海洋导管架平台结构极限强度分析方法

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(中海石油(中国)有限公司 惠州作业公司,深圳 518000)

0 引 言

自20世纪80年代以来，我国海上石油工业飞速发展，在渤海、东海和南海海域约有近200座固定式导管架平台。在平台的设计阶段，通常考虑100年一遇(对于渤海海域也可采用50年一遇)的环境载荷与相应的功能载荷叠加，校核结构的完整性。该设计方法属于线形响应分析方法。但是，随着近年来异常环境事件的频繁出现和服役年限的增加、平台水下构件的腐蚀、地基总体或局部的冲刷、平台构件的机械损伤、节点疲劳损伤等结构退化带来的不利影响使平台结构的风险大大增加。因此，需要对老旧平台导管架结构进行极限强度评估，极限强度评估的主要目的在于确认平台导管架结构剩余强度，这与结构固有的鲁棒特性密切相关。通常，这种极限强度分析称为非线性倒塌分析。基于研究成果，工业界结合长期的运营经验编制了非线性倒塌分析的设计规范/指南，例如：ISO 19902，API 2A WSD，NORSOK N-006等。目前，国内的固定式导管架设计主要采用API 2A WSD作为主要设计规范，该规范中提出强度储备系数(Ration of Reserve Strength,RSR)的概念。RSR的基本定义是平台极限侧向载荷能力与100年环境载荷的比值。根据API RP 2A规范，如果结构不能通过设计水平结构分析(即线性分析)，则可采用非线性倒塌分析评估结构的承载能力和安全裕度。 相比线性分析，非线性分析更复杂，这对分析工程师和采用分析结论作工程判断的关键技术人员提出了更高的技术要求。

本文基于非线性倒塌分析的要点和注意事项进行定性讨论，为采用非线性分析评估老旧平台提供参考，并以中国南海的某典型的导管架平台为例，研究采用SACS软件进行非线性倒塌分析的基本流程和注意事项。

1 非线性倒塌分析中考虑的非线性

非线性倒塌分析中的非线性一般指结构材料非线性和大变形致结构响应非线性。

图1 材料非线性

1.1 结构材料非线性

非线性结构分析需要根据结构最终失效的情况评价当前结构的完整性状态，故其分析中主要结构的应力一般会超过材料屈服限而进入塑性应变区间。在这种情况下，需要在分析中保守且合理地设置材料的弹塑性属性。复杂的非线性分析须相对准确地模拟材料属性，定义如图1实线所示的材料模型。在一般的静态结构非线性分析中，基于算法简化和保守起见，忽略材料硬化过程而直接采用如图1中虚线所示的简化模型。

1.2 大变形非线性

在平台结构的极限能力分析中，由于平台结构整体侧向变形而引起的二次载荷非常明显，由于平台重力的影响，表现为基底倾覆弯矩随变形显著增加；而这种结构变形导致的附加载荷在线性分析中可忽略。另外在计算结构杆件抗屈曲能力时，其计算一般不是根据经典的欧拉临界原理，而是直接模拟结构可能的初始缺陷，这也为结构分析带来挑战，需要在分析中予以正确地模拟和处理。

2 非线性倒塌分析的结构模拟

非线性倒塌分析的模型一般可以由在位分析模型转化得到，但是由于结构非线性分析的特殊要求，须对模型进行相关简化和特殊处理。

首先，为减少非线性分析的复杂性，提高分析效率，减少二级构件对非线性迭代计算的影响，一般不把整个平台结构作为非线性结构的分析对象。根据分析的主要目的，整体倒塌分析主要关注导管架结构的能力，而是将上部相关结构直接模拟为线性结构，同理导管架附件以及次要结构也须模拟为线性结构。综合相关经验，建议结构材料非线性模拟的要求为：上部组块结构为线性材料；导管架附件为线性材料或从模型中剔除；导管架桩腿为非线性材料；导管架水平撑和斜撑为非线性+屈曲初始缺陷；桩土作用为非线性弹簧；钢桩为非线性材料。

模型简化的另一个基本原则是不影响结构总体刚度、载荷和传递路径。简化后需要重新确认载荷，与线性分析的结果进行对比分析，并作相应调整。此外，非线性分析的结果与结构的模拟有直接关系，在进行结构模拟的同时，必须对可能的失效模式有清晰的认识并根据其失效模式特点调整结构模拟。

3 非线性结构分析要点

3.1 圆管截面承载能力

考虑到导管架主要结构均为圆管结构，在结构分析时必须对圆管结构的特点和失效模式进行分析，不仅需要考虑其最大承载能力，还要注意其不同失效模式之间的相互影响，如结构屈服后的截面稳定性、薄壁管截面局部屈曲、非充水杆件的静水压力。

3.2 结构屈曲能力

导管架结构体系的水平撑和斜撑结构一般应用其截面拉压能力，故其截面屈曲一般在非线性倒塌分析中是最典型的失效模式。为准确分析结构的屈曲，需要对结构件的屈曲计算长度和在最不利受力平面内的初始缺陷进行准确的分析。

3.3 管节点能力

在非线性倒塌分析中，必须分析管节点的能力，由于API规范设计的钢结构没有强节点设计要求，故有可能节点先于结构失效进而导致系统失效。

3.4 载荷步设置

载荷步的设置对结构的非线性响应有较大影响，过小的载荷步会影响分析效率，而过大的载荷步会跳过个别失效模式，过高地估计结构的能力。应该依据结构可能的失效模式进行敏感性分析，确定合理的载荷步设置。

3.5 可能的甲板上浪

在设计时，如果下甲板高度过低或者平台运行时间过长，平台可能产生下沉。在风暴工况时，波浪波峰会高于下甲板标高，产生波浪拍击甲板荷载，API RP 2A和API RP 2SIM规范中都给出了简单预测作用在平台甲板上的整体波浪力的方法[1]。如果可能出现甲板上浪，波浪载荷增加非常大，直接影响导管架的整体能力。

4 计算实例

4.1 接受标准

由于所分析平台结构设计主要依据的是API RP 2A WSD规范，本文算例得到的RSR必须满足该规范的要求。

4.2 极限强度分析的载荷

极限强度分析有：

图2 P-Delta效应示意图

(1) 自重荷载。自重荷载包括导管架和组块结构重量荷载、 导管架附属构件荷载、组块设备荷载和导管架所受浮力。

(2) 风、波、流荷载。风、波、流荷载在极限强度分析中为控制荷载，波浪又为三者中的主导荷载。在一般情况下，应选择风暴条件中的特定波高以及相应的流、风荷载。在分析中的波浪运动系数、波流阻挡系数、拖曳力系数及惯性力系数选择与API RP 2A中相同[1]。但是，波浪参数在各个方向可能不同，在极限强度分析中也应考虑，这样可以更加精确地计算平台的承载能力。

(3) P-Delta效应荷载。P-Delta(P指竖向荷载；Delta为水平位移)效果是指平台在同时受到水平力和轴力作用时，在水平力作用下产生的位移和轴力组合产生附加弯矩的效果[2-3]。固定平台在达到极限状态下的水平位移较大，产生的附加弯矩也较大、P-Delta效应对平台的极限承载能力也会产生影响，在极限强度分析中应重点考虑[4]。图2为P-Delta效应示意图。

4.3 主要的分析过程

非线性分析的主要步骤为：(1)建立导管架模型和组块模型，组块上施加设备荷载；(2)施加重力荷载、活荷载、浮力荷载，这些与重力相关的荷载在极限强度分析时是恒定的；(3)为极限强度分析选择海洋环境条件，一般波浪条件为控制工况，风、流与其统一(风一般在小于15 m水深时作为控制工况)，通常在极限强度分析中选择100年一遇环境条件；(4)确定是否有甲板上浪问题，如存在，则按照API 2A WSD规范的相关规定进行计算；(5)在程序中设定P-Delta效应荷载，随着结构位移的增大，荷载效应逐步增大；(6)施加最初荷载，即将前4步的荷载施加到模型上，以上所提到的载荷都施加1倍力，作为极限强度分析的最初荷载；(7)垂向荷载保持恒定，水平荷载以逐渐递增的方式施加至结构上，直至结构发生倒塌。

图3 结构模型

结构进入倒塌状态的判断准则为：导管架桩腿和桩进入塑性状态，基础土壤发生破坏，结构杆件发生大变形。分别对不同方向进行分析，分析完成后统计各个方向的RSR是否满足规范要求，一般须大于1.6。

4.4 平台概述

HZ26-1导管架平台主要由组块、导管架和桩3部分组成，平台作业水深为112 m。平台导管架为8腿12裙桩结构型式，桩通过导管架打入海底土壤中。导管架顶部标高为EL+6.5 m，在此标高处通过8个工作点支撑平台甲板结构。平台组块包括2层甲板式结构，即上甲板和下甲板，各层甲板标高分别为EL+27.09 m和EL+19.47 m。甲板上有吊机结构、火炬臂结构等。整体结构模型如图3所示。

4.5 环境参数

HZ26-1平台选用环境条件为百年一遇条件，具体数据见表1。

表1 不同材质管线冲洗和试压过程中的水质情况

4.6 荷载描述

在HZ26-1导管架平台极限强度分析中，荷载可分为2部分，即固定荷载和可变荷载。固定荷载包括：导管架自重、导管架附属结构重量、组块重量、组块设备荷载、活荷载。可变荷载包括：风、波、流环境荷载。固定荷载在计算中是恒定不变的，可变荷载以逐渐递增的方式施加到结构上。

倒塌分析采用的环境条件为百年一遇最大波浪+对应流和风，共考虑8个方向：0°，63°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。在倒塌分析过程中，对结构作如下假定：组块次梁、火炬臂、隔水套管、立管靠船件为弹性构件，即在整个分析过程中都在弹性范围内；应变率为0.5%。

4.7 分析结果

当环境荷载加载到一定程度时，结构会达到倒塌原则，以90°方向为例，当环境荷载加载至2.17倍时，x向位移骤然增大，桩基发生塑性破坏，发生倒塌。倒塌数据见表2。

表2 倒塌数据

续表2 倒塌数据

图5 载荷系数与整体位移的关系曲线

极限强度分析RSR与位移关系如图5所示，可以看出：当RSR达到2.17后，位移持续变大，说明平台已经倒塌。

由结构变形失效结果可知：平台桩腿与斜撑杆件逐渐达到塑性破坏，在RSR达到2.14时，平台已经达到极限强度，如果RSR再次增大，平台倒塌。

5 结 语

非线性倒塌分析是评估固定式海洋平台结构完整性的有效工具，通过该分析可以得到所分析平台导管架的RSR，可以定量地确认平台的安全余量，为结构完整性的维护做理论支持。

非线性分析不同于线性分析，其分析结果在很大程度上取决于对材料和结构失效模式特点的把握。可靠的非线性分析需要通过多次的分析计算并根据分析结果调整分析输入。采用SACS进行结构分析时，针对细长杆件的屈曲能力的分析必须非常注意，如果结构参数设置不合理，可能导致高估结构的能力。

[1] Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[M].2007.

[2] Ultimate Limit Strength (ULS) of Fixed Offshore Platforms[M].Chevron,2007.

[3] 李润培,王志农.海洋平台强度分析[M].上海:上海交通大学出版社,1992.

[4] 陈新权.导管架平台环境荷载计算及强度分析[D].上海:上海交通大学,2004.