较为一致，振动较为平稳，峰值在0.03 m/s2左右;平台结构桩腿的热点应力幅值为2 MPa左右(图6(b))，从平台结构及其构件所用钢材材料的强度极限上进行安全评估，平台结构桩腿热点应力幅值远低于钢材材料的许用应力值。

4 拖船撞击桩腿引起平台结构振动与安全分析

海洋平台结构在运行过程中会受到多种形式的偶然性载荷冲击作用，其中对平台结构安全性能影响比较大的是船舶的撞击载荷。现场平台结构振动的监测数据及调查分析，停靠拖船偶然撞击平台结构某个桩腿会引起平台结构较为强烈的瞬态振动现象。2010年1月15日14:37 现场监测到平台结构桩腿受到拖船的撞击，此次拖船对平台结构桩腿的撞击引起的平台结构振动以南北方向为主，振动加速度幅值为0.28 m/s2(图7 所示)。

图6 波浪载荷作用下平台结构振动加速度与桩腿热点应力曲线(2009-11-15，20∶30)Fig.6 The hot stress of platform piles under wave loads(20∶30，2009-11-15)

虽然拖船碰撞对平台结构是瞬间的作用力，对平台整体结构的振动响应影响不是太大，但是这种局部的撞击力作用点集中在平台结构的一个桩腿上，会对该桩腿的安全性能产生影响。运用撞击载荷反演及有限元数值分析的方法［7］，计算出当平台结构振动加速度达到0.28 m/s2时，拖船撞击的平台结构桩腿处的撞击载荷幅值约106 N，平台结构桩腿撞击处的应力变化曲线图8 所示，可以看出桩腿撞击处的应力最大值为8.7 MPa。随着撞击的结束，应力幅值很快趋于衰减。从材料强度上分析，此次拖船对平台结构桩腿撞击时的最大应力值远小于桩腿钢材材料的屈服极限。

图7 拖船撞击桩腿时平台结构振动加速度(2010-01-15，14:35 ～14:45)Fig.7. The acceleration under vessel against pile (14:35 ～14:45，2010-01-45)

图8 平台结构桩腿撞击处瞬态应力变化曲线(2010-01-15，14:37)Fig.8 The transient stress under vessel against pile(14:37，2010-01-15)

5 结 语

番禺30-1 平台结构是位于我国南海较深海域的固定式海洋平台结构，从监测数据统计及数值计算分析表明番禺30-1 平台结构在季风期内平台结构的安全冗余量比较大，平台结构的构件在海洋环境载荷下结构强度满足工程规范要求，保证了平台结构的安全运行。然而，平台结构处于南海的较深海域，不但受力状态较为复杂，而且在使用期间常常受到冲撞和非正常载荷产生的弹塑性弯曲等损伤，且海水在管壁上产生腐蚀损伤，这些损伤都会引起杆件承载能力的降低，也使整体承载能力和使用寿命降低，因而有待于进一步开展平台结构监测工作，并根据平台结构的动力响应及时进行安全风险评估。

［1］阳连丰，彭 艳.我国海洋油气开发面临的历史机遇［J］.中国造船，2006，47:27-31.

［2］Sinha N K，Timco G W，Frederking R.Recent advance in ice mechanics in Canada［J］.Appl.Mech.Rev.，1987，40(9):1214-1231.

［3］Engelbrekston A.Dyanamic ice loads on lighthouse structures［C］∥Proc.4th Int.Conf.on Port and Ocean Engrg.under Arctic Conditions.1997，2:654-864.

［4］YUE Q J，BI X J.Ice induced jacket structure vibrations in Bohai sea［J］.Journal of Cold Regions Engineering，2001，14(2):81-92.

［5］OU J P，XIAO Y Q，DUAN Z D，et al.Ice-induced vibration control of JZ20-2MUQ platform structure with viscoelastic energy dissipators［J］.Ocean Eng.，2000，18(3):9-14.

［6］岳前进，张大勇，刘 圆，等.渤海抗冰导管架平台失效模式分析［J］.海洋工程，2008，26(1):18-23.

［7］金伟良，宋 剑，龚顺风.船舶与海洋平台撞击的载荷模拟［J］.计算力学学报，2004，21(1):26-32.