孫樹峰，呂 濤, 2，陳國明，孫久洋，宋玉東，何 睿

(1. 中國石油大學(xué) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580; 2. 山東海洋工程裝備研究院有限公司，山東 青島 266000)

海上油氣行業(yè)一直著眼于海上平臺的設(shè)計、建造、作業(yè)安全評估，對于退役階段的平臺很少關(guān)注。伴隨服役地區(qū)油氣資源枯竭或者平臺壽命到達服役極限的現(xiàn)象，海上油氣平臺棄置成為所有海上油氣田企業(yè)不得不面臨的問題[1-2]。以英國北海為例，1970年至2000年期間，北海地區(qū)出現(xiàn)了大規(guī)模的新建海上油氣平臺，其中相當一部分為固定式導(dǎo)管架平臺，目前這些平臺基本達到服役年限[3]。根據(jù)國際法規(guī)，對于已經(jīng)達到使用年限的海上導(dǎo)管架設(shè)施需要進行重利用或者拆除處理[4]。導(dǎo)管架是樁基固定平臺的重要承載部分，擁有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，拆除過程中一旦發(fā)生危險，將會造成巨大災(zāi)難，因此開展拆除過程中導(dǎo)管架平臺穩(wěn)定性分析成為新興的議題。

導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)拆除前以及拆除過程中的結(jié)構(gòu)剩余承載能力的定量評估是分析拆除流程安全的關(guān)鍵。林紅等[5]針對導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)承載能力退化現(xiàn)象，提出一種動態(tài)魯棒性評估指標；吳慶金等[6]對導(dǎo)管架進行推覆分析，得到各構(gòu)件重要性指標；朱本瑞等[7]通過分析平臺結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)及剩余強度儲備比，對導(dǎo)管架平臺連續(xù)倒塌魯棒性進行了評估。然而，現(xiàn)有研究主要針對完整平臺開展結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，而拆除分析大多針對導(dǎo)管架平臺局部結(jié)構(gòu)或單個構(gòu)件，缺乏對拆除過程中導(dǎo)管架整體動力響應(yīng)的分析。

導(dǎo)管架平臺拆除過程中作業(yè)區(qū)間的劃分關(guān)系到拆除安全性、作業(yè)效率，Na等[8]針對導(dǎo)管架拆除過程中可能遇到的問題進行了分析，并論證了海上平臺退役方案；李美求等[9-10]探討了廢棄樁基平臺拆除工程的方案選擇以及導(dǎo)管架的拆除方法；許杰等[11]提出并研究了采用浮吊整體拆除隔水導(dǎo)管技術(shù)的可行性；Velazquez等[12]針對海上油氣平臺拆除過程中技術(shù)、方法進行了探討，提出將平臺回收后用作其他開發(fā)方案；Fowler等[13]考慮環(huán)境、社會和經(jīng)濟效益因素，提出一種多標準決策分析方法(MA)，用于評估海上油氣平臺退役后拆除方案?，F(xiàn)有拆除方案大多針對拆除方案選擇、技術(shù)可行性進行分析，尚未形成拆除作業(yè)安全評價方法。

因此，提出導(dǎo)管架平臺拆除作業(yè)安全指標，參照鋼結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)建立拆除作業(yè)評價準則，給出階段性作業(yè)指導(dǎo)意見；同時，從導(dǎo)管架平臺頂點的時變特性、整體的應(yīng)力變化及失效模式特點出發(fā)，研究拆除過程中平臺力學(xué)性能和關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)及影響規(guī)律，相關(guān)成果可為導(dǎo)管架平臺拆除作業(yè)提供參考。

1 導(dǎo)管架平臺穩(wěn)定性計算方法及評估指標

1.1 導(dǎo)管架平臺拆除數(shù)值分析模型

對導(dǎo)管架平臺拆除過程動力學(xué)分析時，需要同時考慮波浪和海流載荷作用對平臺的影響。導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)尺寸與入射波相比尺度較小，波浪對于此類小尺度結(jié)構(gòu)物的作用主要為黏滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)，可采用 Morision 方程進行計算：

(1)

導(dǎo)管架平臺拆除過程中的穩(wěn)定性問題從屬于第二類穩(wěn)定計算理論范圍，而鋼結(jié)構(gòu)第二類穩(wěn)定性分析屬于非線性極值計算問題[14]。導(dǎo)管架構(gòu)件為細長桿，失穩(wěn)一般發(fā)生在結(jié)構(gòu)的彈性范圍之內(nèi)，可用勢能原理求解此類彈性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題：

(2)

V=U-W

(3)

式中：V為系統(tǒng)整體勢能，J；U為應(yīng)變能，J；W為系統(tǒng)變形過程中外部載荷做的功，J；δ為系統(tǒng)的位移，m。應(yīng)變能U在計算過程中可以分為線性和非線性兩部分，由此上述公式可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

(4)

式中：K0為線性剛度矩陣，KNL為非線性剛度矩陣?？紤]到導(dǎo)管架平臺的幾何和材料雙重非線性影響的穩(wěn)定性分析方程為：

(K0S+Kσ+K0L){δ}={P}

(5)

式中：K0S為小位移彈性剛度矩陣；K0L為大位移彈性剛度矩陣；Kσ為幾何剛度矩陣。第二類穩(wěn)定問題計算的本質(zhì)是求解結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線，導(dǎo)管架平臺拆除過程中的載荷主要來源于環(huán)境載荷與自身重力載荷，按荷載增量法求解的過程可歸結(jié)為對式(5)的求解。

1.2 拆除作業(yè)安全評估指標

導(dǎo)管架平臺拆除作業(yè)安全指標與結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、剩余承載能力變化密切相關(guān)，表征平臺結(jié)構(gòu)破壞指數(shù)以及剩余穩(wěn)定性能。如何定義拆除過程中穩(wěn)定性指標，是導(dǎo)管架平臺拆除作業(yè)安全評估的關(guān)鍵問題。導(dǎo)管架平臺作為大型鋼結(jié)構(gòu)框架，可以參考規(guī)范中對于鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)安全性能指標的規(guī)定[15-17]，各國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準中均采用彈塑性層間位移角限值來保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的穩(wěn)定性要求。因此，參照在地震領(lǐng)域已經(jīng)較為成熟運用的抗震設(shè)防體系，借鑒建筑抗震設(shè)計規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)破壞評價方法[18-19]，利用變形指數(shù)θ作為拆除作業(yè)安全評估指標：

(6)

式中：xi為拆除i個構(gòu)件后平臺的頂點位移，m；xd為平臺頂點的極限位移，m；α為非線性組合系數(shù)，混凝土結(jié)構(gòu)取值為1，鋼結(jié)構(gòu)取值為2，文中取2。

基于作業(yè)安全評估指標評估拆除作業(yè)的準則為：當θ<1時，拆除過程中導(dǎo)管架平臺不會發(fā)生倒塌事故；否則結(jié)構(gòu)自身已無法保持平臺穩(wěn)定，即，拆除作業(yè)需要在外部支撐設(shè)施輔助下進行。

采用Pushover方法確定的導(dǎo)管架平臺極限承載能力曲線可以劃分成三個階段：線彈性響應(yīng)、彈塑性響應(yīng)和倒塌響應(yīng)[20]。而在我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范中，構(gòu)件破壞狀態(tài)被劃分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和倒塌五個破壞狀態(tài)。鑒于此，根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)，將導(dǎo)管架平臺拆除作業(yè)過程劃分為正常作業(yè)、可以作業(yè)、預(yù)警作業(yè)、吊裝作業(yè)四個階段?；诓鸪鳂I(yè)階段，需定量化描述各階段間的極限狀態(tài)，同時應(yīng)定義相應(yīng)的作業(yè)安全評估指標。在此結(jié)合文獻[18]，建立基于變形指數(shù)θ的拆除作業(yè)評價準則，如表1所示。

表1 拆除作業(yè)安全評估指標Tab. 1 Safety evaluation index of demolition operation

2 導(dǎo)管架平臺拆除過程穩(wěn)定性分析

2.1 平臺有限元模型建立

以南海某一導(dǎo)管架平臺為例，導(dǎo)管架平臺設(shè)計水深107 m，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)分為7層，4根樁管成雙斜對稱結(jié)構(gòu)，WA和WB面為X 型結(jié)構(gòu)，W1和W2面為 K 型結(jié)構(gòu)，平臺樁腿入泥深度為99.75 m，采用4裙12腿安裝在海底。假設(shè)導(dǎo)管架平臺的上部組塊已經(jīng)拆除，建立整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。選用 PIPE288 和 PIPE20 作為導(dǎo)管架和樁腿屬性單元，PIPE288 單元可以通過設(shè)置管內(nèi)無壓力進行模擬導(dǎo)管架所受浮力，樁-土相互作用通過非線性 COMBIN39 模擬，彈簧屬性通過平臺海底土層地質(zhì)參數(shù)定義。

由于導(dǎo)管架平臺為對稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，為保證拆除過程中構(gòu)件受力均勻，拆除順序采用對角切割原則。在此基礎(chǔ)上，主樁腿作為導(dǎo)管架平臺主要承載構(gòu)件，最后進行切割。該平臺體積較大，采用分段拆除策略，由水下第4和5層中部進行模擬拆除，對結(jié)構(gòu)進行平面展開并將構(gòu)件切割順序編號如圖2所示。

圖1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Jacket structure model

圖2 平臺側(cè)面展開圖及構(gòu)件編號Fig. 2 Flank figure of platform and number of members

2.2 環(huán)境工況設(shè)計

考慮到導(dǎo)管架平臺拆除作業(yè)安全以及防范事故要求，根據(jù)海洋環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)，選取重現(xiàn)期為10年的環(huán)境載荷作為拆除工況進行研究，分析拆除過程中整體力學(xué)響應(yīng)，對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)境載荷Tab. 2 Environmental load

圖3 載荷作用方向Fig. 3 Load direction

導(dǎo)管架平臺拆除作業(yè)過程中，環(huán)境載荷方向隨機性較大，因此針對8個載荷作用方向進行分析，如圖3所示。由于平臺結(jié)構(gòu)對稱，拆除構(gòu)件順序與載荷方向可以相互轉(zhuǎn)換，因此，只需要針對315°～90°方向內(nèi)載荷進行分析。

2.3 拆除過程結(jié)構(gòu)力學(xué)特征

基于上述理論及數(shù)據(jù)，按照構(gòu)件編號依次模擬導(dǎo)管架平臺拆除過程。如圖4所示，提取0°載荷方向平臺頂點位移和應(yīng)力說明拆除過程中的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征。由分析結(jié)果可知，平臺應(yīng)力有三次突變，分別為斜撐3、斜撐4、主樁腿7拆除之后，其中斜撐3拆除后平臺頂點位移基本不變，表明導(dǎo)管架平臺處于“線彈性階段”，此時可以正常進行拆除作業(yè)。全部斜撐拆除后，平臺中構(gòu)件最大應(yīng)力上升至106 MPa，頂點位移升至0.12 m，由作業(yè)安全評估指標可知導(dǎo)管架此時具有較高穩(wěn)定性能，可以進行正常拆除作業(yè)，這是因為導(dǎo)管架平臺斜撐起輔助支撐作用，承載較小，發(fā)生破壞、拆除之后對整體影響程度較低。當主樁腿7拆除后，平臺應(yīng)力和頂點位移同時發(fā)生突變，最大應(yīng)力為140 MPa，最大頂點位移0.16 m，應(yīng)力最大構(gòu)件發(fā)生輕微破壞，而導(dǎo)管架平臺仍具有較高穩(wěn)定性能，此時處于可以拆除作業(yè)階段。分析結(jié)果原因：導(dǎo)管架平臺拆除前上部組塊已經(jīng)移除，致使平臺自身具有較強穩(wěn)定能力；選取的作業(yè)工況遠小于設(shè)計環(huán)境載荷重現(xiàn)期，平臺魯棒性高。當?shù)诙l主樁腿8拆除后，平臺發(fā)生倒塌，作業(yè)階段直接轉(zhuǎn)入吊裝作業(yè)，因此需在主樁腿7拆除后發(fā)布預(yù)警，完成吊裝。

進一步提取導(dǎo)管架平臺在0°載荷方向上的頂點時程位移，如圖5所示。完整狀態(tài)下導(dǎo)管架平臺頂點位移振蕩極值為0.083 m，當拆除一條主樁腿后，頂點位移振蕩極值為0.199 m。頂點位移呈現(xiàn)周期性的正弦波動，伴隨導(dǎo)管架平臺構(gòu)件逐步拆除頂點位移顯著增大，繼續(xù)拆除構(gòu)件將導(dǎo)致平臺塑性變形越來越大，直至發(fā)生倒塌事故，這是主要因為隨著導(dǎo)管架平臺構(gòu)件拆除，結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境載荷能力以及自身穩(wěn)定性變?nèi)?，?dǎo)管架平臺吸收的環(huán)境載荷能量無法消散，導(dǎo)致平臺結(jié)構(gòu)內(nèi)能不斷增加，最終發(fā)生嚴重塑性變形。

圖4 0°方向平臺應(yīng)力和頂點位移曲線Fig. 4 U-V curve of platform in 0°

圖5 平臺頂點位移時程曲線Fig. 5 Time history curve of platform top displacement

分別提取0°載荷作用下導(dǎo)管架平臺不同拆除階段導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變分布，如圖6所示。由應(yīng)變分布圖可知，完整導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)中部管節(jié)點處應(yīng)力最大，首先發(fā)生塑性變形，如圖6(a)所示橢圓范圍；隨著構(gòu)件的逐步拆除致使導(dǎo)管架重力重新分配，直到全部斜撐以及一條主樁腿拆除完畢，主樁腿節(jié)點下方成為導(dǎo)管架最大應(yīng)力處，如圖6(b)所示橢圓范圍；當導(dǎo)管架平臺對角主樁腿拆除后，結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生較大塑性變形發(fā)生倒塌，來浪方向相鄰主樁腿第4層下部產(chǎn)生應(yīng)力極值，如圖6(c)所示橢圓范圍。對比導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)拆除過程失效路徑可知，主樁腿為整體主要承載結(jié)構(gòu)，拆除部分主樁腿后導(dǎo)管架平臺還未倒塌，但已處于危險作業(yè)狀態(tài)，因而在作業(yè)過程中應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行浮拖或者吊裝處理，防止拆除過程中導(dǎo)管架平臺發(fā)生連續(xù)倒塌。

圖6 不同拆除階段導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變分布Fig. 6 Plastic strain distribution of jacket structure in different demolition stages

3 拆除過程穩(wěn)定性影響因素研究

導(dǎo)管架平臺拆除過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到環(huán)境載荷、自身結(jié)構(gòu)等多因素影響。由上述分析結(jié)果可知不同拆除階段導(dǎo)管架穩(wěn)定性差別顯著；另外，考慮到環(huán)境載荷的動態(tài)效應(yīng)，環(huán)境載荷大小也會比較明顯的影響導(dǎo)管架平臺拆除過程中穩(wěn)定性結(jié)果。因此，選取導(dǎo)管架平臺拆除過程中來浪方向和環(huán)境載荷大小兩個參數(shù)進行分析。

3.1 來浪方向?qū)Σ鸪^程穩(wěn)定性影響

圖7給出了本實例在315°～90°方向內(nèi)不同拆除階段的分析結(jié)果。由圖7(a)可以看出導(dǎo)管架平臺拆除過程中頂點振蕩位置發(fā)生兩次顯著增大，分別位于垂直來浪面斜撐(構(gòu)件1～4)全部拆除和主樁腿7拆除后，前者最大值發(fā)生在來浪方向為0°時，頂點位移由0.081 m增加至0.116 m，后者最大值發(fā)生來浪方向為315°時，頂點位移由0.111 m增加至0.204 m，說明 X 面結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境載荷性能優(yōu)于 K 面結(jié)構(gòu)。由圖7(b)可以看出導(dǎo)管架平臺應(yīng)力同樣在全部斜撐和主樁腿7拆除后突變，拆除主樁腿7后導(dǎo)管架平臺最大應(yīng)力為156 MPa。分析可知，不同來浪方向會影響拆除過程穩(wěn)定性，垂直來浪方向面上的斜撐拆除后對結(jié)構(gòu)影響明顯；主樁腿拆除是造成導(dǎo)管架平臺失穩(wěn)的主要因素，斜撐結(jié)構(gòu)拆除過程中導(dǎo)管架平臺都有較高的穩(wěn)定性。對于本實例，主樁腿7應(yīng)在來浪方向為0°時進行拆除，此時平臺應(yīng)力取得最小值140 MPa，頂點位移為0.162 m。

圖7 來浪方向?qū)ζ脚_拆除影響分析Fig. 7 Impact analysis of the waves direction in this paper

3.2 環(huán)境載荷大小對拆除過程穩(wěn)定性影響

圖8給出了本實例在不同環(huán)境載荷作用下，頂點位移和平臺應(yīng)力隨拆除階段(選取四個階段)的變化關(guān)系。由圖8(a)可以看出環(huán)境載荷重現(xiàn)期對拆除過程中導(dǎo)管架平臺頂點位移影響顯著，頂點位移呈現(xiàn)線性增加。隨著環(huán)境載荷重現(xiàn)期變化，完整狀態(tài)下導(dǎo)管架平臺頂點位移由0.025m上升至0.079 m，拆除一條主樁腿的平臺頂點位移由0.074 m上升至0.214 m，從2 a到 25 a環(huán)境載荷對導(dǎo)管架平臺頂點位移“放大”3倍左右。由圖8(b)所示，導(dǎo)管架平臺應(yīng)力對環(huán)境載荷變化更加敏感，2 a工況下時，完整狀態(tài)與拆除一條主樁腿后平臺應(yīng)力分別為35.3 MPa、47.7 MPa；25 a工況時，兩個狀態(tài)平臺應(yīng)力分別上升至66.4 MPa、180 MPa，“放大”倍數(shù)由1.35增至2.77。取工作環(huán)境及施工條件下材料許用應(yīng)力系數(shù)為0.6，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)腐蝕三折線應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，假設(shè)導(dǎo)管架平臺已服役25年，得到本文分析實例拆除過程中平臺應(yīng)力臨界值為165 MPa。對于本實例，建議導(dǎo)管架平臺在十年一遇的環(huán)境載荷范圍內(nèi)進行拆除，拆除至一條主樁腿后需要增加外部浮拖或者吊裝設(shè)施，以保證后續(xù)拆除作業(yè)在安全范圍內(nèi)進行。

圖8 環(huán)境載荷對平臺拆除影響分析Fig. 8 Impact analysis of environmental load in this paper

4 結(jié) 語

1)針對導(dǎo)管架平臺拆除作業(yè)中的整體穩(wěn)定性問題，建立拆除作業(yè)安全評估指標，將拆除作業(yè)過程劃分為四個階段，并給出相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)意見，該評估指標能夠為保障設(shè)備穩(wěn)定作業(yè)和人員安全提供參考。

2)導(dǎo)管架斜撐拆除過程對于平臺穩(wěn)定性影響程度較小，為正常作業(yè)以及可以作業(yè)階段；導(dǎo)管架平臺拆除主樁腿后結(jié)構(gòu)不再“安全”，拆除過程需要引入外部吊裝設(shè)施，實施吊裝拆除作業(yè)。

3)導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)是決定拆除作業(yè)的內(nèi)部因素，拆除作業(yè)前期建議優(yōu)先拆除結(jié)構(gòu)中重要程度低的構(gòu)件；來浪方向?qū)π睋尾鸪^程影響顯著，垂直來浪方向面上的斜撐拆除后導(dǎo)管架平臺頂點振幅明顯；拆除構(gòu)件越多，環(huán)境載荷對導(dǎo)管架平臺頂點位移和平臺應(yīng)力放大效應(yīng)越明顯。