自升式钻井平台的抗冰性能评价

张大勇，岳前进，，刘 笛，许 宁，王冬庆，王胜勇（大连理工大学海洋科学与技术学院，辽宁 盘 锦；.大连理工大学 工 业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大 连 60；.大连海洋大学 航 海与船舶工程学院，辽宁 大 连 60；.国家海洋环境监测中心，辽宁大连60）

自升式钻井平台的抗冰性能评价

张大勇1，岳前进1，2，刘 笛3，许 宁4，王冬庆3，王胜勇2
（1大连理工大学海洋科学与技术学院，辽宁 盘 锦124221；2.大连理工大学 工 业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大 连 1 16023；3.大连海洋大学 航 海与船舶工程学院，辽宁 大 连 1 16024；4.国家海洋环境监测中心，辽宁大连116024）

自升式钻井平台属于典型的柔性结构。由于冰与柔性抗冰结构相互作用的复杂性,长期以来尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。结构抗冰设计中大都是从极端荷载出发,只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩是否能推倒平台。基于对渤海辽东湾柔性抗冰平台的多年监测，发现强烈的冰激振动引起平台管节点疲劳失效、上部设施的非正常运行、作业人员不舒适等问题的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。文中基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果，提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后，以渤海某典型自升式钻井平台为例，对其抗冰性能进行评价。该文的研究可为寒区自升式平台的抗冰概念设计提供合理依据。

自升式平台；冰激振动；抗冰性能；评价

0 引 言

近年，国际极区海洋资源开发逐渐升温。Pechora和Kara海域、Sakhalin海域、里海海域的海洋石油开发成为冰区开发新热点。同时，海洋工程界对全球变暖趋势的预期加强，北极能源开发的科学研究也逐渐兴起。自升式钻井平台是一种最常用的浅海探测钻井设备，主要由平台结构、桩腿、升降机构、钻井装置及生活楼组成。应用于浅海的自升式平台，桩腿直径一般在2-3 m，上部质量比较重，工作水深变化范围大，平台的基础较浅，属于典型的柔性结构。

目前，柔性的抗冰结构是结冰海域一种常见的结构形式，如前所述的自升式钻井平台，还有固定式导管架平台、海上风力发电塔等。这些结构在冰力作用下能产生较大的变形，在周期性冰力作用下能产生显著的振动问题。由于柔性抗冰结构基本设计中主要考虑极值静冰力引起结构的破坏，没有明确动冰荷载模型及冰振下结构动力失效（设计准则）问题，历史上柔性抗冰结构曾发生过多次工程事故。1964年，美国库克湾两座简易抗冰平台被冰推倒。1969年，我国渤海老二号海洋平台在建成后不久就被大冰排推倒[1]。1977年，渤海“海四井”的烽火台被海冰推倒[2]。八十年代后期以来，我国在渤海辽东湾相继建造了多座柔性抗冰油气平台，监测发现了剧烈的冰激振动现象[3]。例如，2000年冬天，渤海某平台上部的放空管线在强烈的冰激振动下产生剧烈晃动而发生断裂；持续的冰振对平台的作业人员也产生了一定影响[4]，相关报告显示“平台摇晃剧烈，文件柜移位，桌上碗筷落地，观测人员感到危险”。

基于对渤海辽东湾柔性抗冰平台的多年监测，发现强烈的冰激振动引起平台管节点疲劳失效、上部设施的非正常运行、作业人员不舒适等问题的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。本文基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果，提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后，以渤海某典型自升式钻井平台为例，对其抗冰性能进行评价，进一步明确自升式平台在抗冰设计及安全保障中需要考虑的关键失效模式。本文的研究可为寒区自升式平台的抗冰概念设计提供合理依据。

1 自升式钻井平台力学特性分析

本文选取渤海某典型的自升式钻井平台，利用数值模拟，明确自升式平台的结构力学特性。建模中选用的单元及单元的作用见表1。在建立有限元模型过程中，对真实的结构进行简化处理，结构的简化保证主体结构几何形状的真实性，结构的振动频率和振型的真实性，仿真模型如图1所示。

表1 自升式平台模型单元选取Tab.1 The selecting elements of jack-up platform

图1 自升式平台有限元模型Fig.1 The finite element model of jack-up platform

考虑不同升船（甲板）高度对平台结构固有频率及等效水平刚度的影响，如表2和3所示。其中，等效水平刚度定义为使平台甲板发生单位广义位移（水平线位移或角位移）所需要施加的广义力（集中力、均布力或力矩），即静刚度。结果分析发现，随平台甲板高度的升高，平台的固有频率和等效水平刚度逐渐降低。渤海某典型抗冰油气中心平台的等效水平刚度和固有频率分别为：5.52×107N/m，0.87 Hz。可见，自升式平台在升船高度为10 m（规范中要求的平台作业时高度）时，等效刚度与固有频率均低于导管架平台[5]。

表2 不同升船高度下平台的固有频率Tab.2 The natural frequency of the platform under different heights

表3 不同升船高度下平台的等效水平刚度Tab.3 The equivalent horizontal stiffness of the platform under different heights

现场海冰监测发现，冰与柔性抗冰结构发生破碎的能量谱频率多数集中在0-2 Hz之间，如图2所示。这样，柔性结构固有周期与冰力周期十分接近，不可避免地存在冰激共振现象，动力效应明显。因此，在该类结构的抗冰设计中，适当地调节升船高度，可以改变平台的力学特性，从而提高其抗冰性能。

图2 冰与柔性抗冰结构作用的冰力能量谱Fig.2 The power spectrum of the interaction between ice and flexible ice-resist structures

2 冰荷载作用下柔性抗冰结构的失效模式

常规的海洋工程结构设计中规定：水深超过100 m且结构固有周期超过3 s的海洋平台属于柔性平台，在设计中需要考虑结构的动力行为。依据这一规定，上述的抗冰平台并不属于柔性海洋结构，不需要进行动力分析。然而，由于冰荷载与波浪荷载作用机理不同，抗冰结构在常规的风、波浪荷载的作用下动力响应很小，但是在海冰作用下振动明显。其实，结构的柔性应该从两方面考虑：一是在极值静荷载下，结构产生了不可忽略的变形；二是在动荷载作用下，结构动力效应明显。可见，自升式钻井平台、导管架式平台等抗冰结构属于第二种类型。本文基于现场冰与海洋平台相互作用的观测以及冰荷载的研究成果，对冰荷载作用下柔性抗冰结构的失效模式及评价方法做以分析。

2.1 极端冰荷载下结构的失效

目前的海洋平台规范设计中，一般考虑地震、波浪、海流、风和海冰作用，并转化为等效静力作用来考虑。主要通过强度要求、刚度要求，来评估结构或者构件在各种载荷组合作用下是否安全。强度要求就是指构件在设计载荷作用下的设计应力应当小于许用应力，即σ＜[σ]；刚度要求是指结构的最大变形应当小于规范建议的容许值，即λ<[λ]。对于抗冰海洋平台，就是在极端静冰力的作用下保证结构的强度、刚度要求。在API RP-2A或ISO/DIS 19902标准中，极限强度分析采用储备强度比作为评价指标[6-7]。海洋平台结构体系的储备强度系数可按下式计算：

式中：Fd和Fu分别是平台结构在设计荷载下和极限荷载下的基底横向力或倾覆力。导管架平台结构的环境荷载通常为横向荷载。文献[8]指出，当平台结构安装水深大于30 m时，宜用结构的倾覆力矩定义结构的储备强度系数；而当安装水深小于30 m时，用结构基底横向力定义强度储备系数更为合适。

2.2 动冰荷载下结构的疲劳失效

多年的现场观测发现，渤海辽东湾的柔性抗冰平台在动冰荷载的作用下存在明显的动力放大效应，从定性上看有必要进行动力分析。为了更好地说明柔性抗冰平台存在冰激疲劳失效，还必须证明在常规冰情下冰荷载引起的结构热点应力超过了材料的疲劳极限应力，即从定量上进一步说明这个问题。

平台结构疲劳损伤是由于热点应力反复作用引起的，利用有限元数值模拟，对柔性抗冰结构的热点疲劳应力进行分析，合理地考虑结构应力集中系数。另外，根据API规范提供的S-N曲线（如图3所示），当无限寿命取N=108次时，疲劳极限应力为41 MPa。在常规冰情下，若冰激振动造成的热点动应力大于疲劳极限应力则说明冰振可能存在结构的疲劳失效，需要进行详细的冰振疲劳分析，即冰振下结构的疲劳寿命估计。与波浪环境下海洋平台相比，冰区海洋平台疲劳寿命分析的主要区别在于疲劳冰荷载与冰疲劳环境参数，这也是抗冰导管架平台冰激疲劳分析的两个瓶颈问题[9]。冰振结构疲劳失效评估流程如图4所示。

图3 API 2A提供的S-N曲线Fig.3 The S-N curve of steel provided by API 2A

图4 冰振柔性抗冰结构疲劳失效评估流程Fig.4 The fatigue failure assessment process of the flexible ice-resist structures

2.3 动冰荷载下平台甲板加速度响应引起的失效

监测发现，海冰与平台作用时，可以激起平台较大的加速度响应。特别是对生产天然气的平台，上部布置错综复杂的天然气管线，这些管线在长期的冰振作用下，可能导致平台上部天然气管线断裂与法兰松动的事故隐患。同时平台甲板持续的剧烈振动给工作人员的生活和身体健康也带来很大的影响。冰激海洋平台上部设施及作业人员的振动现象，类似于地震荷载引起的振动问题。冰与结构作用引起了平台甲板的振动，而甲板加速度响应对上部结构基础施加了惯性力；与地震激励不同的是冰激平台振动持续的时间比较长，并且为窄带随机过程。

大量的研究表明，振动对人体的影响主要取决于四个要素：加速度幅值、振动的频率、振动持续的时间和振动的作用方向。根据上述要素，制定出评价振动对人体影响的三种界限：舒适性降低界限、工效降低界限、暴露界限。根据国家标准对人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则（GB/T 13442－92）[10]，在高频下小于2 Hz时人体在水平振动下感受的各个阶段的加速度（m/s2）与时间（h）所对应的临界值表如表4所示。

表4 人体在水平振动下感受的各个阶段加速度临界值表Tab.4 Every stage critical value of human feeling about the relationship between vibration acceleration and duration in level libration

（其中I－代表舒适性界限，Ⅱ－代表工效降低界限，Ⅲ－代表暴露性界限，数值量值之间的关系是Ⅱ为Ⅰ的3.15倍，Ⅲ为Ⅱ的2倍。）

监测表明，平台在冰激作用下的振动方向主要以水平为主，并且平台振动响应主要集中在结构的基频。作业人员主要感受到的应该是结构基频的加速度。对于柔性抗冰平台，其固有频率一般都在1 Hz以下。基于以上分析，只要明确振动加速度幅值与振动持续时间，就可以结合规范评价冰激振动对平台作业人员的影响。

按照国家标准的规定，由于平台振动响应是随机的，对于离散的监测数据，等效加速度均方根采用下式计算：

式中：ai是ti时间内测得的加速度的均方根值，m/s2；ti是序号为i对应的时间，s。对于加速度的等效总暴露时间可按下式计算：

式中：ti′等效于不同加速度Ai的实际时间ti，且对应于名义值A′的等效总暴露时间T′等于ti′之和。

冰激海洋平台甲板加速度幅值还将直接影响到上部管线的正常工作，它的确定可以直接通过现场冰振监测，也可以通过数值模拟来获得。一般来讲，影响冰力的大小主要因素有冰厚、冰速和冰破碎强度。在相同的海域，冰破碎强度变化不大，因此这里只选择冰速和冰厚来描述冰况。由于冰速和冰厚的分布是不相关的随机过程，即某一特定冰厚下，各种冰速都可能出现，因此可以按照冰速和冰厚的组合来描述冰况。对于每一种冰况，计算相应的冰荷载谱，将冰荷载谱输入到结构模型中，在频域内进行动力分析，就可以求得平台在这种冰况下的最大振动加速度。重复上述步骤，就可以得到所有冰况下平台的最大振动加速度

2.4 冰激振动对平台基础的影响

在不排水的条件下，饱和无粘性土或稍具有粘性的土，由于振动载荷（主要是地震）的连续作用，产生超静孔隙水压力，并逐步发展。当超静孔隙水压力（简称孔压）等于上覆土压力时，土颗粒将悬浮于土孔隙水中，呈现出类似于稀砂浆或稀泥浆的状态。土的这种因孔压上升，粒间有效应力下降，导致固态转变为液态从而失去强度，丧失稳定的现象，称为“液化”。液化是一种特殊的动强度问题，大多发生在疏松的饱和粉砂、细砂中，发生条件是大应变幅。在海冰与平台相互作用时桩腿会发生冰激振动现象，对桩腿相连接的基础将产生一定的影响。上世纪八十年代波福海的Molikpaq沉箱的地基在冰振作用下产生了液化[11]。

渤海的自升式钻井平台基础很浅，一般在8-10 m左右，强烈的冰激平台振动可能对桩靴基础产生一定的危害。冰激振动引起平台基础的振动响应属于周期性的动载荷，基础的振动对其周围的土体产生动应变效应（参数主要包括：周期、振动幅值）。其中，振动幅值导致动应变幅度大小，反映土体动力形态。一般情况下，在动应变幅＜10-4-10-6量级时，土体处于弹性性状；在动应变幅≥10-4-10-2量级时土体处于塑性性状，通常以10-4应变量级作为应变幅值的界限。若激励载荷的增（或减）十分缓慢，可以按静力问题考虑，静载荷引起的应变值大于10-3量级时，认为土体发生变化；若动载荷作用即使产生很小的应变幅值，如10-4量级，但周期性的变化，也会使土体产生疲劳强度破坏。

2.5 冰荷载作用下柔性抗冰结构的失效模式及判别指标

基于以上分析，柔性抗冰结构的主要失效模式归结为以下几种：

（1）结构安全失效模式。包括极值静冰力作用下结构最大变形或强度超过极限值而引起结构破坏；动冰荷载作用下结构的疲劳破坏及桩基破坏。

（2）人员感受失效模式。主要是动冰力下平台甲板振动导致作业人员感觉不适，影响工作效率甚至损害人的健康。

（3）上部设施失效模式。结构在动冰力作用下，平台的强烈持续振动引起管线断裂和法兰松动而影响设施的正常使用性能。

上述各种失效模式及判别指标汇总于表5中。

表5 柔性抗冰平台各种失效模式的判别指标Tab.5 Discrimination index of ice-resistant platform failure modes

3 实例—渤海某自升式平台抗冰性能评价

基于本文提出的柔性抗冰结构失效模式及相应评价方法，对渤海某自升式钻井平台进行冰荷载下的抗冰性能评价，进而明确自升式钻井平台在抗冰的概念设计中应关注的主要失效模式。该平台主要由桩腿、甲板、升降机构等组成，平台为4腿圆柱式结构，桩腿带齿轮齿条，设计水深30 m左右，设计冰厚45 cm（50年一遇）。桩腿直径是2.5 m，桩腿长度为73 m，升船高度是10 m（静止水面至甲板底层），桩腿纵向中心距30 m，桩腿横向中心距26 m。平台的固定载荷为2 911.5 t，可变载荷按1 000 t。

3.1 极值静冰力下结构抗冰性能

极值静冰力公式采用API RP-2N（1995）规范要求，F=ασcDh，其中，α是冰的挤压系数，选取0.3-0.7；σc是海冰单轴压缩强度，渤海海冰为2.2 MPa；h是冰厚，这里取设计冰厚为45 cm。基于ANSYS数值模拟，得到平台的整体变形及应力变化，计算结果如表6所示。

表6 极值冰荷载下自升式平台最大变形与应力Tab.6 The maximum deformation and stress of jack-up platform under extreme ice load

可以看出，目前自升式钻井平台的设计在极值静冰力作用下，结构的最大位移、应力较小，分别为允许值的33.9%和33.7%，结构具有较大的静力安全储备。尽管如此，极值静冰荷载下结构的安全失效仍然是柔性抗冰平台设计中所必须考虑的主要问题之一。

3.2 交变冰力下结构疲劳失效

按照冰激柔性结构疲劳失效评价方法，首先判断在常规冰情下，平台结构热点应力是否显著。这里选取两种典型冰况：（1）冰厚为20 cm时，结构发生稳态振动；（2）冰厚为15 cm，冰速为28 cm/s时平台发生随机振动。其中，稳态冰力模型采用Kärnä根据渤海实测的自激振动冰力时程，提出的三角波时域函数[12]；随机冰力是基于现场实测的柔性直立抗冰平台冰荷载时程曲线。对该平台的疲劳应力进行分析，热点位置为平台甲板与桩腿相交处，如图5所示。根据API规范提供的S-N曲线，当无限寿命取N=108次时，疲劳极限应力为41 MPa。由热点应力时间历程曲线可见，冰况（1）下，热点平均疲劳应力循环值在40 MPa左右；冰况（2）下，热点平均疲劳应力循环值在20 MPa左右。

图5 冰振下平台热点位置Fig.5 The hotspot location of platform under ice vibration

结果表明，稳态冰力可能会使结构发生疲劳破坏；而随机冰力下，结构的热点应力很小，不会造成热点疲劳失效。由于结构发生稳态振动的频率不是很大（一天最多出现4次），且持续时间很短，冰激平台的稳态振动是否会引起结构的疲劳失效，还需要进行详细的疲劳寿命估计。

3.3 交变冰力下结构振动加速度失效分析

同样，考虑上述两种典型冰况，利用ANSYS对自升式钻井平台进行瞬态响应分析，平台甲板的振动加速度如图6、7所示。结果发现，两种典型冰况下，平台甲板的振动加速度远低于10gal，可以保证作业人员的舒适性与平台上部设施的正常运行。

图6 稳态冰力下的甲板振动加速度Fig.6 The acceleration of deck under steady-state ice force

3.4 冰激振动对平台基础的影响

首先，利用ANSYS建立桩—土相互作用的有限元模型。为了合理地考虑边界效率，确定土体模拟范围的取值：地基水平方向取12倍的桩靴直径，竖直方向取10倍的桩靴直径，以保证土体边界完全落在塑性区之外[13]。分析时将土体的下表面和4个立面完全固支，数值模型如图8所示，其中，各层土材料的参数选取如表7所示。

由于稳态振动下平台的振动位移大于随机振动的情况，因此，这里只考虑冰激平台稳态振动下桩与土的相互作用。利用瞬态动力分析，发现在泥面以下4 m处与桩腿相接触的土动应变较为显著，如图9所示。冰激振动下该平台土体动应变循环幅值在1.2×10-4左右，处于大小应变幅值界限区域，桩基可以保证安全运行。但是长时间强烈的冰振，基础可能会造成两种失效模式：（1）“晃荡”失效：冰激振动循环载荷下土体发生疲劳强度破坏或永久性塑性变形导致基础失效（一般发生在小应变幅值情况）；（2）“液化”失效：土体大应变幅值下，饱和无粘性土“液化”，导致基础失效。

表7 土的材料参数Tab.7 The material parameters of soil

图8 桩—土的有限元数值模型Fig.8 The finite element model of pile and soil

图9 冰振下土的动应变Fig.9 The dynamic strain of soil under ice vibration

4 结 论

自升式钻井平台属于典型的柔性结构。由于自升式钻井平台在冰区还没有大规模使用，该类结构目前的设计是否满足抗冰性能要求，动冰荷载是否对结构造成影响还没有得到充分的认识。

本文首先选取渤海某典型的自升式钻井平台，利用数值模拟，明确自升式平台的结构力学特性，分析发现，随平台甲板高度的升高，平台的固有频率和等效水平刚度逐渐降低。其次，基于现场冰与海洋平台相互作用的观测以及冰荷载的研究成果，提出冰荷载作用下柔性抗冰结构的失效模式及判别指标，并明确相应的评价方法。最后，以渤海某典型自升式钻井平台为例，对其抗冰性能进行评价。结果表明，目前的自升式钻井平台设计满足极值静冰荷载要求，冰激平台的加速度响应不是很显著，不会对作业人员及上部设施造成影响；而动冰荷载下结构的稳态振动对桩腿与平台相连处会激起一定的交变应力，疲劳失效可能存在（需要开展疲劳寿命估计），并且该种冰况下与桩腿相接触的土动应变较为显著，长时间强烈的冰振，基础可能会由于土的变化而发生失效。本文的研究可为寒区自升式平台的抗冰概念设计及安全保障提供合理依据。

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Structural ice-resistant performance evaluation of jack-up drilling platforms

ZHANG Da-yong1,YUE Qian-jin1,2,LIU Di3,XU Ning4,WANG Dong-qing3,WANG Sheng-yong2
(1.School of Ocean Science&Technology,Dalian University of Technology,Panjin 124221,China;2.State Key Laboratory of Structural Analysis of Industrial Equipment,Dalian University of Tech.,Dalian 116023,China;3.College of Maritime and Shipping Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116024,China;4.State Center of Ocean Environment Monitoring China,Dalian 116023,China)

The jack-up drilling platforms belong to the typical flexible structures.As the complexity of the interactions between the ice and structures,the design code of the flexible ice-resistant structures is not based on the dynamic response analysis.Current design codes for ice-resist offshore structures mainly deal with the extreme force,not the dynamic ice loads.Based on the field monitoring data of ice-resist platforms in Bohai Liaodong Gulf,the significant ice-induced vibration not only causes significant cyclical stress of tube node but also great acceleration response,which can endanger the pipeline systems on the platform and discomfort the crew members.The risks induced by ice vibrations are more serious than the extreme static ice load.In this paper,based on the field monitoring and ice loads research,the main failure modes and evaluation methods for the flexible ice-resistant structure design are provided.Finally,the ice-resistant performance is analyzed by taking a jack-up platform in Bohai Sea as an example.This study providesa reasonable basis for the ice-resist concept design of the jack-up platforms in the cold regions.

jack-up platform;ice-induced vibration;ice-resistant performance;evaluation

U674.38+1

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.07.011

1007-7294（2015）07-0850-09

2015-01-11

国家自然科学基金项目（51309046），辽宁省科技厅科学技术项目（L2011124）

张大勇（1978-），男，副教授，E-mail：zhangdayong_2001@163.com；

岳前进（1958-），男，教授，博士生导师。