紀(jì)蒙生 張延軍 劉登輝 李風(fēng)順 運(yùn)濤

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津塘沽 300459）

1 引言

渤海某平臺(tái)水深27.6 米；該平臺(tái)導(dǎo)管架2005年安裝， 2017 年水下檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂紋，其中最嚴(yán)重的裂紋出現(xiàn)在水下-8米水平層井口區(qū)支撐桿件與A2 腿連接管節(jié)點(diǎn)以及附近另一平面管節(jié)點(diǎn)，分別標(biāo)記為220 節(jié)點(diǎn)和214 節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測顯示裂紋為貫穿裂紋如下圖所示。

圖1 導(dǎo)管架貫穿裂紋節(jié)點(diǎn)N220/N214

圖2 導(dǎo)管架裂紋走向

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 船舶長期錨泊產(chǎn)生的影響

基于應(yīng)急響應(yīng)日報(bào)信息，注意到該平臺(tái)清理污油時(shí)平臺(tái)南北兩側(cè)同時(shí)會(huì)錨泊7-8艘支持船舶進(jìn)行潛水和污油收集作業(yè)，一般的配置為兩側(cè)各三艘潛水作業(yè)船+各一艘污油回收船。船舶錨泊方式一般為首錨錨固海底，雙尾錨連接導(dǎo)管架樁腿，作業(yè)船舶撤離的海況條件為Hs=2.0m以上。根據(jù)記錄，平臺(tái)系泊船舶的時(shí)間為6月應(yīng)急工作開始至封堵結(jié)束，作為敏感性分析，模擬七艘船舶持續(xù)錨泊4個(gè)月，采用簡化的錨泊力計(jì)算方法對其影響進(jìn)行模擬。根據(jù)分析，船舶持續(xù)錨泊對+8.5米水平層以及A/B軸立面結(jié)構(gòu)主要節(jié)點(diǎn)的影響非常明顯，其疲勞累積效應(yīng)可能是導(dǎo)致立面結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)裂紋初始裂紋的成因。計(jì)算結(jié)果顯示這種錨泊呈現(xiàn)的整體效應(yīng)對兩個(gè)貫穿性裂紋處的應(yīng)力存在直接影響，但由于應(yīng)力較小其影響效果有限。

2.2 應(yīng)急作業(yè)導(dǎo)致邊界變化產(chǎn)生的影響

該導(dǎo)管架為封堵泥面漏點(diǎn)投放了大梁的沙袋覆蓋了幾乎整個(gè)區(qū)域，后通過沿樁腿布設(shè)灌漿管線至海底，對沙包間隙進(jìn)行了灌漿作業(yè)。結(jié)合后期水下檢驗(yàn)的觀察，覆蓋沙包/水泥的厚度約為1.2米。泥面水平層1軸和3軸間均被沙包和水泥覆蓋。由此，導(dǎo)管架泥面層的支撐條件發(fā)生了變化，如由樁基礎(chǔ)支撐變?yōu)槟嗝嫘纬傻臏\基礎(chǔ)支撐，根據(jù)模擬上述邊界條件的獨(dú)立結(jié)構(gòu)分析，注意到邊界變化對兩個(gè)貫穿性裂紋位置的節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命影響約2%。根據(jù)該分析可以理解底部邊界的影響對目前報(bào)告的裂紋影響非常有限。

2.3 超設(shè)計(jì)生長海生物產(chǎn)生的影響

平臺(tái)設(shè)計(jì)海生物厚度為15.4cm，根據(jù)水下檢驗(yàn)報(bào)告顯示，海域海生物生長速度很快，雖然經(jīng)常進(jìn)行海生物清理，不過最大檢測海生物厚度還是達(dá)到25cm。隨著海生物的增長，作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力會(huì)顯著增加，從而影響結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。敏感性分析中采用22cm海生物進(jìn)行分析。分析結(jié)果顯示基于原設(shè)計(jì)的分析，不考慮其他因素影響，當(dāng)海生物厚度從設(shè)計(jì)15.4cm增加至22cm在N220節(jié)點(diǎn)處疲勞壽命從87.5年降至27.1年；而N214節(jié)點(diǎn)疲勞壽命由則由165年減少到53.4年。參考前期針對海生物厚度的修改，其對疲勞壽命的影響則導(dǎo)致兩個(gè)節(jié)點(diǎn)N220/N214壽命降至15.4/26.1年。

2.4 導(dǎo)管架封閉板式隔水套管結(jié)構(gòu)波浪力產(chǎn)生的影響

該導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的隔水套管支撐結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)渤海平臺(tái)有明顯差別，該結(jié)構(gòu)隔水套管導(dǎo)向結(jié)構(gòu)通過整體封閉板結(jié)構(gòu)連城整體，在邊界處通過管結(jié)構(gòu)傳遞到導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在于水面上8.5米水平層和水下8米水平層。水面上的這種結(jié)構(gòu)如果處于海浪通過區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致波浪嚴(yán)重抨擊以及明顯的水平載荷增加，不過由于該平臺(tái)預(yù)留了足夠的氣隙，故對水上封閉平板結(jié)構(gòu)沒有明顯影響。而水下8米層的封閉整體板結(jié)構(gòu)支撐則在1軸和2軸之間構(gòu)成11.35x15.28m的平面封閉構(gòu)造，面積約170多平方米。這種結(jié)構(gòu)在波浪力計(jì)算時(shí)不符合傳統(tǒng)小尺寸桿結(jié)構(gòu)波浪力計(jì)算條件，需做大體積板結(jié)構(gòu)考慮；考慮到結(jié)構(gòu)與水平面平行，其主要影響將是垂直方向在波浪作用下的載荷，類似于SPAR平臺(tái)的垂蕩板結(jié)構(gòu)；主要的波浪力為慣性力和粘性力。

根據(jù)DNV-RP-C205規(guī)范推薦的做法，本文對該結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪中的載荷情況進(jìn)行了模擬，通過對虛擬支撐梁修正Cm和Cd來模擬其在海浪中的真實(shí)響應(yīng)，修正的Cd/Cm比傳統(tǒng)桿結(jié)構(gòu)的數(shù)值明顯增加，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)載荷遠(yuǎn)大于采用桿結(jié)構(gòu)。而其承受的載荷最終通過連接的邊界梁系傳遞到主結(jié)構(gòu)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)導(dǎo)管架井口結(jié)構(gòu)的子載荷，分析顯示這種情況出現(xiàn)在靜力分析中，更明顯表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)疲勞分析結(jié)果中。

根據(jù)分析的結(jié)果，未考慮波浪作用于板的垂向作用，節(jié)點(diǎn)N214和節(jié)點(diǎn)N220的疲勞壽命分別為87.5年和165年。這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命在第二種情形中分別減小為2.48年和7.22年，在第三種情形中減小為3.43年和10.0年。若考慮隔水套管帶來的遮蔽效應(yīng)，節(jié)點(diǎn)N214和節(jié)點(diǎn)N220的疲勞壽命分別為3.61年和10.3年。若考慮所有隔水套管的橫截面積，節(jié)點(diǎn)N214和節(jié)點(diǎn)N220的疲勞壽命分別為3.63年和10.4年。從敏感性分析的結(jié)果可以看出，考慮到封閉板式隔水套管支撐結(jié)構(gòu)的波浪載荷，節(jié)點(diǎn)N220和節(jié)點(diǎn)N214的疲勞壽命顯著減少，且小于其已服役壽命。

3 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于裂紋的出現(xiàn)，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)完整性會(huì)收到直接的影響，尤其是兩個(gè)大的貫穿性裂紋，直接影響平臺(tái)在風(fēng)暴作用下的承載能力，考慮到目前的大裂紋不能及時(shí)修復(fù)，需要評估其當(dāng)前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以確認(rèn)在修復(fù)實(shí)施之前導(dǎo)管架平臺(tái)的運(yùn)行作業(yè)是否需要進(jìn)行適當(dāng)控制。

采用海洋工程結(jié)構(gòu)非線性分析軟件USFOS開展導(dǎo)管架強(qiáng)度分析。分析的模型由SESAM結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換，分析中考慮了在位分析工況的所有載荷，包括自重，波浪流載荷等。

為模擬N220節(jié)點(diǎn)和N214節(jié)點(diǎn)失效的影響，在結(jié)構(gòu)分析中將節(jié)點(diǎn)連接的所有結(jié)構(gòu)設(shè)置為非結(jié)構(gòu)件，使其不參與結(jié)構(gòu)剛度，受損情況的結(jié)構(gòu)模型見圖3。

圖3 導(dǎo)管架強(qiáng)度分析模型

分析結(jié)果顯示，該導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的極限能力受樁的能力的影響，其失效模式是樁截面塑性失效，見下圖。

圖4 導(dǎo)管架剩余強(qiáng)度分析

根據(jù)USFOS倒塌分析，在結(jié)構(gòu)完整狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)能力指標(biāo)RSR（剩余強(qiáng)度因子）最小為2.568；在結(jié)構(gòu)受損情況下其RSR指標(biāo)最小為2.391，相對完整結(jié)構(gòu)有10%的結(jié)構(gòu)能力下降，兩種工況均為270度風(fēng)浪條件下。

表1 剩余強(qiáng)度因子RSR

WLC56 2.702 2.492 WLC57 2.803 2.587 WLC58 4.823 4.311 WLC59 WLC60 WLC61 4.924 4.321 2.678 2.501 2.799 2.608 WLC62 2.568 2.404 WLC63 2.568 2.404 WLC64 2.705 2.553 WLC65 2.705 2.553

4 結(jié)論

根據(jù)導(dǎo)管架的靜力和疲勞分析，包括一些敏感性工況分析的結(jié)果顯示，造成N220和N214兩個(gè)節(jié)點(diǎn)貫穿性裂紋的主要影響因素為隔水套管板式支撐結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪中承相對較大的水動(dòng)力載荷，造成問題節(jié)點(diǎn)處疲勞應(yīng)力過大致使疲勞壽命非常小。

此外，應(yīng)急動(dòng)作（長期錨泊船舶等）等則可能是在節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)處造成初始裂紋擴(kuò)展的因素，而超預(yù)期的海生物生長情況（高于設(shè)計(jì)厚度）也在一定程度上加劇了疲勞載荷并增加了節(jié)點(diǎn)處疲勞損傷累積。