API RP 2A- WSD 22版规范的更新概述及其工程影响

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

API RP 2A- WSD规范是海洋工程中关于固定式平台设计的重要规范。该规范由美国石油协会颁布，一般每隔4-5年会修订一次，以适应新的引用规范及修正以往的错误。在2004—2010年期间，美国墨西哥湾发生了多起重大事件，据统计，飓风Ivan、Katrina、Rita和Ike 摧毁了超过120个平台。基于此，美国石油协会新颁布了2SIM、2MET、2GEO和2EQ等，并更新颁布API RP 2A- WSD 22版。本次更新对固定式平台的设计要求有影响。为此，总结API RP 2A- WSD 22版规范的内容更新，分析对固定式海洋平台设计的影响。

1 新规范章节更新概要介绍

新规范[1]的前三章新增加了范围(scope)、引用标准(normative references)、条款定义及缩写(terms, definitions, acronyms, and abbreviations)，这也是API目前的规范格式，包括所有其他的 RP2文件(RP 2MET, RP 2EQ, RP 2GEO, RP 2SIM 和 RP 2FB)。从第4章开始，内容与21版基本对应，但将21版中两个章节：章节 14检测(Surveys)和章节 17 已建平台的评估(Assessment of Existing Platforms)挪到了API 2SIM规范中。同时，单位改为以公制为主，英制为辅。根据API TG的论述，这样修改的目的是为了进一步符合ISO的文件格式。

另外，新RP 2A规范将部分详细规定分拆到以下API新规范中。①API RP 2MET海洋环境条件；②API RP 2EQ地震设计；③API RP 2GEO岩土和基础设计；④API RP 2SIM结构完整性管理；⑤API RP 2FB火灾爆炸荷载；⑥API RP 2MOP海上作业。

API规范做出这样的改动，是为了进一步与ISO 19902规范的内容保持一致性。据API工作组的讨论，API RP 2A- WSD 22版可能是最后一个版本。而之后的RP 2A将采用与ISO文件一致的形式，从而符合荷载抗力系数法(LRFD)。

本文主要分析新版规范的暴露分级规划、设计标准和方法、疲劳、桩基础设计、安装和意外荷载这些方面的改动。

2 引用的标准

新规范给出了所有应遵循的参考标准。这些标准只给出了名字，如API RP 2MET，没有给出版本号。因此所有引用API规范的，都以最新版本文件(包括任何附录/勘误)为准。但是，以下引用的两个非API规范除外：

AISC 335- 89 1, Specification for Structural Steel Buildings—Allowable Stress Design and Plastic Design,1989。规范中明确提出不可用最新版的AISC规范，因为新版AISC规范可能并不适用于海洋工程。

AWS D1.1/D1.1M:2010 2, Structural Welding Code—Steel。AWS D1.1已经针对与API的冲突做了一些重大修改。因此引用AWS D1.1，可防止有可能的冲突。但注意使用该规范时如有冲突，仍应优先参考API规范。

3 暴露分级规划

新规范更新了“暴露分级”，该分级是作为用于海上固定平台设计选择需求等级的标准。原21版规范中，生命安全暴露分级和失效后果的暴露分级均被标记为L- #。而新版规范中，生命安全暴露分级标记为S- 1 manned- nonevacuated(有人- 不撤离)、S- 2 manned- evacuated(有人- 可撤离)和S- 3 manned- evacuated(无人- 可撤离)。而失效后果的暴露分级标记为C- 1 High(严重)，C- 2 Medium(一般)和C- 3 Low(轻微)。对于每种暴露分级使用了不同的符号，修改的原因是以往使用同样标记的分级造成了许多事故报告的混乱和冲突。而最终选定的平台暴露分级标签为L - #(数字)。暴露分级矩阵见表1。该分级矩阵也与ISO 19902规范保持了一致。

表1 暴露分级矩阵

另外，关于失效后果的暴露分级C- 3的认定，又增加了限制规定：

1)平台不能有多于2个隔水套管。

2)平台甲板的总面积(包括直升机甲板)不得超过37 m2。

4 关于设计标准和方法的重大修改

4.1 流体动力指南

新规范极限强度分析，引入了鲁棒性分析要求。关于海洋工程中的鲁棒性分析，API是首次引入该概念，其定义为结构物在遭受破坏时不倒塌的能力[2- 3],该分析意在提高平台抗小概率极端工况的生存能力，更详细的信息可见API RP 2SIM[4]。新建的L- 1平台必须要用1 000年环境荷载进行平台的鲁棒性分析。而L- 3平台或足够强壮的L- 2平台不需要鲁棒性评估。平台剩余强度储备比(RSR系数)的要求未变，均为1.6。平台极限强度要求的变化对比见表2。

表2 平台环境标准的极限强度要求

算例：

以某L- 1暴露分级平台为例，该平台100年环境荷载和1 000年环境荷载见表3。

表3 某L- 1暴露分级的环境条件

根据以上环境数据，基于Pushover法进行倒塌分析[5]，分别验算1.2倍100年环境荷载和1 000年环境荷载，(均只选取最大环境力的方向)，计算结果荷载大小对比见表4, 结构倒塌极限状态的剩余强度储备比(RSR系数)见表5。

表4 不同重现期的荷载大小对比 kN

从以上分析，可以得出倒塌分析对比结果，见表5。其中，1 000年重现期的环境荷载相对于1.2倍100年重现期，增幅50%左右，而对应的平台剩余强度储备比(RSR系数)则下降了27%。由此可见，鲁棒性的规定，提高了平台抗极端环境条件生存能力的要求。

表5 倒塌分析结果对比

4.2 底甲板标高

关于底甲板最低高程与水深的曲线已被删除。同时，对于新建的L- 1和L- 2平台，底甲板底标高的要求从原来应不低于100年的重现期波峰，改为应不低于1 000年的重现期波峰。允许L- 3平台甲板低于设计的标准水平(主要为沉箱式结构)，但需要根据API RP 2SIM 的指导来确定荷载。同时不再要求最低1.5 m(5 ft)的空气间隙[6]，但仍需要考虑任何已知或预测的海底下沉、重要结构的旋转和如水深的不确定性等其他未知因素。

旧版规范公式为：

底甲板标高=百年一遇波峰高度+百年一遇极端高水位+1.5 m气隙+不确定性因素。

新版规范改为：

底甲板标高=千年一遇波峰高度+千年一遇极端高水位+不确定性因素。

式中：极端高水位 = 最高天文潮 + 风暴潮。

关于水位、天文潮和风暴潮，见图1[7]。

图1 水深，天文潮及风暴潮关系示意

以某L- 1暴露等级平台为例，环境数据见表6。

表6 某L1暴露等级平台环境数据

根据数据和公式，可以算出，新规范的底甲部高度比21版规范增加约4.5 m。底甲板标高增加，则意味着平台在遭受罕见风暴时遭遇上浪拍击而损害的可能性将降低。

4.3 地震

地震韧性要求(ALE)新增了与平台延展性相结合的储备强度和韧性的抗震能力储备系数并表示为Cr。Cr代表一个结构由于地震超出了强度水平时所能承受地面运动的能力。它被定义为导致结构崩溃或灾难性的系统故障谱加速度和强度水平地震(ELE)谱加速度的比值[8]。对于海上固定式平台结构，根据结构的一般特性，给出了Cr的推荐值，见表7。

表7 抗震能力储备系数Cr推荐值

根据API RP 2EQ给出的地震的设计流程，需要先确定ALE的加速度谱，然后根据Cr确定ELE的加速度谱，因此Cr值的规定，提高了结构地震强度要求。API RP 2A的新规范中也说明，如果不使用推荐的Cr，需要满足API的规定条件。

1)如果根据API 2EQ进行的是简化地震分析流程，则L- 1平台Cr值不应超过2.8，L- 2不应超过2.4, L- 3不应超过2.0。

2)根据API 2EQ做的非线性时程分析应确保在韧性地震中可以生存。如果采用静力倒塌分析作为代替方法，应确保计算出的Cr值等于或大于假设值。

5 疲劳

简化疲劳已经从规范中删除。所有新建和再利用的结构，现在都要求进行详细疲劳分析。

6 桩基础设计

原章节中桩基础设计标准(包括FOS的要求)和设计及安装所需信息的内容并入到了API RP 2GEO规范中，只保留了打入桩的信息，包括最小壁厚、桩段长度、桩靴和桩头及打桩安装程序调整。

7 安装

2010年新发布的API 2MOP“海上操作推荐做法”，现在是新版规范关于海上安装操作的参考规范。另外，修正了桩壁厚推荐表的桩锤尺寸错误(对应老规范表 12.5.7，新规范表15.2)，修改对比见图2。

图2 桩壁厚推荐表对比

8 意外荷载

火灾爆炸意外荷载的信息被指向了API RP 2FB，新规范中不再详细论述。

9 结论

1)引用AISC 和AWS规范时，只能使用AISC 1989版和 AWS 2010版规范，不可使用最新版规范。

2)暴露分级矩阵与ISO 19902规范保持一致。

3)修正了桩壁厚推荐表的桩锤尺寸错误。

4)新规范提高了平台的抗极端事件的设计要求：

①底甲板标高需根据1 000年环境荷载计算，提高了底甲板标高，从而降低上浪拍击平台甲板的风险。②倒塌分析的鲁棒性评估的规定，提高了平台抗极端环境的生存能力的要求。③地震分析需采用推荐的地震储备强度系数Cr，提高了平台抗罕见地震的生存能力。

[1] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms- Working Stress Design[S]. Twenty- Second Edition 2014.

[2] 林红，陈国明，朱本瑞，等.海洋石油平台结构全寿命周期动态鲁棒性分析[J].石油学报,2015,36(2):246- 252.

[3] 朱本瑞，陈国明，林红，等.极端环境下导管架平台连续倒塌鲁棒性评估[J].中国石油大学学报(自然科学版), 2015,39(6):138- 144.

[4] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning, Structural Integrity Management of Fixed Offshore Structures[S].2014.

[5] 王亮，阮胜福，王崇鑫，等.一种应用于平台导管架的船舶撞击分析方法[C].中国钢结构行业大会论文集,2012:564- 567.

[6] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms- Working Stress Design[S]. Twenty- First Edition,2000.

[7] American Petroleum Institute, Derivation of Metocean Design and Operating Conditions[S].2014.

[8] American Petroleum Institute, Seismic Design Procedures and Criteria for Offshore Structures[S].2014.