錦州9-3油田WHPC平臺冰激振動數(shù)值模擬

董坤，趙希寶

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司工程建設(shè)中心，天津 300452)

摘要：針對錦州9-3油田WHPC平臺導(dǎo)管架和組塊的工程設(shè)計，進行冰激振動分析，包括平臺自振特性、平臺甲板冰激振動響應(yīng)以及強度校核，根據(jù)不同的甲板位置進行人員舒適度檢驗，以期為渤海淺水重冰區(qū)類似平臺結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架平臺；冰激振動；數(shù)值模擬

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.028

中圖分類號：U661.44;p751

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0102-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一董坤 (1981-)，男，學(xué)士，工程師

Abstract:Aiming at the engineering design of the WHPC jacket and modules of Jinzhou 9-3 oilfield, the numerical analysis of the ice-induced structural vibration is carried out, including the free vibration characteristics of the platform, ice-induced vibration and strength of the platform deck, and comfort evaluation of personnel at different location on the decks. The work can provide some references for ice-resistant design of jacket platform in shallow heavy icing area of Bohai sea.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋工程設(shè)計、建造和工程項目管理

E-mail:dongkun@cnooc.com.cn

高緯度地區(qū)海洋石油開發(fā)工程無法回避海冰的影響，海冰已成為困擾寒區(qū)海洋工程的首要因素[1]。冰激結(jié)構(gòu)振動并最終導(dǎo)致破壞性結(jié)果的事件屢見不鮮，如1973年波蘭在波茲尼亞灣建造的 Kemi-1鋼質(zhì)燈塔，于當(dāng)年冬季在風(fēng)驅(qū)動的漂移冰排作用下產(chǎn)生劇烈振動而倒塌。我國渤海的海冰與石油分布特征導(dǎo)致渤海的冰激振動問題比極區(qū)國家更加突出。1979年“海四井”號采油平臺被海冰推倒，造成重大經(jīng)濟損失[2-4]。1999-2000年冬季，渤海JZ20-2中南平臺，冰激振動導(dǎo)致平臺管線斷裂[5]。強烈的冰激振動會對結(jié)構(gòu)上部生活模塊中的工作人員的基本生活產(chǎn)生影響，降低工作效率與舒適程度，振動嚴重時會對工作人員的人身健康產(chǎn)生危害[6]。

國內(nèi)外學(xué)者對于冰激振動現(xiàn)象給予了充分的重視。代表性的研究工作有，針對柔性錐體的冰激振動問題進行完備的模型試驗研究，提出柔性錐體前冰排前緣出現(xiàn)二次斷裂，導(dǎo)致已有試驗結(jié)果具有較明顯的兩個主頻[7]；依據(jù)冰激強迫振動理論,由結(jié)構(gòu)的響應(yīng)對渤海海洋平臺所受的冰荷載進行了反演和識別[8]。

錦州9-3油田位于渤海遼東灣北部海域，平均水深約6.5～10.5 m，屬于淺水重冰區(qū)，一些嚴重的海冰災(zāi)害多發(fā)生在這一區(qū)域。錦州9-3 WHPC平臺屬于傳統(tǒng)的四樁腿導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式，該平臺在頂層甲板(EL+26.5 m)上分配了60%以上的重量，載重量比較集中,容易導(dǎo)致平臺上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著的冰激振動。為此，對其進行冰激振動分析。

1分析思路

在本項目所開展的數(shù)值模擬工作中，冰激振動機理決定了數(shù)值模型中具體冰力形式與輸入方式。因此，必須建立完備的冰激振動機理與輸入冰力間的對應(yīng)關(guān)系。

冰激振動進程同樣受冰排破壞模式與結(jié)構(gòu)條件的共同影響和控制。在不同的冰條件與結(jié)構(gòu)條件組合情況下，將發(fā)生不同冰激振動機理所控制的振動事件，按照結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)象的不同可分為以下幾種情況。

1)準(zhǔn)靜態(tài)振動。與冰排在直立結(jié)構(gòu)前的屈曲破壞模式相對應(yīng)。

2)穩(wěn)態(tài)振動。與冰排在直立結(jié)構(gòu)前的延-脆轉(zhuǎn)化破壞模式相對應(yīng)。

3)隨機振動。與冰排在直立結(jié)構(gòu)前的脆性擠壓破壞模式相對應(yīng)。

4)準(zhǔn)強迫振動。與冰排在窄錐型結(jié)構(gòu)前的彎曲破壞模式相對應(yīng)。

5)準(zhǔn)隨機振動。與冰排在寬錐型結(jié)構(gòu)前的非同時性彎曲破壞模式相對應(yīng)。

前期在天津大學(xué)冰水池內(nèi)進行了大量的模型試驗，為數(shù)值模擬提供了冰力輸入依據(jù)與基礎(chǔ)。其中，抗冰錐體模型試驗建立了冰排破壞特征與作用條件間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)冰排破壞特征的甄別結(jié)果，對不同冰排破壞進程冰力時程波動特征進行歸類，并在每一類別的波動特征中選取典型性的冰力時程，根據(jù)模型試驗中遵循的相似準(zhǔn)則，將保持一一對應(yīng)關(guān)系的作用條件與典型性冰力時程還原為WHPC平臺的原型情況，并作為基礎(chǔ)輸入時程。

圖1～3中給出了基于試驗測試確定的典型冰力時程曲線(冰速1.4 m/s、冰厚49.2 cm、3種水位條件)。

圖1　最高天文潮

圖2　平均水位

圖3　最低天文潮

同時，采用了以模型試驗測試結(jié)果[7]為依據(jù)的技術(shù)路線，見圖4。

圖4　數(shù)值分析計算技術(shù)路線

2有限元模型的建立

如圖5所示，有限元模型共4層甲板，頂層甲板高程為26.5 m。平臺結(jié)構(gòu)的阻尼比為5%。

圖5　WHPC平臺有限元模型

在平臺下部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)中，飛濺區(qū)以下部分采用pipe59單元模擬，飛濺區(qū)以上部分采用pipe16單元模擬，忽略了附屬構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，將其質(zhì)量施加在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置處。平臺上部模塊的結(jié)構(gòu)形式在數(shù)學(xué)模型中完整模擬，包括甲板、梁格、立柱、撐桿、生活樓及直升機甲板等。其中，甲板采用shell63單元模擬，梁格結(jié)構(gòu)使用beam188單元模擬，立柱和撐桿采用pipe16單元模擬，忽略甲板上各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，對于需要進行冰激振動響應(yīng)分析的設(shè)備采用mass21單元模擬設(shè)備的質(zhì)量施加在對應(yīng)重心位置。其他設(shè)備的質(zhì)量通過調(diào)整相應(yīng)位置甲板單元(shell63單元)的密度折合進整體的質(zhì)量矩陣中。樁基礎(chǔ)的模型建立采用在泥面以下建立完整的彈性長樁，通過提供的土體資料查得不同深度的P-y、t-z以及Q-z曲線的數(shù)據(jù)，在相應(yīng)位置處通過combin39單元的非線性D-f特性模擬土體對彈性長樁的約束作用。

對WHPC平臺模型進行模態(tài)分析，前三階自振頻率，見表1。

表1　WHPC平臺模型前3階自振頻率

3甲板響應(yīng)分析

3.1計算工況的確定

根據(jù)此前物理模型試驗研究結(jié)果，導(dǎo)致平臺響應(yīng)出現(xiàn)明顯變化的水位可典型性歸納為3種：最高天文潮水位、平均水位和最低天文潮水位。

為配合后期所進行的冰激疲勞分析，在設(shè)置冰激振動與冰激疲勞工況時考慮海冰參數(shù)應(yīng)與其概率分布相對應(yīng)，因此在計算工況中將冰速分為0.15、0.30、0.60、1.20和1.40 m/s共5種情況，分別代表相應(yīng)的概率分布冰速范圍；將冰厚分為5、10、15、20、25、30、35、40和49.2 cm共9種情況，分別代表相應(yīng)的概率分布冰厚范圍；將冰向分為NE、SW、NNE和SSW共4種情況；將水位分上述3種情況。這些冰作用條件涵蓋了錦州9-3油田附近海域可能遭遇的冰情特征，組合上述4種條件參數(shù)共形成540組計算工況。

按照3種海冰作用參數(shù)對計算工況進行區(qū)分和命名，命名示例如下。

① ② ③④

其中:①為作用水位，1為最高天文潮水位,2為平均水位,3為最低天文潮水位；②為冰速，cm/s；③為冰厚，cm，④為冰向。

3.2甲板響應(yīng)情況分析

3.2.1模型試驗結(jié)果

前期模型試驗已經(jīng)得到結(jié)構(gòu)整體的響應(yīng)規(guī)律。在冰攻角22.5°，100年一遇目標(biāo)冰厚下模型加速度波動范圍隨冰速的變化分布見圖6。

圖6　WHPC模型加速度波動范圍隨冰速的變化

模型試驗測試結(jié)果反映的是結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)規(guī)律，但不能用于對結(jié)構(gòu)振動細節(jié)的評價，而數(shù)值模擬中的計算結(jié)果，則描述了多層次結(jié)構(gòu)上各具體位置的振動響應(yīng)細節(jié)，反映的是結(jié)構(gòu)細致、全面的響應(yīng)水平，其需在規(guī)律上與模型試驗測試結(jié)果保持一致。

3.2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

WHPC平臺共有4層甲板，分析中針對每層甲板的計算結(jié)果，每層甲板選取4個角點和中心點共5個位置進行結(jié)果提取。為形成對于每層甲板振動水平的綜合性評價，將上述5個位置的結(jié)果進行疊加平均，得到每層甲板的綜合評價結(jié)果。與設(shè)備響應(yīng)情況相同，每層甲板的響應(yīng)在1-1200-49.2-SSW工況下達到最大水平。具體計算結(jié)果見表2、3。由表2可見，EL+26.5 m甲板的振動水平最為劇烈。

表2　WHPC平臺各層甲板最大位移響應(yīng)　mm

表3WHPC平臺各層甲板最大加速度響應(yīng)

cm/s 2

對EL+26.5 m甲板的水平向和垂向的加速度響應(yīng)進行頻譜分析，甲板結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)在高頻段形成了明顯的能量集中，具體在x，y，z方向的集中頻率分別為：0.71、0.61及0.89 Hz。對比模態(tài)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，此時不僅結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)被激發(fā)出穩(wěn)態(tài)振型，而且結(jié)構(gòu)的二階模態(tài)也被激發(fā)出了穩(wěn)態(tài)振型。

提取數(shù)值模擬計算結(jié)果中*-*-49.2-SSW系列工況下的平臺EL+26.5 m甲板沿冰力作用方向的加速度響應(yīng)結(jié)果，按照上式統(tǒng)計各組次計算結(jié)果的加速度波動范圍，并同樣繪制該參量隨冰速的變化分布，見圖7。

圖7　WHPC平臺EL+26.5 m甲板在 　　　*-*-49.2-SSW系列工況下 　加速度波動范圍隨冰速的變化

將上述數(shù)值模擬計算結(jié)果的分布情況與模型試驗測試規(guī)律(圖6)進行對比，可以看到數(shù)值模擬計算結(jié)果反映了與模型試驗結(jié)果相同的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化規(guī)律，說明數(shù)值計算是合理的。

4操作人員舒適度評估

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《機械振動與沖擊-人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.1-2007)，對于暴露在振動過程中的人體舒適度評價，采用總計權(quán)加速度參數(shù)進行衡量：

(1)

式中：aw——頻率計權(quán)加速度；

Wi——第i個1/3倍頻程帶的計權(quán)因數(shù)；

ai——第i個1/3倍頻程帶均方根加速度。

同時，國家標(biāo)準(zhǔn)《機械振動與沖擊——人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.2-2008)還規(guī)定，對于處于非交通工具上的人員暴露振動評價，可將Wi修正為Wm。

對于分析平臺所處的三向振動環(huán)境，《機械振動與沖擊——人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.1-2007)標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定，應(yīng)采用頻率計權(quán)均方根加速度的振動總量進行評價。

(2)

式中：awx，awy，，awz——x、y、z方向上的計權(quán)均方根加速度；

kx，ky，kz——x、y、z方向上的方向因數(shù)。

根據(jù)《機械振動與沖擊——人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.1-2007)標(biāo)準(zhǔn)對人體舒適度評價的推薦取值，kx、ky及kz均取為1.0。

在最新修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.2-2008)中，刪除了關(guān)于暴露持續(xù)時間對人體的不同影響附屬關(guān)系，原因是這一概念并未得到實驗研究結(jié)果的支持。因此，該標(biāo)準(zhǔn)僅作如下評價推薦。

頻率計權(quán)均方根加速度小于0.315 m/s2：感覺不到不舒適；處于0.315～0.63 m/s2：有點不舒適；處于0.5～1.0 m/s2：相當(dāng)不舒適；處于0.8～1.6 m/s2：不舒適；處于1.25～2.5 m/s2：非常不舒適；大于2.0 m/s2：極不舒適。

同樣根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《機械振動與沖擊——人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.1-2007、GB/T 13441.2-2008)，可對所有計算工況下WHPC平臺各層甲板的加速度響應(yīng)時程進行分析計算，獲得具體工況下的頻率計權(quán)均方根加速度振動總量av值。計算結(jié)果表明，1-1200-49.2-SSW工況下各層甲板的頻率計權(quán)均方根加速度振動總量達到最大值，見表4。

表4　1-1200-49.2-SSW工況下WHPC

表4的計算結(jié)果表明，WHPC平臺各層甲板的最大頻率計權(quán)均方根加速度振動總量，均未達到GB/T 13441.2-2008中推薦的人體不舒適臨界值：0.315 m/s2。因此，可以判定WHPC平臺的振動水平是滿足操作人員舒適度要求的。

5平臺結(jié)構(gòu)強度校核

當(dāng)平臺在冰排作用下發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平將較靜力分析結(jié)果具有動力放大效應(yīng)。因此，要對平臺結(jié)構(gòu)中的重點構(gòu)件進行強度校核工作。計算結(jié)果顯示，在振動過程中平臺結(jié)構(gòu)的主要交變式構(gòu)件變形均體現(xiàn)在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，進而致使導(dǎo)管架上的應(yīng)力放大效應(yīng)最為顯著。同時，在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，4根主樁腿上的應(yīng)力水平較高，另外，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上連接主樁腿的部分水平撐桿上的應(yīng)力同樣處于很高的水平。

因此，這里對這些構(gòu)件上的應(yīng)力計算結(jié)果進行強度校核。計算結(jié)果顯示，上述構(gòu)件的應(yīng)力在1-1200-49.2-SSW工況下達到最大，計算統(tǒng)計結(jié)果見表5、6。

表5　WHPC平臺導(dǎo)管架主樁腿最大應(yīng)力統(tǒng)計

表6　WHPC平臺導(dǎo)管架部分撐桿最大應(yīng)力統(tǒng)計

由此結(jié)果可以看到，所有構(gòu)件的應(yīng)力均未超過API規(guī)范中規(guī)定的構(gòu)件許用應(yīng)力(212 MPa)，因此結(jié)構(gòu)強度在冰激振動工況也滿足要求。

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Numerical Simulation of Ice-induced Vibration of

the WHPC Platform of Jinzhou 9-3 Oilfield

DONG Kun, ZHAO Xi-bao

(Project Construction Center, Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: jacket platform; ice-induced vibration; numerical simulation