在役海洋平台结构实时安全评估预警值的研究

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(1．海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2. 大连理工大学 ， 辽宁 大连 116024)

在役海洋平台结构实时安全评估预警值的研究

李志刚1，周雷1，王巍巍1，周道成2

(1．海洋石油工程股份有限公司，天津300451； 2.大连理工大学，辽宁大连116024)

平台结构整体实时安全评估预警值的确定对掌握海洋平台结构整体安全状况来说十分重要。该文基于结构设计规范对结构的安全状况进行了划分，并建立了结构实时安全评估的两级预警值。结合海洋平台整体结构的特点，建立了结构实时安全评估两级预警值的确定原理和方法，并将该方法应用于JZ20-2MUQ平台，获得了结构二级预警值，可作为实际工程应用参考。

在役海洋平台；实时安全评估；二级预警值

0 引言

海洋平台是目前广泛应用于海上油气生产和作业的海上工程结构物之一，我国在渤海、东海及南海海域已建成使用的固定式海洋平台有近200座。海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，与陆上结构相比，所处的环境条件十分复杂，承受着多种随时间和空间变化的随机荷载，包括风、波浪、海流、潮汐和海冰等环境引起荷载的联合作用，同时还受到台风和地震等突发性极端环境条件的威胁[1]。在此环境条件下，环境腐蚀、海生物附着、基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳和裂纹扩展的损伤累积等不利因素都将导致平台结构构件和整体抗力的衰减，影响结构服役的安全性和耐久性。海洋平台结构失效后果严重，不仅造成巨大的经济损失，而且造成严重的环境污染和恶劣的社会影响。因此，对海洋平台结构在运营期进行长期实时监测，进而做出安全性评估，实现对工程安全性的主动控制具有重要意义。

由于开展海洋平台结构实时监测的时间不长，一些关键技术的研究还不成熟，特别是海洋工程结构实时监测中的安全评估预警值的确定还要进一步研究。针对上述问题，吴中如等在20世纪80年代提出用小概率法拟定变形监控指标[2]，这种方法在实际中得到了广泛应用[3,4]。为了反映结构材料的性态，顾冲时和吴中如等[5]提出了结构分析法，该方法考虑了边界条件和材料的性能，在实际也得到了应用[6]。为了对实际工作性能进行分析，同时对监控指标本身的级别和重要性进行说明，吴中如等[7]基于力学模型，对变形监控指标级别的划分以及拟定方法进行了进一步研究。基于目前的研究现状，该文结合海洋平台结构整体力学模型特点，根据结构安全状态的划分方法，提出海洋平台结构整体实时安全评估的两级预警值确定原理和计算方法。

1 结构安全状态的划分

根据《建筑结构可靠度设计统一标准》可知[8]，结构的极限状态分正常使用极限状态和承载能力极限状态，根据这两种状态的定义，可将结构安全状态分为正常、临界危险和破坏三种状态。结构进入正常使用极限状态以前的阶段为正常状态；结构介入正常使用极限状态和承载能力极限状态之间的阶段为临界危险状态；进入承载能力极限状态的阶段为破坏阶段。这样划分结构的安全状态继承了设计规范，更重要的是符合结构健康监测的目的。结构处于正常状态，则可以在结构上进行正常的生产活动，当结构进入临界危险状态，结构可能出现影响正常使用的变形或影响正常使用的局部破坏或影响正常使用的其它特定状态，则需要停止结构上进行的生产活动，如对于海洋平台，需要关闭井口，停止采油等工作，同时根据需要对影响正常使用的局部破坏进行维修加固，或根据目前监测到的结构状态及其发展趋势确定人员是否撤离，当结构进入破坏状态，结构随时都有破坏甚至倒塌的危险，此时结构上的一切活动已经停止，人员已经撤离。结构不同安全状态的判别需要两个指标，这两个指标分别是正常状态和临界危险状态之间识别的指标和临界危险状态和破坏状态之间识别的指标，在结构健康监测中，这两个指标分别对应一级和二级预警值。

2 预警值的确定方法和原理

2.1海洋平台的整体结构特点

海洋平台结构属于大型复杂结构物，往往具有较大的冗余度，属于高次超静定体系，单个构件或少数杆件失效一般不会引起结构整体功能的丧失或结构整体破坏和倒塌，因此从结构整体考虑的安全性比从结构构件考虑的安全性更合理。海洋平台结构的固定荷载(结构自重、设备荷载、使用和操作活荷载等)变异不大，对平台结构安全性影响较大的是环境荷载。文献[9]分别用结构基底剪力和倾覆力矩来表征结构整体性能，当平台结构安装水深大于30 m时，宜用结构倾覆力矩来表征结构的整体性能，而当安装水深小于30 m时，宜用结构基底剪力表征结构的整体性能。下面讨论基于结构基底剪力整体特征量来确定结构整体实时安全评估两级预警值的确定方法。

2.2海洋平台结构整体力学特点及预警值的确定

对海洋平台结构进行非线性逐步倒塌分析，可获得结构基底剪力与结构变形之间的关系曲线，该曲线与结构材料性能、结构形式、结构的连接、荷载作用方向等有关系，当考虑单一方向的曲线时，则该曲线反映了结构体系自身的力学性能，于是可将结构体系处理为一种材料，其结构基底剪力与结构变形之间的关系曲线为该简化材料的力学性能曲线，因此可以应用材料力学的相关理论来确定该材料力学性能曲线的关键点。大量的计算结果表明，海洋平台结构的整体力学性能曲线表现为线弹性、弹塑性和破坏三个阶段或线弹性和破坏两个阶段，分别如图1(a)和图1(b)所示。对于结构整体性态表现为三个阶段的情况，与材料力学中有关弹塑性材料力学性能曲线中关于屈服极限的定义一样，可将图1(a)中b点对应的基底剪力定义为屈服基底剪力，同理可将图1(a)中的c点对应的基底剪力定义为极限基底剪力。对于结构整体性态表现为两个阶段的情况，其整体性态正好与塑性材料的力学性能相似，因此可借鉴塑性材料确定条件屈服点和极限强度的原理近似确定结构整体承载能力的相似条件屈服和极限基底剪力，图1(b)中c点对应的基底剪力定义为极限基底剪力，其条件屈服基底剪力等于0.7～0.85倍的极限基底剪力。对于结构整体性态表现为三个阶段的情况，当结构的基底剪力大于屈服基底剪力时(既图1(a)中的b点)，结构的变形增大，大的变形可能影响平台结构某些操作，因此该点是结构整体性态的变化点，同时也预示结构整体进入一个较为危险的阶段，因此该点前的阶段与结构的正常状态对应，该点后的阶段与结构的临界危险状态对应，可将屈服基底剪力作为海洋平台结构实时监测一级安全监控指标；当结构的基底剪力等于极限基底剪力时，结构状态达到极限状态，结构可能破坏或达到不能继续承载的状态，因此可将极限基底剪力作为海洋平台结构实时监测二级安全监控指标。

图1 基底剪力与顶点位移关系

2.3极限基底剪力的确定

根据上述确定海洋平台结构实时监测的一级和二级预警值可知，极限基底剪力的确定是关键。极限基底剪力的确定通常应用静力非线性倒塌分析方法，对应海洋平台结构，可应用海洋平台结构专用SACS(Structural Analysis Computer System)分析软件来实现，其Collapse模块具有非线性静力倒塌分析功能。为了使计算的极限基底剪力更合理，应用SACS分析软件计算结构的极限基底剪力时需注意如下几个问题：(1)结构承载力极限状态判断；(2)加载方法；(3)合理考虑地基土对结构的影响；(4)需考虑P-Δ效应的影响；(5)影响结构安全状况的最不利荷载组合工况确定。对于新建海洋平台结构，可以根据结构设计参数和结构安装参数确定结构模型参数和荷载模型参数，应用SACS分析软件可获得结构的极限基底剪力，将该结果嵌入海洋平台结构实时评估系统中，根据一级和和二级预警值的确定方法可确定其预警值，实现对海洋平台结构实时安全评估。但随着结构服役时间的增加，结构遭受风、波浪、海流、潮汐和海冰等环境要素引起荷载的联合作用，在此环境条件下，将使结构出现裂纹、腐蚀、凹陷、海生物附着和地基土冲刷五种主要类型的缺陷，进而导致海洋平台结构构件和整体抗力的衰减。因此，现役海洋平台结构极限基底剪力的合理确定是在结构模型和荷载模型中考虑这些缺陷的影响，再应用静力非线性倒塌分析方法计算确定现役结构的极限承载能力。

3 数值算例

3.1平台简介

该文将通过对JZ20-2MUQ平台的数值算例分析确定其结构的二级预警值。JZ20-2MUQ平台设计年限为20年，由导管架、桩、上部组块组成。导管架采用四腿导管架型式，导管架的四个面的斜度为10:1，导管架顶标高7.8 m，底标高-15.5 m。导管架立面如图2所示，JZ20-2MUQ平台如图3所示。

图2 导管架立面图

3.2结构模型

在应用结构静力非线性倒塌分析方法确定结构极限基底剪力的过程中，结构分析模型按照空间三维结构进行模拟，导管架、桩、深井泵护管和上部组块模拟成空间刚架在总体分析中采用一个整体模型，其中上部甲板组块仅模拟了主梁，对小梁及板用板带肋结构模拟。地基土对结构的影响，考虑了其非线性的桩土相互工作，建立的结构计算模型如图4所示。

3.3荷载参数及荷载工况

由于海洋平台结构的固定荷载(结构自重、设备荷载、使用和操作活荷载等)变化不大，对平台结构安全性影响较大的是变化性大的环境荷载，因此仅说明环境荷载设计要素。设计风速为37.1 m/s，设计流速为2.14 m/s，设计波高和周期分别为7.8 m和10 s，设计冰厚1.0 m。根据各种荷载在实际结构中同时出现的可能性和危险性，主要分为波浪工况和冰工况。波浪工况由固定荷载、风荷载、流荷载和波浪荷载四个基本荷载组成，其中波浪荷载是最主要的控制荷载。冰工况由固定荷载、风荷载、流荷载和冰荷载四个基本荷载组成，其中冰荷载是最主要的控制荷载。

图3 JZ20-2MUQ平台 图4 JZ20-2MUQ平台有限元模型

3.4计算结果

根据结构设计参数和结构安装参数建立的结构模型和荷载模型，应用SACS分析软件的Collapse模块可计算结构在0°、45°、90°冰工况以及波浪工况在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°八个方向相应的极限基底剪力，应用该文方法可以确定二级预警值，结果见表1。在平台运行过程中，平台杆件会因为腐蚀变薄，在设计中常采用对飞溅区杆件每年有0.3 mm的腐蚀，该平台设计寿命20年，假设现役平台杆件按照此种腐蚀速率变化，则现役平台飞溅区杆件会产生6 mm厚的腐蚀，对这种情况应用SACS软件可确定该服役结构的极限基底剪力，同样应用该文方法可以确定二级预警值，结果见表2。

表1 JZ20-2MUQ平台原始结构的极限基底剪力与预警值

表2 JZ20-2MUQ平台现役结构的极限基底剪力与预警值

4 结语

该文对海洋平台结构实时监测评估系统的安全预警值进行了较为系统的研究，得出了如下主要结论：

(1) 根据结构设计规范，对服役结构的安全状态进行了三种级别的划分，这为结构实时安全监测系统安全预警值的确定提供了基础。

(2) 对海洋平台的整体力学模型性能进行分析，结合结构的三级安全状态，建立了结构实时安全评估的两级预警值的确定原理和方法。

(3) 根据JZ20-2MUQ平台的设计资料，结合海洋平台专业分析软件SACS，确定了该平台原始结构和模拟服役结构的两级预警值，为该方法的实际工程应用提供参考。

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StudyontheWarningIndexesofReal-timeSafetyAssessmentforIn-serviceOffshorePlatformStructure

LI Zhi-gang1, ZHOU Lei1, WANG Wei-wei1, ZHOU Dao-cheng2

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd， Tianjin 300451，China;2. Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024，China)

In order to reasonably know the real-time safety situation of in-service offshore platform structure, the warning indexes for real-time safety assessment of in-service offshore platform structure is very important. Based on the classification of the structural safety situation in the structure design code, the warning value for real-time safety assessment of in-service offshore platform structure is classified as two levels. According to the overall mechanics property of the offshore platform structure, the calculation method of the two level warning indexes is presented. It is applied to the platform structure of JZ20-2MUQ platform, the actual warning indexes are determined. This can be a reference for the determination of structural safety situation in the engineering application of structural health monitoring (SHM).

in-service offshore platform; real-time safety assessment; two level warning indexes

2014-01-15

国家863计划资助项目(2008AA092701)。

李志刚(1965-)，男，教授级高工。

1001-4500(2015)01-0042-06

P75

： A