導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)極限承載力非線性分析

導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)極限承載力非線性分析

海洋平臺(tái)極限承載力分析與安全評(píng)估隨著海洋石油工業(yè)的快速發(fā)展，所有能夠在渤海糖島海域建造各種導(dǎo)管平臺(tái)的平臺(tái)。這種平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命一般為15～20a,目前,已有大量的現(xiàn)役平臺(tái)接近設(shè)計(jì)壽命,陸續(xù)進(jìn)入后服役期。而隨著海上油氣田開發(fā)的深入,有些平臺(tái)雖然已接近服役期限,但暫時(shí)還不能退役,需要進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估、維修與加固,然后繼續(xù)服役,有時(shí)還需要進(jìn)行平臺(tái)改造或擴(kuò)建,以滿足新的功能需要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料分析,后服役期平臺(tái)的腐蝕比較嚴(yán)重,有的平臺(tái)還存在構(gòu)件受損等缺陷,致使平臺(tái)的承載能力下降,甚至影響到結(jié)構(gòu)的安全性,因此需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行極限承載力分析與安全評(píng)估。目前,主要的安全評(píng)估方法有2種:一種是用結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備來(lái)計(jì)算平臺(tái)的失效概率;另一種則是用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)估算倒塌的概率。這2種方法中,環(huán)境載荷作用下結(jié)構(gòu)極限承載力的計(jì)算是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者曾對(duì)平臺(tái)的極限承載力進(jìn)行了研究。M.T.Vannan等應(yīng)用線性分析的簡(jiǎn)化方法得到了墨西哥灣5座平臺(tái)的極限承載力,證明了其方法的有效性和經(jīng)濟(jì)性。K.A.Farnes和T.Moan對(duì)海洋平臺(tái)的極限狀態(tài)進(jìn)行了非線性動(dòng)力響應(yīng)分析。D.J.Petruska等應(yīng)用非線性靜力推導(dǎo)分析法分析了墨西哥灣一座平臺(tái)的極限承載能力,從而推出平臺(tái)的失效概率。肖儀清等在考慮結(jié)構(gòu)缺陷和損傷的情況下對(duì)導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極限承載力分析。聶炳林應(yīng)用SESAM軟件建立平臺(tái)的模型,對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了非線性倒塌分析。歐進(jìn)萍、肖儀清等提出分析結(jié)構(gòu)極限承載力的整體推進(jìn)法,并對(duì)渤海八號(hào)生產(chǎn)/儲(chǔ)油平臺(tái)進(jìn)行了極限承載力分析。筆者針對(duì)后服役期海洋平臺(tái)建立了不同的有限元模型,其中包括無(wú)缺陷的模型、模擬構(gòu)件腐蝕的模型和局部構(gòu)件失效的模型等,通過(guò)逐級(jí)增加載荷的方法,對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析,得出平臺(tái)的載荷-樁頂位移曲線,并分析得出平臺(tái)的極限承載力。同時(shí),計(jì)算平臺(tái)自存狀態(tài)下的環(huán)境載荷,進(jìn)而計(jì)算平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)RSR(ReserveStrengthRatio),最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分析后服役期平臺(tái)的安全狀況。導(dǎo)管架模型建立以一座四樁腿導(dǎo)管架式平臺(tái)為例,平臺(tái)位于渤海埕島海域,平臺(tái)所處位置水深9m,平臺(tái)在泥面以上高度為18m,樁腿外徑1200mm、壁厚25mm,導(dǎo)管架頂部尺寸為9m×8m,如圖1所示。根據(jù)平臺(tái)的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立平臺(tái)的數(shù)值計(jì)算模型,并根據(jù)實(shí)測(cè)的平臺(tái)的模態(tài)對(duì)平臺(tái)作相應(yīng)的模型修正,使模型的模態(tài)與平臺(tái)的實(shí)測(cè)模態(tài)基本相符。按規(guī)范,計(jì)算模型取在泥面以下6倍樁徑處采用固端支撐。甲板上的設(shè)備載荷簡(jiǎn)化為質(zhì)量單元,上部載荷總質(zhì)量為150t。除甲板外,整個(gè)導(dǎo)管架均采用pipe20單元。整個(gè)平臺(tái)模型劃分為487個(gè)節(jié)點(diǎn),618個(gè)單元。平臺(tái)材料的彈性模量E為205GPa,泊松比為0.3,材料密度為7800kg/m3,屈服極限σs為320MPa。導(dǎo)管架平臺(tái)模型中的圓管構(gòu)件有5種不同的截面尺寸,具體如表1所示?？紤]不同載荷組合的工況組合作用在導(dǎo)管架平臺(tái)上的載荷有導(dǎo)管架自重、甲板設(shè)備載荷、風(fēng)載荷、冰載荷、波浪載荷等。所考慮的工況組合為:(1)自重+甲板載荷+風(fēng)載荷+波浪載荷,載荷方向在水平面內(nèi)分別與X軸成0、45和90°方向;(2)自重+甲板載荷+風(fēng)載荷+冰載荷,載荷方向在水平面內(nèi)分別與X軸成0、45和90°方向。1.單位長(zhǎng)度ud4c根據(jù)平臺(tái)所在海域的海洋環(huán)境資料,波浪理論選用Stocks五階波理論。波浪力計(jì)算按照Morison方程計(jì)算F(t)=ρπD24CMU˙(t)+12ρDCD|U(t)|U(t)(1)F(t)=ρπD24CΜU˙(t)+12ρDCD|U(t)|U(t)(1)式中F(t)——作用在單位長(zhǎng)度上z處的水平力;U(t)——在z處柱體中點(diǎn)位置處的水平方向水質(zhì)點(diǎn)速度與流速之和;U˙(t)U˙(t)——在z處柱體中點(diǎn)位置處的水平方向水質(zhì)點(diǎn)加速度;D——柱體直徑;ρ——水的密度;CM——慣性力系數(shù);CD——拖曳力系數(shù)。根據(jù)該海區(qū)的海洋環(huán)境資料,按100a一遇的自存工況,最大波浪周期Tmax=8.65s,最大波高Hmax=6m,海流速度1.029m/s,拖曳力系數(shù)取1.2,慣性力系數(shù)取2.0,計(jì)算出的波浪流作用在導(dǎo)管架上的最大力為2291.94kN。2.冰的接觸系數(shù)及冰的單軸壓縮強(qiáng)度冰載荷的計(jì)算采用中國(guó)船檢局關(guān)于冰載荷的擠壓公式F=KImDHσC(2)F=ΚΙmDΗσC(2)式中K——接觸系數(shù),取K=0.45;I——嵌入系數(shù),取I=2.5;m——形狀參數(shù),取m=0.9;H——冰厚,H=0.45m;σC——冰的單軸壓縮強(qiáng)度,取1717kPa。計(jì)算得作用在導(dǎo)管架上的極限冰載荷為4192kN。風(fēng)冰工況下載荷導(dǎo)管架平臺(tái)的自重載荷由程序自動(dòng)計(jì)算,甲板上的設(shè)備質(zhì)量由ANSYS的質(zhì)量單元施加,環(huán)境載荷按節(jié)點(diǎn)集中力形式施加,按前面所述所有工況進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),風(fēng)冰工況下載荷值最大。然后考慮當(dāng)載荷分別沿與X軸成0、45、90°三個(gè)方向作用時(shí),控制載荷的增加幅度,逐漸加大作用在平臺(tái)上的力,直到平臺(tái)的樁頂位移與載荷的關(guān)系曲線趨于平緩時(shí),即載荷增量很小而樁頂位移增量很大時(shí),表明平臺(tái)結(jié)構(gòu)倒塌,此時(shí)的環(huán)境載荷為平臺(tái)的極限承載力。也就是說(shuō),將樁頂位移與橫向載荷曲線平緩作為平臺(tái)倒塌的標(biāo)志。1.平臺(tái)腐蝕損傷的環(huán)境載荷首先,根據(jù)平臺(tái)的原始設(shè)計(jì)建立無(wú)缺陷平臺(tái)的數(shù)值模型,分別施加與X軸成0、45和90°環(huán)境載荷,進(jìn)行線性分析,分別得到3種載荷工況下平臺(tái)模型局部單元開始屈服時(shí)所施加的環(huán)境載荷大小。然后,模擬腐蝕損傷平臺(tái)模型,腐蝕損傷主要模擬管接點(diǎn)附近的桿件單元,假定以0.3mm/a的速度受到均勻腐蝕,平臺(tái)到達(dá)服役年限15a后,因?yàn)楦g作用,壁厚減小4.5mm,建立均勻腐蝕后的平臺(tái)模型,進(jìn)行線性分析,計(jì)算平臺(tái)單元開始屈服時(shí)的環(huán)境載荷,結(jié)果如表2所示。從表2結(jié)果可以看出,平臺(tái)在不同方向上的抗力是不同的;因腐蝕作用,到達(dá)服役期后平臺(tái)的構(gòu)件更容易發(fā)生屈服。由于海洋平臺(tái)是超靜定結(jié)構(gòu),平臺(tái)某一桿件的破壞,不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)平臺(tái)立即倒塌。也就是說(shuō),平臺(tái)的某一構(gòu)件局部達(dá)到屈服后,平臺(tái)結(jié)構(gòu)仍可以承受較大的載荷。因此,需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行非線性分析,研究平臺(tái)的極限承載能力。2.平臺(tái)的極限承載力對(duì)無(wú)缺陷的初始設(shè)計(jì)平臺(tái)模型,分別施加與X軸成0、45和90°方向的環(huán)境載荷,考慮平臺(tái)材料的材料非線性和幾何非線性,對(duì)上述3種情況下的極限承載力進(jìn)行非線性分析。計(jì)算得出在這3種工況下平臺(tái)的樁頂位移與載荷的關(guān)系曲線,如圖2所示。根據(jù)樁頂位移與載荷的關(guān)系,當(dāng)曲線變平緩時(shí),表明平臺(tái)已經(jīng)達(dá)到極限載荷,根據(jù)極限承載力可以計(jì)算出平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)RSR=RUSR(3)RSR=RUSR(3)式中RU——平臺(tái)的極限承載力;SR——平臺(tái)在服役期內(nèi)可能受到的總側(cè)向載荷。當(dāng)環(huán)境載荷分別沿3個(gè)方向作用時(shí),計(jì)算平臺(tái)的極限載荷、樁頂位移和強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù),計(jì)算結(jié)果如表3所示。從分析得到的數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)載荷沿不同方向作用時(shí),平臺(tái)的抗力是不同的。當(dāng)載荷沿45°斜向作用時(shí),平臺(tái)的極限承載力最大;當(dāng)載荷作用方向與X軸成90°角時(shí),平臺(tái)的極限承載能力最小。3.平臺(tái)極限承載力分析海洋平臺(tái)長(zhǎng)期在風(fēng)、浪、流、冰等環(huán)境載荷作用下,會(huì)發(fā)生材料腐蝕與老化、產(chǎn)生構(gòu)件缺陷,在到達(dá)服役期后,平臺(tái)的承載力會(huì)下降?？紤]腐蝕,假定在飛濺區(qū)所有撐桿均在管接點(diǎn)附近以0.3mm/a的平均速度在管外側(cè)發(fā)生腐蝕,到達(dá)設(shè)計(jì)服役年限15a后,壁厚從外側(cè)減少4.5mm,以此建立后服役期的腐蝕平臺(tái)模型,考慮材料非線性和幾何非線性,計(jì)算平臺(tái)的極限承載力。分別計(jì)算載荷與X軸成0、45、90°方向時(shí)到達(dá)設(shè)計(jì)壽命的均勻腐蝕平臺(tái)的樁頂位移與載荷的關(guān)系曲線,并與原始無(wú)缺陷平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果分別如圖3a、3b、3c所示。根據(jù)上述結(jié)果,可以得到位移與載荷曲線變平緩時(shí)平臺(tái)的極限承載力及對(duì)應(yīng)的樁頂位移,并計(jì)算出平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表4所示。將表4與表3對(duì)比可以看出,平臺(tái)受到腐蝕后,極限承載能力明顯下降,沿45°斜向的承載能力較大,而沿90°方向的承載能力最小。在上述計(jì)算過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),首先達(dá)到屈服破壞的構(gòu)件是平臺(tái)的斜撐桿。因此,在后服役期平臺(tái)的維修與加固過(guò)程中,要特別注意平臺(tái)斜撐桿的強(qiáng)度儲(chǔ)備情況。4.平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限承載力分析如果后服役期的平臺(tái)發(fā)生構(gòu)件失效,平臺(tái)的承載能力會(huì)發(fā)生變化。在此,討論斜撐桿或水平撐桿分別斷開的2種情況。首先,假定斜撐桿AB在B端斷開(見(jiàn)圖1),分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載情況,圖4所示為斜撐桿AB斷開時(shí)樁頂位移與載荷的關(guān)系曲線。其次,假定水平撐桿CD在C端斷開(見(jiàn)圖1),分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載情況,圖5所示為水平撐桿CD斷開時(shí)樁頂位移與載荷的關(guān)系曲線。通過(guò)上述計(jì)算可以得到斜撐桿斷開或水平撐桿斷開時(shí)平臺(tái)的極限載荷及對(duì)應(yīng)的樁頂位移,并計(jì)算出強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù),如表5所示。從上述結(jié)果可以看出,構(gòu)件斷裂后,平臺(tái)的極限承載力明顯下降;而且,斜撐桿斷裂對(duì)承載能力的影響,要比水平撐桿斷裂的影響更大。綜上所述,通過(guò)對(duì)不同工況下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載力分析,將平臺(tái)在斜撐桿斷裂、水平撐桿斷裂、后服役期發(fā)生腐蝕和平臺(tái)無(wú)缺陷時(shí)的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出,平臺(tái)構(gòu)件的腐蝕和構(gòu)件的失效都會(huì)在很大程度上影響平臺(tái)的極限承載力,而且不同構(gòu)件的破壞,會(huì)在不同程度上使極限承載力下降。平臺(tái)整體強(qiáng)度的研究筆者對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)在無(wú)缺陷、腐蝕損傷和構(gòu)件斷裂等幾種情況做了極限承載力的非線性分析,得到以下結(jié)論:(1)考慮材料的腐蝕,后服役期平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)明顯下降,也就是說(shuō),腐蝕對(duì)強(qiáng)度的影響比較大,而實(shí)際平臺(tái)的不均勻腐蝕,會(huì)使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備下降得更多;撐桿斷裂對(duì)平臺(tái)整體強(qiáng)度的影響相對(duì)要小。(2)從分析結(jié)果來(lái)看,不同方向的載荷對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生的作用不同,在沿Y軸方向的載荷作用下,該平臺(tái)的極限承載能力最小,平臺(tái)更容易發(fā)生危險(xiǎn)。從計(jì)算結(jié)果可以看出,在初始設(shè)計(jì)中該平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備是比較大的,平臺(tái)在X方向和Y方向的強(qiáng)度儲(chǔ)備要小于斜向的強(qiáng)度儲(chǔ)備。但