导管架平台冰致疲劳分析

崔希君，朱本瑞

（1.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017；2.天津大学建筑工程学院，天津300072）

0 引 言

渤海是我国进行海上石油开采作业的主要海域之一，目前已有大量导管架平台在该海域安装。不同于其他海域，渤海湾每年冬季都会出现不同程度的结冰现象，海冰会在风和海流的作用下发生漂移，当其撞击导管架平台基础时，会引起平台产生强烈振动，进而引发结构疲劳问题。文献［1］指出，海冰载荷是冰区海上石油平台设计的主要控制载荷，由其引起的冰致疲劳问题严重威胁着海洋平台结构的安全性。例如：我国渤海老二号平台［2］因冰激振动而产生疲劳损伤，进而发生倒塌；位于渤海湾的JZ20-2 平台［3］的8 号管线在海冰的作用下发生疲劳断裂，导致天然气大量泄漏，平台被迫停产。此外，美国阿拉斯加库克湾的钻井平台和加拿大大型沉箱式采油平台等都曾遭受到冰激振动的危害。

导管架平台通常由钢制管材焊接而成，其管节点焊缝位置受应力集中的影响，在交变应力的作用下易发生疲劳损伤。因此，对于冰区导管架平台的设计而言，冰致疲劳是其必须考虑的问题之一。文献［4］对海洋工程结构物的冰激振动和疲劳进行了阐述；文献［5］基于Maattanen冰力模型对海洋平台的冰致疲劳寿命进行了预测；文献［6］针对直立腿平台，对比分析了其在稳态冰力和随机冰力作用下的疲劳损伤；文献［7］对带破冰锥的四腿平台的疲劳寿命进行了估计。上述文献对典型的四腿平台或单立柱平台的疲劳问题进行了研究，但很少对浮拖安装的大型导管架平台的冰致疲劳问题进行研究。

我国渤海辽东湾的油气田通常采用全海式开发方案，即设置一个大型中心平台对周围井口平台进行油气集输。中心平台往往具有超大的上部组块，通常采用站立浮拖式安装方式在海上安装。为满足浮拖驳船在安装平台组块时对空间的需求，其导管架结构在水线面附近呈典型的“凹”字构造，因而具有较低的冗余度；同时，井口区的隔水导管群不得不布置于桩腿外侧，直接暴露于海冰的作用下，致使整个导管架结构遭遇的冰载荷较为复杂。因此，对于采用浮拖安装方式的导管架平台而言，应综合考虑隔水导管群冰载荷的影响，对其低冗余结构位置进行详细的冰致疲劳分析，以确保其在服役期内的安全性。本文以某浮拖安装式导管架平台为研究对象，采用时域分析方法对其结构的冰致疲劳损伤和弱点位置进行分析，为同类结构的设计和安全维护提供参考。

1 动冰载荷

海冰载荷的大小和破坏模式与作用结构的形状、刚度和尺寸密切相关，对于导管架平台而言，其动冰载荷模型可分为直立桩动冰力载荷和锥体动冰力载荷2 类。

1.1 直立桩动冰力载荷

ENGELBREKTSON［8］基于现场观测数据建立了作用于直立桩腿上的动冰力模型，其载荷历程可简化为“锯齿形”的周期函数。

最大冰力Fmax根据规范［9］中的静冰力公式计算得到，即

式（1）中：m为形状系数，对于圆形截面，取m ＝0.9；I为嵌入系数；fc为接触系数；σc为海冰单轴抗压强度，MPa；D为冰挤结构的宽度，m；H为冰厚，m。

对于截面为圆形的桩腿，嵌入系数I与接触系数fc的乘积由经验公式给出，即

式（2）中：H和D的单位为cm。

冰力周期T是冰速和冰排破碎长度的函数，有

式（3）中：v为冰速；lc为冰挤压破坏时的破碎长度，与冰厚有关，lc＝cH，c为常数。根据资料进行统计分析，建议取c ＝0.1 ～0.3。

在没有现场测量数据的情况下，可取最小冰力Fmin为Fmax的1／4 ～1／3。本文取lc＝0.3H，Fmin＝1／3Fmax。

1.2 锥体动冰力载荷

对于辽东湾海域安装锥体的导管架桩腿，其冰载荷的变化过程可采用三参数的简化冰力函数描述［10］，即

式（4）中：F0和T分别为锥体动冰力的峰值和周期，s；τ为冰排沿锥面的上爬时间，s。

为确定该动冰力模型，必须先确定F0和τ。F0可根据Ralston 模型［11］，由最大静冰力确定；τ 与T 存在一定的关系，文献［10］通过试验测试拟合出τ与T的关系为T ＝2.577 7τ +0.066 9，T ＝lb／v，其中lb为冰弯曲破坏时的破碎长度。同样，lb亦正比于冰厚H，对于辽东湾海域，其比值的范围为3 ～12，均值为7.89。本文在计算时取lb＝7H。

2 冰致疲劳寿命评估

在对导管架平台管节点进行疲劳分析时，需选择合适的S-N曲线。S-N曲线描述了结构应力水平S与疲劳破坏时的循环次数N之间的关系。对于承受交变应力的导管架平台管节点而言，API（American Petroleum Institute）RP2A规范［12］给出了2 条S-N曲线，即X曲线和X＇曲线。X曲线适用于相邻母材具有光滑的熔透焊接并进行焊缝外形控制的管节点，当剖面控制不行时，推荐使用X＇曲线。X＇曲线的数学表达式为

式（5）中：S为应力幅值；N为疲劳破坏时对应的循环次数。

由于平台在服役期内可能会遭遇不同的冰工况，当采用时域方法计算管节点疲劳寿命时，首先应根据环境条件进行疲劳子工况划分，然后分别对各疲劳子工况进行动力响应分析，获得一段热点应力时间历程，随后采用雨流计数法确定第i个子工况下的各应力幅值Sij和对应的应力循环次数nij，最后根据Miner线性累积损伤准则求得整个服役期Tn内管节点的总损伤D，可表示为

式（6）中：Di为第i个疲劳子工况下在整个服役期内造成的结构损伤；k 为疲劳子工况个数；m为第i个疲劳子工况下采用雨流计数法得到的应力幅值个数；Tc为计算时长；Pi为第i个疲劳子工况发生的概率，可根据海冰参数的统计概率分布得到。

进一步计算得到平台各管节点的疲劳寿命Tf为

基于以上原理，进行导管架平台时域疲劳分析。

3 某导管架平台冰致疲劳分析

3.1 海冰参数及疲劳工况

某导管架平台设计工作年限为25 a，位于渤海第14 冰区，该冰区初冰日平均在12 月23 日，终冰日平均在3 月6 日，平均有效冰期为11 d，最长为23 d，最短为5 d，海冰漂移的方向主要集中在西南（SW）和东北（NE）2 个方向，最大漂移速度为1.3 m／s，平均冰速为0.4 m／s。该冰区不同重现期的海水参数见表1。

表1 渤海第14 冰区不同重现期的海冰参数

根据表1，考虑4 种冰厚（5 cm、10 cm、16 cm和30 cm）、3 种冰速（0.4 m／s、0.7 m／s和1.3 m／s）和2 个方向（SW和NE），将该冰区整个冰致疲劳环境划分为24 个疲劳子工况，根据文献［13］中的冰厚和冰速的分布函数计算得到各子工况下的海冰参数概率分布。

3.2 有限元模型

该平台的作业水深为28.8 m，上部组块采用驳船浮拖安装，导管架水线面处结构呈典型的“凹”型，见图1a。该平台导管架的质量为2 745 t，桩腿重为2 770 t，上部组块作业时的最大质量为15 833.32 t；该平台导管架分为3 层，高程分别为+5.47 m、-8.50 m 和-28.80 m（海平面处为0 m）；8 根主桩腿的外径均为2.134 m，入泥深度为74 m；两侧井口区4 根小桩腿的外径均为1.219 m，入泥深度为65 m；井口区内按矩形阵列布置20 根隔水导管，其中，布置在矩形四角的4 根隔水导管的直径为0.914 m，其余16 根隔水导管的直径为0.610 m，见图1b。为降低冰载荷的作用，平台桩腿上均安装有破冰锥，在计算冰载荷时，按锥体动冰力计算；隔水导管群因空间较小，无法安装破冰锥，按直立桩动冰力计算，又因隔水导管布置密集，计算时考虑彼此之间的遮蔽效应，遮蔽系数大小见图1b。冰力作用点取1 年一遇高水位位置，即平均海平面以上3.5 m处。

采用ANSYS 建立该平台的有限元模型，见图1c。导管架模型采用PIPE59 单元建立；泥面以下桩基模型采用PIPE16 单元建立，并采用弹簧单元COMBIN39 考虑桩基与土的非线性相互作用；平台上部组块梁和甲板模型采用BEAM188 和SHELL63 单元建立；上部组块井口装置和吊机载荷等对导管架管节点疲劳寿命的影响不予考虑，这些载荷均按设备质量，采用MASS21模拟。

图1 平台结构及有限元模型

由此，基于以上有限元模型，采用模态分析方法得到平台结构的前10 阶固有频率，见表2。

表2 平台前10 阶固有频率

由表2 可知，平台1 阶固有频率为0.45 Hz，对应的固有周期约为2.22 s。根据平台前2 阶固有频率，在对平台进行冰激振动分析时，考虑瑞利阻尼，取临界阻尼比为5%，可计算得到阻尼系数α和β。

3.3 疲劳结果分析

对该平台进行直立桩和锥体动冰力作用下的强迫振动分析，分别计算不同疲劳子工况下导管架泥面以上全部42 个管节点共计128 个支管的名义应力时程。以802 单元为例，分析其在最大冰工况下（冰厚为30 cm，冰载荷方向为SW）的名义应力响应时程，见图2。

图2 不同冰速下的802单元的名义应力响应时程

由图2 可知，该构件在海冰载荷作用下表现为明显的强迫振动，当冰速为0.4 m／s时，其名义应力幅值约为16 MPa，且随着冰速的增大，其应力幅值逐渐减小。显然，这是由于冰速越大，冰载荷作用周期越短，离平台自振周期越远，结构动力放大效应越小。

进一步，以平均有效冰期11 d作为疲劳应力作用时间，考虑管节点热点应力集中系数，采用雨流计数法计算得到平台各重要杆件在所有子工况下的疲劳损伤和疲劳寿命，取寿命值最短的前10 个结果进行分析，结果见表3。

表3 平台管节点疲劳损伤和疲劳寿命

提取表3 中疲劳寿命少于200 a 的单元位置，见图3。

由图3 可知：由于该平台结构采用浮拖安装的设计，致使井口区和桩腿位置均受到较大的冰载荷作用，且因上部组块较重，在冰激振动作用下会产生较大的惯性力，从而造成平台中疲劳寿命较短的杆件主要分布在两侧井口区附近的第一水平层和第二水平层（标高分别为5.47 m处和-8.5 m）处；平台疲劳寿命少于100 a 的单元802 和单元704 均为井口区第一水平层与主桩腿相连的构件，此类构件恰好位于波浪飞溅区，是平台遭受腐蚀最严重的区域。此外，在现实冰载荷环境中，由于井口区隔水导管布置密集，极易引起碎冰堆积效应，进而使冰载荷增大，进一步缩短结构的疲劳寿命。因此，在日常检修中，应重点关注井口区的构件。一方面，注重对构件防腐涂层的保护，防止其发生腐蚀；另一方面，当发生大规模碎冰堆积时，尽快除冰，防止其降低结构的疲劳安全裕度。

图3 疲劳寿命少于200 a的单元位置

4 结 语

1）采用强迫振动方案进行冰激振动分析，提取管节点各单元的应力，采用雨流计数法统计得到各构件的热点疲劳等效应力幅值，进而确定浮拖式导管架结构各构件的冰致疲劳寿命，结果表明：在浮拖式导管架结构所有支管单元中，疲劳寿命最小值为78.9 a，能满足服役25 a的设计需求。

2）浮拖式平台中疲劳寿命相对较短的单元均位于平台井口区第一水平层和第二水平层，其中疲劳寿命少于100 a的2 个构件位于井口区第一层水平撑与主桩腿相连的位置，此处为平台的弱点位置，在应用过程中应将其作为重点检测和维护部位。