海生物对南海导管架平台结构强度的影响

胡永明，赵佳宁，王子堂

（海洋石油工程股份有限公司 天津300451）

0 引 言

导管架平台安装就位后，海生物在结构表面附着并持续生长。海生物的种类将近 600种，主要包含硬质的贝壳以及软质的海草，其中硬质海生物密度（干基）为 1300～1400kg/m3。海生物的存在会增加平台结构的质量，并且增大结构杆件尺寸，从而加大波浪、海流对结构的作用力。

目前我国南海平台结构设计时均考虑一定的海生物厚度，以保证平台服役期内的安全。部分平台安装了防海生物装置[1-2]或在结构表面涂敷特殊涂层，限制海生物的生长。但部分平台的海生物检测结果表明，硬质海生物在几年之内就能生长到50～60mm甚至更高，使平台结构部分区域海生物厚度超过设计值。因此，有必要研究海生物的实际厚度对导管架结构强度的影响，根据导管架结构应力水平及桩基础承载力制定合理的海生物清理方案，保证平台结构安全。

1 海生物影响计算方法

1.1 海生物质量

导管架主要由圆管组成，单根圆管结构上单位长度海生物的质量可通过以下公式计算：

式中：D 为光滑杆件外径；tm为海生物平均厚度；ρm为海生物密度；ρw为海水密度。

实际测量时采用钢尺测量杆件不同位置处的周长，取平均值，再计算海生物平均厚度。

1.2 波流荷载

单根杆件单位长度的波流荷载采用莫里森方程[3]进行计算：

式中：CD为拖曳力系数；w为海水重力密度；g为重力加速度；A为杆件在荷载方向上单位长度的投影面积，对于圆管等于包含海生物在内的有效直径，A = D + 2 ×tm；U为水质点速度；Cm为惯性力系数；V为杆件单位长度排开水的体积，圆管为水质点加速度。

海生物的存在会影响拖曳力系数和惯性力系数[4]，API规范[3]建议平台结构整体计算时按表 1取值。

表1 拖曳力系数与惯性力系数Tab.1 Drag and inertia coefficients

2 工程实例

2.1 海生物厚度

选取我国南海某平台，研究海生物对平台质量、水平环境力以及平台结构强度的影响。该平台为固定式导管架平台，8腿 12裙桩，水深 199m，2009年投产。原始设计时采用的海生物厚度如表2所示。

表2 海生物设计厚度Tab.2 Design marine growth thickness

在 2014年进行了水下海生物测量，结果如表 3所示。

从测量结果可以看出，海生物厚度超过了原始设计值，水深 28～98m 测量值与设计值相差较大。2014年测量完成后清除了水深 0～35m范围内的海生物。根据《海上固定平台安全规则》，我国海上固定平台水下检测周期一般为 5年。为了确定下一次水下检测即2019年时海生物是否需要清理以及清理范围，分析表4～6所示情况。

表3 海生物实测厚度Tab.3 Measured marine growth thickness

表4 一直不清理情况下海生物厚度Tab.4 No marine growth removal

表5 每5年清理0～35m水深下海生物厚度Tab.5 Remove marine growth 0～35m per 5 years

对表 4～6中 2019年及 2024年海生物厚度在2014年清理后的基础上进行预测，假定水深0～50m海生物每年增长10mm，水深50～100m海生物每年增长 3mm，水深 100m～泥面海生物每年增长2mm。

表6 每5年清理0～50m水深下海生物厚度Tab.6 Remove marine growth 0～50m per 5 years

2.2 分析结果

经过计算，该平台在 2014年清理海生物前，海生物质量（湿基）约 818t，百年一遇工况下海生物引起的波流力约 370t，占平台受到的总波流力的5.5%。分析结果（表 7）显示，如果不清理海生物，结构应力持续增加，桩基础承载力安全系数降低，到2024年会出现应力比超1且承载力安全系数不满足要求。定期清理海生物将有效控制结构的应力水平并保证极端工况下基础承载力安全系数大于 1.5，综合考虑平台的应力水平和清理难度，建议定期清理水深0～35m范围的海生物。

表7 导管架强度分析结果Tab.7 Jacket structural strength analysis results

3 结 论

通过以上海生物影响分析，本文主要得出如下结论，可供南海导管架平台检测和完整性管理参考。

①平台设计时一般考虑一定的海生物厚度，有些平台会在潮差带安装防海生物装置，控制海生物的最大厚度。但部分平台检测资料显示，实际海生物厚度可能会超过设计值，水深超过 50m 区域也可能会有海生物大量生长，防海生物装置也会因为海生物生长或其他因素失去效用。因此有必要定期监测海生物的生长状态。

②海生物生长速度无法准确预测，一般认为平台安装初期生长较快，随后生长速度减慢。海生物最大厚度也没有明确规律，根据目前我国南海部分平台的检测数据，局部硬质海生物可达 80～100mm，软质海生物可达200mm以上。目前仅考虑了硬质海生物的影响，软质海生物还有待进一步研究。

③南海固定平台由于水深较大，水深超过 50m后部分水下作业需要动用饱和潜水，费用很高。由于平台在水面附近受到的波流荷载较大，目前南海固定平台一般会清理水深 0～35m 范围内的海生物。当深水区海生物生长严重时，可根据平台实际情况清理0～50m范围或考虑采用水下机器人ROV清理深水区结构外表面的海生物。