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标题: 探索浅海石油（导管架式）平台的结构评估 [打印本页]

作者: peonutpedro 时间: 2006-11-6 14:43
标题: 探索浅海石油（导管架式）平台的结构评估
探索浅海石油（导管架式）平台的结构评估

介绍了应用挪威DNV船级社SESAM软件进行海上平台导管架结构的评估方法和程序,并得出评估结论。

胜利浅海油田平台的设计使用年限一般为15年,现在已有相当一部分平台进入服役后期。为检测平台的现状是否满足实际需要,以及最新的规范要求,2002年中国石化委托DNV船级社与中国石化海检站对胜利油田的中心二号生活平台、GB27A井组平台和GB25B井组3个导管架平台进行定量风险评估,其中对其结构进行寿命评估研究,确定出平台的导管架结构的高风险结构构件,并确定出其残余寿命,评估导管架结构的结构完整性、最大倒塌力及管节点疲劳失效。下面以CB25B平台导管架的评估过程为例,介绍海洋平台导管架结构寿命评估的方法和程序。

评估分析时使用DNV船级社SESAM软件,包括以下几个模块：

PREFRAME——导管架、桩、上部组块的前处理模块；

WAJAC——环境载荷模块；

USFOS——导管架结构的倒塌塑性分析程序；

XFOS——倒塌分析结果的后处理。

首先建立有限元结构模型,包括导管架、桩、上部组块等,自动生成固定载荷；然后计算环境载荷,建立水动力载荷输入模块；建立基础模型；进行构件重要度分析,确定疲劳破坏对结构整体强度的影响；进行完整结构的非线性倒塌研究,确定失效模式,计算失效概率；最后根据分析结果,给出结论和建议。其程序图见图1。

图1 结构评估程序图

25B平台是安装在胜利海域的4腿导管架平台,水深12.0m,所有给出的高度是相对于平均海平面(MSL)(标高0.00m)。导管架腿是倾斜的,标高+5.5m处结构尺寸是5.5m×5.5m,标高—12.0m处结构尺寸是8.505m×8.505m,在标高—12.0m,—3.0m,+1.75m,+3.0m,+5.0m处各设一层水平撑杆。

分析过程的第一步是用SESAM软件建立有限元模型。主要有以下元素：

a) 根据结构设计图纸生成几何模型；

b) 生成固定载荷和可变载荷；

c) 生成风、浪、流等环境载荷。

波浪、流的水动力载荷用SESAM软件的WAJAC模块计算。用50年一遇的波浪计算环境载荷(风、浪、流)。在以后分析中(如非线性倒塌分析和构件重要度分析中)应用此50年一遇环境载荷。

25B基础模型根据桩的详细设计图和中国石化提供的土壤特性报告建立。结构依靠4根大约51m长的直桩固定在海床上,四组导向块布置在相应的标高,用来引导桩穿过导管。

完整结构的非线性倒塌分析

1 非线性倒塌分析方法

几何有限元模型在软件模块PREFRAME中建立,波载和流载在模块WAJAC中生成。这些就是非线性倒塌分析的基本输入。用USFOS软件进行非线性倒塌分析。

非线性倒塌分析是量化结构的能力储备率(RSR),RSR定义为倒塌载荷下的基础剪力与50年一遇环境载荷引起的基础剪力的比值。分析中使用典型的50年一遇的环境载荷。分析时结构上加载固定载荷和设备载荷,以及50年一遇环境载荷。然后计算结构失效的基础剪力,倒塌载荷由一组RSR值表达。在8个主要方向上(北方、东北方、东方、东南方、南方、西北方、西方、西南方)加载环境载荷,计算RSR。

分析时在结构上陆续加载固定载荷、设备载荷和浮力作用。在这3个载荷作用后逐渐增加50年一遇的环境载荷组合(风、波浪和流作用),直至结构倒塌。倒塌时的基础剪力决定了结构的RSR值。在每个主要方向上的结构倒塌由表示过应力构件和结构变形的图形显示出来。同时给出了每个载荷方向上的总载荷变化曲线。

2 分析结果

GB25B平台完整结构的非线性倒塌分析的结果表明,8个方向上加载环境载荷,平台结构失效的模式都是桩的拔出或下陷插入,没有结构本身崩溃的原因。基础剪力和RSR的数值列在表1中。

向西南方向的50年一遇的环境载荷加载在结构上,此载荷逐渐增加址以结构倒塌。结构失效的模式是穿过B2腿的桩的下陷插入和穿过B1腿的桩的拔出。倒塌载荷是50年一遇环境载荷的1.72倍,即RSR为1.72,为最小,说明此方向是最危险的。

图1 8个方向的RSR与基础剪刀

　　假设的基本情形为1m的冲刷坑和固定载荷增长15%,进行以下敏感性分析,以确定其对结构的倒塌性能的影响：

a) 设备载荷在±20%之间变化；

b) 没有冲刷。

敏感性分析就是评估固定载荷、设备载荷和冲刷的变化对结构倒塌机理和RSR值的影响。使设备载荷在±20%之间的变化及固定载荷和没有冲刷的情形,与基本情形对比,结果见表2,可见,倒塌机理没有变化,倒塌的主要机理是由于桩的拔出或下陷插入造成的基础失效。因此可以得出:年度失效的概率即是基础失效的概率。

图2 来自敏感分析的RSR价值

　　构件重要度分析的目的是估计管节点的疲劳破坏对导管架结构整体性能的影响,疲劳破坏的影响通过假设某个节点失效后的结构系统强度来判断。如较保守的疲劳引起的节点的失效假设是存在一个贯穿支柱与弦杆连接节点厚度的裂纹,此裂纹的影响是使部分构件不能提供结构强度,而只能带来波载和流载。

首先识别要评估的关节点,在分析时,连接导管架钢结构的主要节点和连接附件的节点都要识别。然后每次拿走一个杆件,加载8个方向的环境载荷进行此时结构的非线性倒塌分析,完成敏感性分析。

RSR的减少由重要度相关系数RIF表示,RIF可定义为构件对关系到倒塌强度的结构系统强度的重要程度,用来确定疲劳破坏对系统强度和结构完整性的影响。

选择了18个构件来进行构件重要度分析,这些构件都是连接主要节点的支柱构件。分析中假设选定的某个构件完全损坏,然后确定相关的RSR值,将选定墓辜幽Ｐ椭心米?进行剩余结构的完全塑性崩溃分析。

每个假定损坏的情况都进行8个载荷方向的分析。每个基本情况都进行塑性崩溃分析,共分析18×8=144个假设情况,每个情况都画面载荷、位移曲线。

波浪载荷向西南方向加载时的RSR值为1.72,是最低的。在进行构件重要度分析时RSR值没有减少。分析总载荷、位移曲线,发现完整结构和144种损坏后结构之间的倒塌机理没有变化,对比完整结构,每一种拿走构件在每一个载荷方向上的倒塌机理没有变化,所有的假设损坏结构情形的倒塌机理都是由于桩的拔出或下陷插入引起的基础失效。这就表明个别的主要节点的疲劳破坏不会降低结构的系统强度,结构的失效概率主要决定于基础的失效。

通过敏感性分析和构件重要度分析得知25B结构的失效模式为基础的失效。因此导管架结构年度倒塌的概率即为基础失效的概率。

基础失效的概率是RSR和能力不确定性的函数,此函数关系是以基础失效概率与RSR的函数关系为基础,然后结合能力的不确定性进行修正。能力的不确定性是指现存结构及基础能力部分不确定性、载荷计算和极端环境条件预报的不确定性,分别由变量CoVR、CoVA和CoVH表示,根据失效模式和分析方法分别取值CoVR=0.05~0.20, CoVH=0.15,CoVA=0.15。

倒塌概率的计算用DNV软件FORM进行,计算出倒塌概率与RSR和不同的能力不确定性参数CoV的函数关系。

25B导管架结构在向西南加载环境载荷时RSR值为1.72,是最小,即此时结构能力储备最小,所以此时结构最易倒塌,此时的倒塌率为结构的倒塌概率。根据图2,RSR值为1.72时年度失效概率在2E-04到3E-04之间,是可以接受的。

图2 年度失效概率与RSR关系图(CoVR=5%~20%)

结论

a) 通过分析断定25B导管架结构的主要失效模式为由于桩的拔出或下陷插入造成的基础失效。

b) 构件重要度分析清楚地显示主要节点的疲劳破坏不会对结构的系统强度有明显的减弱影响。构件重要度分析中所有的情形(假设某构件损坏)的失效模式与完整结构的失效模式没有区别。完整结构和构件重要度分析(假设某构件损坏)的最小RSR值都为1.72。

c) 所有拿走选定构件的情形分析的RSR值没有变化,由构件重要度分析的结果断定主要的水平撑杆和斜撑都能胜任结构中的位置。进行的针对固定载荷、设备载荷和冲刷变化的敏感分析显示结构的倒塌机理没有变化,可以断定主要失效模式为由于桩的拔出或下陷插入造成的基础失效。

d) 年度失效概率的计算就为基础失效的概率。年度失效概率在2×10-4到3×10-4之内,在可接受的范围内。

e) 根据构件重要度分析和年度失效概率的结果可以认为,结构在设计15年寿命里是安全的。

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