渤海某新建升压站平台的抗冰性能分析

杨耀鹏，张大勇，娄春娟，岳前进

(大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221)

渤海某新建升压站平台的抗冰性能分析

杨耀鹏，张大勇，娄春娟，岳前进

(大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221)

为了明确海上升压站平台设计中抗冰设计的合理性，以渤海某新建升压站平台为例，采用有限元数值模拟方法分析典型冰况下升压站平台的抗冰性能，与渤海典型的油气平台对比表明，动冰力下，结构的振动不明显，在极值静冰下结构具有很大的静力安全储备；新设计的升压站平台具有较好的抗冰性能。

风电，升压站平台，抗冰性能，数值模拟

海上升压站是将小电压变为大电压的海上变电装备。海上升压站需要一定刚度的支撑结构(升压站平台)以保证风电场的正常运行。目前升压站平台在无冰浅水海域发展比较成熟，而在冰区还未使用。

我国渤海冬季结冰，现场监测发现，海冰对海上构筑物的作用要远比其他载荷大。海冰对海上结构物(如石油平台、海上灯塔、海上升压站)的作用通常是结构设计的主要控制荷载。历史上国内外抗冰结构曾发生多次工程事故[1-4]，使寒区海上油气平台的抗冰性能引起了人们的关注。海上升压站平台抗冰性能对安全生产至关重要。

根据与海冰作用处结构形式的不同，现有冰区海洋结构可分为直立结构和锥体结构。基于渤海大量的现场监测发现，海冰与直立结构作用时，会在不同冰速下产生三种不同的冰破碎形式，导致不同的结构振动形式。在冰速很慢且冰面比较平整时，冰会发生准静态(间歇性)挤压破碎，结构发生准静态振动；当冰与结构作用速度缓慢增加，稍快于间歇性挤压破碎时冰速，冰破碎的频率会与结构振动频率产生耦合，引起结构稳态的自激振动，也称之为频率锁定；当冰以较快的速度挤压作用于结构上时，冰板会发生脆性挤压破碎，结构响应变为随机激励下的随机振动[5]。冰与锥体结构相互作用时主要发生弯曲破坏，通常冰的弯曲强度要低于压缩强度，冰与锥体结构作用的荷载要低于直立结构。锥体结构情况，海冰的断裂周期要明显大于直立结构，不会产生稳态振动。锥体结构交变冰力的基本形式是由加载、卸载和完全卸载组成的周期性脉冲，分别对应海冰的弯曲断裂、破碎冰上爬和破碎冰完全清除。有学者对在我国渤海JZ20-2MUQ平台上测量得到的冰力与冰破碎行为进行研究，认为在窄锥结构上的冰力具有一定的周期性，并建立锥体冰力函数[6]。有学者在已经建立的确定性冰力函数的基础上，利用实测的冰力数据，分析锥体冰力幅值和周期的统计特性，建立了随机冰力函数，并借鉴波浪荷载的Neumann谱形式，建立锥体冰力谱[7-8]。

目前冰与规则的直立柱状和锥体结构相互作用研究已相对比较成熟，研究者从理论分析、模型实验及现场监测等手段取得相应成果。升压站平台还未在冰区投入使用，其功能特点与油气平台有所差异，但结构特点比较类似。因此，这里对升压站平台的抗冰性能分析借鉴目前渤海抗冰油气平台的相关研究成果。

以渤海某新建海上升压站平台为例，基于数值模拟，明确该类结构的力学性能，并与典型的渤海导管架平台比对；结合渤海多年的海冰现场监测，分析该升压站平台在极值静冰力和典型动冰力下的抗冰性能；最后，对该类结构的抗冰设计提出建议。

1 海上升压站平台的力学特性分析

1.1 有限元模型的建立及模态分析

选取渤海某新建海上升压站平台，该平台上部质量为3 000 t，支撑结构采用4腿斜导管架形式，导管架4个面的斜度均为2.5∶1.0，采用ANSYS软件，建立该结构的有限元模型，见图1。建模过程中选取的单元类型及单元作用见表1。

图1 海上升压站平台的有限元模型

单元单元作用Mass21质量点单元,模拟上部质量Shell181模拟甲板或上部质量Pipe288模拟导管架Beam188模拟水面以上导管架

由于海上升压站平台附属设施较多，在建模过程中对平台结构进行简化，保证结构的主要几何形状、频率及振型的真实性。表2为结构的前6阶固有频率，基频为1.04 Hz。图2～4为结构的前3阶振型，前2阶结构为水平振动，而第3阶为扭转。基于模态分析可以发现，该类结构与渤海典型的导管架平台在基频和振型上比较类似。

表2 升压站平台结构的固有频率

图2 1阶振型

图3 2阶振型

图4 3阶振型

1.2 海上升压站平台力学性能分析

为了比对该升压站平台与渤海典型导管架平台的力学特性，选取渤海辽东湾中北平台。该平台也是4腿导管架形式，但是用钢量和上部质量与升压站平台有所差异，表3是两座平台的等效力学参数。分析发现，由于升压站平台上部质量较大，结构基频略高于中北平台；两者在结构动力特性上比较类似，但由于升压站平台具有较大的水平刚度，其抗冰性能要优于中北平台。

经多年在渤海海域对海冰监测发现，常规冰况下，冰力能量谱频率多数集中在1 Hz左右[13]。

表3 导管架平台的等效结构参数

从表3可以看出，海上升压站平台结构固有周期与冰力周期十分接近，海冰容易引起该结构的动力放大问题。

2 冰激海上升压站平台的响应分析

2.1 极值冰力下平台的响应分析

根据《港口工程荷载规范》(JTS 144-1-2010)，海上升压站平台所在海域设计冰厚取为39.8 cm(100年一遇)，对于直立结构，静冰力按API-RP-2N[14]规范给出的公式计算。

(1)

式中：α——常数，0.4～0.7，取α=0.7；σc——海冰的单轴压缩强度，2.1 MPa；D——冰与结构接触宽度，2 m；t——冰厚，40 cm。

基于有限元数值模拟，得到极值冰力下升压站平台的最大强度和变形。极值冰力下平台的最大应力为107 MPa，远低于Q235钢的屈服强度(235 MPa)；极值冰力下平台的最大位移是0.010 4 m,满足刚度要求。因此，在极值冰力作用下，升压站平台结构具有很大的静力安全储备。

图5 极值静冰力下结构的变形图

图6 极值静冰力下结构的应力云图

3.2 典型动冰力下平台的冰振响应分析

冰与直立结构作用时，随着冰速变化，冰挤压破碎可以分为三种模式：低冰速时的准静态冰力，中冰速时的稳态冰力，快冰速时随机冰力。其中，准静态冰力对结构的影响较小，本文不做考虑；稳态冰力对结构影响最大，而快冰速下的随机冰力占据绝大数冰况[15]。因此，动冰力下该结构的抗冰性能分析中选取典型冰况下的稳态冰力和随机冰力。

当冰与结构作用速度缓慢增加，快于间歇性挤压破碎时(冰速为2 cm/s

图7 稳态冰力模型

本文选取的稳态冰力冰况为冰厚36 cm，冰力周期与结构基频一致。基于有限元数值模拟，到升压站平台的最大位移为1.57 cm、最大振动加速度为39 cm/s2，见图8、9。

图8 动冰力作用下平台的甲板位移

图9 动冰力作用下甲板的冰振加速度

当冰速很快时，冰板在桩腿上发生连续不规则的脆性挤压破碎，由于接触面上冰的碎块大小不一，且压力分布不均，形成的合力为不规则的随机变化，同时引起结构的随机振动。Kärnä等[17]根据渤海和波斯尼亚湾灯塔上测得的大量样本的随机冰荷载数据，经过统计分析建立了随机冰力谱。

(2)

本文选取冰厚0.36m、冰速1m/s冰况下的随机冰力，基于谱分析方法，计算得到平台最大位移为3.4cm，最大振动加速度为31.84cm/s2，如图10、11。

图10 随机冰力下结构的位移

图11 随机冰力下甲板的冰振加速度谱

实测发现，渤海辽东湾中北平台在该冰况下结构的最大振动加速度为35 cm/s2，略低于升压站平台，主要原因是中北平台位于冰情较为严重的JZ20-2海域，为了保障平台的冬季安全生产，该平台在桩腿处安装了抗冰锥体。

冬季现场实测中北平台冰振加速度见图12。

图12 基于实测的渤海辽东湾中北平台振动加速度统计

由图12可见，平台甲板振动加速度基本小于20 cm/s2。对升压站平台与中北平台的比对分析发现，渤海某新建的升压站平台结构具备一定的抗冰振性能(相对石油平台而言)，但是否满足升压站平台上供电系统的振动要求，还有待进一步分析。

3 结论

本文对渤海某新建海上升压站平台，利用ANSYS有限元数值模拟，明确结构的基本力学特征，与典型的抗冰导管架平台相比，结构固有频率都在1 Hz左右，但水平刚度较大。基于已有的海冰研究成果，对升压站平台进行极值静冰力和动冰力下的响应分析，并与渤海典型的油气平台进行对比。结果发现，极值静冰下，结构具有很大的静力安全储备；动冰力下，结构的振动不是很显著。总之，与海洋石油平台相比，该新设计的升压站平台具有较好的抗冰性能。

研究认为，冰区海上升压站平台结构的抗冰设计应考虑以下几点。

1)结构设计中应以海冰为主要控制荷载，采取合理的冰力模型。

2)结构设计静力安全储备太大，可以基于冰激结构振动分析开展结构的抗冰基本设计。

3)冰激结构振动是否满足升压设施的运行要求，还需进一步研究。

4)平台桩腿处安装抗冰锥体是提高结构抗冰性能的有效措施。

5)为了降低平台的冰振，保护上部设施的安全，应采取冰振控制措施。

[1] PEYTON H R. Sea ice strength [R]. University of Alaska. Geophysical Institute. Alaska,1966.

[2] ENGELBREKTSON A, JANSON E. Field observations of ice action on concrete structures in the Baltic Sea [J]. Concrete International, 1985:48-52.

[3] 段梦兰，方华灿，陈如恒．渤海老二号平台被冰推倒的调查结论[J]．石油矿场机械，1994，23(3)：1-4.

[4] 杨国金．海冰工程学[M].北京：石油工业出版社，2000.

[5] YUE Q J, GUO F W, KARNA T. Dynamic ice forces of slender vertical structures due to Ice crushing [J]. Cold Regions Science and Technology,2009,56:77-83.

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

[7] YUE Q J, QU Y, BI X J. Ice force spectrum on narrow conical structures [J]. Cold Regions Engineering, 2007,49:161-169.

[8] QU Y, YUE Q J, BI X J. A random ice force model for narrow conical structures [J]. Cold Regions Engineering, 2006,45:148-157.

[9] 岳前进，刘 圆，屈 衍，等．海洋平台的并离谱与冰振响应分析[J]．计算力学学报，2008，25(5)：665-670.

[10] ONOUFRIOU T, FORBERS V J. Developments in structural system reliability assessments of fixed steel offshore platforms [J]. Reliability Engineering and System Safety, 2001, 71:189-199.

[11] 李 刚，张大勇，岳前进，等．冰区海洋平台整体可靠度分析的高效近似算法[J]．大连理工大学学报，2008，48(2)：157-161.

[12] 张大勇．基于性能的抗冰导管架结构风险设计研究[D]．大连：大连理工大学．2007.

[13] 岳前进，张大勇，李 刚.渤海抗冰平台的失效模式分析[J]．海洋工程，2008，26(1)：18-23.

[14] 刘 圆．抗冰海洋平台动力分析与结构选型研究[D]．大连：大连理工大学，2006.

[15] API. API recommended practice for planning, design and constructing fixed offshore structures [S], API RP 2A 19Ed,1991.

[16] ZHANG D Y, YUE Q J. Major Challenges of offshore platforms design for shallow water oil and gas field in moderate ice conditions [J]. Ocean Engineering,2011,38(11):1220-1224.

Analysis of the Structural Ice-resistant Performance for the Booster Station Platform in the Bohai Sea

YANG Yao-peng, ZHANG Da-yong, LOU Chun-juan, YUE Qian-jin

(School of Ocean Science and Technology, Dalian University of Technology, Panjin Liaoning 124221, China)

In order to make clear the ice-resistant performance and the rationality of the ice-resist design for the offshore boost station platform. A new boost station platform in Bohai is taken as an example. Its ice resistance performance under typical ice conditions is analyzed by FEM, and compared with the typical oil and gas platforms in Bohai. The results showed that the structure of the new designed boost station platform has a lot of static safety reserve under the extreme ice condition, and the structural vibration is not obvious under the dynamic ice loads. So the new designed booster station platform has good ice-resistant performance.

wind power; booster station platform; ice-resistant performance; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.026

2015-04-28

国家自然科学基金(51309046)； 中国电力建设集团有限公司科技专项 (SD2013-11)

杨耀鹏(1988-)，男，硕士生

U674.38

A

1671-7953(2015)06-0111-05

修回日期：2015-07-03

研究方向:海洋装备结构监测与设计分析

E-mail: yangyp@mail.dlut.edu.cn