埕島油田導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的安全評估方法研究

1 引言 埕島油田海上平臺的設(shè)計(jì)壽命為15年，現(xiàn)有一部分平臺進(jìn)入服役后期。為保證油田的安全生產(chǎn)，需用 量化的指標(biāo)來分析平臺的現(xiàn)狀，對平臺進(jìn)行安全評估。 本文以CB25B平臺導(dǎo)管架的評估過程為例，分析導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)壽命評估的方法和程序。 2 評估方法簡介 評估分析時(shí)應(yīng)用DNV船級社的SESAI 軟件。首先建立CB25B平臺(包括導(dǎo)管架、樁等)的有限元結(jié)構(gòu)模型，并由SESAM 軟件自動(dòng)生成固定載荷；然后計(jì)算環(huán)境載荷，建立水動(dòng)力載荷輸入模塊；進(jìn)行完整結(jié)構(gòu)的非線性倒塌研究；隨后對建立的基礎(chǔ)模型進(jìn)行構(gòu)件重要度分析．確定疲勞破壞對結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的影響，確定失效模式，計(jì)算失效概率；最后根據(jù)分析結(jié)果，給出結(jié)論和建議。 3 建立結(jié)構(gòu)模型 分析過程是用SESAM 軟件建立有限元模型，模型的建立包括以下元素： · 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙生成幾何模型，幾何有限元模型在PREFRAME中建立， · 生成固定載荷和可變載荷； · 生成風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷，波載和流載在wAJAC中生成。 波浪、流的水動(dòng)力載荷用WAJAC計(jì)算。用50年一遇的波浪計(jì)算環(huán)境載荷(風(fēng)、浪、流)。在分析中(如非線性倒塌分析和構(gòu)件重要度分析)用5O年一遇環(huán)境載荷。 4 完整結(jié)構(gòu)的非線性倒塌分析 4．1 非線性倒塌分析方法 在PREFRAME中建立幾何有限元模型，在WAJAC中生成波載和流載，這些參數(shù)就是非線件倒塌分析的基本輸入，用USFOS軟件進(jìn)行非線性倒塌分析。非線性倒塌分析是量化結(jié)構(gòu)的能力儲(chǔ)備率(RSR)。分析中使用典型的50年一遇的環(huán)境載荷，結(jié)構(gòu)加載固定載荷、設(shè)備載荷和50年一遇環(huán)境載荷。然后計(jì)算結(jié)構(gòu)失效的基礎(chǔ)剪切力，倒塌載荷由一組RSR值表達(dá)。RSR定義為倒塌載荷下的基礎(chǔ)剪力與50年一遇環(huán)境載引起的基礎(chǔ)剪力的比值。在八個(gè)主要方向加載環(huán)境載荷，計(jì)算RSR 。從USFOS獲得的分析結(jié)果用XFOS軟件后處理，其對確定結(jié)構(gòu)倒塌的實(shí)際機(jī)理非常重要，并且倒塌機(jī)理的類型關(guān)系到年度失效概率的計(jì)算。 固定載荷和沖刷的變化對結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)強(qiáng)度的影響通過敏感性分析確定。敏感性分析的目的是確定這些變化對結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)理的影響。在結(jié)構(gòu)上陸續(xù)加載固定載荷、設(shè)備載荷和浮力載荷作用后逐漸增加5O年一遇的環(huán)境載荷組合(風(fēng)、波浪和流)作用，直至結(jié)構(gòu)倒塌，倒塌時(shí)的基礎(chǔ)剪力決定了結(jié)構(gòu)的RSR值。在每個(gè)主要方向上的結(jié)構(gòu)倒塌由表示過應(yīng)力構(gòu)件和結(jié)構(gòu)變形的圖形顯示出。同時(shí)給出了每個(gè)載荷方向上的總載荷變化曲線。 4．2 結(jié)果分析 CB25B平臺完整結(jié)構(gòu)的非線性倒塌分析的結(jié)果表明，八個(gè)方向上加載環(huán)境載荷．平臺結(jié)構(gòu)失效的模式都是樁的拔出或下陷插人，沒有結(jié)構(gòu)本身崩潰的原因。

向南的5O年一遇的環(huán)境載荷加載在結(jié)構(gòu)上，此載荷逐漸增加直到結(jié)構(gòu)倒塌。結(jié)構(gòu)失效的模式是樁的下陷插入，倒塌載荷是5O年一遇環(huán)境載荷的3．13倍，即RSR為3．13。 構(gòu)件重要度分析的目的是估計(jì)管節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)整體性能的影響，疲勞破壞的影響通過假設(shè)某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效后的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)強(qiáng)度來判斷。首先識別要評估的管節(jié)點(diǎn)，在分析時(shí)，連接導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)和連接附件的節(jié)點(diǎn)都要識別。然后每次拿走一個(gè)桿件，加載8個(gè)方向的環(huán)境載荷進(jìn)行此時(shí)結(jié)構(gòu)的非線性倒塌分析，完成敏感性分析。 RSR 的減少由重要度相關(guān)系數(shù)RIF表示： RIF= RSR損壞結(jié)構(gòu) ／RSR完整結(jié)掏。 RIF給出了構(gòu)件對關(guān)系到倒塌強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)強(qiáng)度的重要程度，RIF值用米確定疲勞破壞對系統(tǒng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性的影響。 ． 本文選擇了18個(gè)連接主要節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件來進(jìn)行構(gòu)件重要度分析。分析中假設(shè)選定的某個(gè)構(gòu)件完令損壞，然后確定相關(guān)的RSR值，將選定的構(gòu)件從模型中拿走，對剩余結(jié)構(gòu)的完全塑性崩潰進(jìn)行分析。 每個(gè)假定的損壞的情形都進(jìn)行8個(gè)載荷方向的分析。每個(gè)基本情形都進(jìn)行塑性崩潰分析，共分析18>8—144個(gè)假設(shè)情形，每個(gè)情形都畫出載荷、位移曲線。

波浪載荷向西南(SW)方向加載時(shí)的RSR值為1．72，是最低的。在進(jìn)行構(gòu)件重要度分析時(shí)RSR值沒有減少。分析總載荷、位移曲線，發(fā)現(xiàn)完整結(jié)構(gòu)和144種損壞后結(jié)構(gòu)之『口J的倒塌機(jī)理沒有變化，對比完整結(jié)構(gòu)，每一種拿走構(gòu)件在每一個(gè)載荷方向卜的倒塌機(jī)理沒有變化，所有的假?zèng)]損壞結(jié)構(gòu)情形的倒塌機(jī)理邯是南于樁的拔出或下陷插入引起的基礎(chǔ)失效，非常清楚地表明了個(gè)別的主要節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞不會(huì)降低結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)的失效概率主要決定于基礎(chǔ)的的失效。 6 失效概率的計(jì)算 通過敏感性分析和構(gòu)件重要度分析得知CB25B平臺結(jié)構(gòu)的失效模式為基石jI}的欠效。 此導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)年度倒塌的概率即為基礎(chǔ)失效的概率?；A(chǔ)失效的概率是RSR和能力不確定性的函數(shù)，此函數(shù)關(guān)系是以基礎(chǔ)；失效概率與RSR的函數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ)。然后對能力的不確定性進(jìn)行修正。能力的不確定性是指現(xiàn)存結(jié)構(gòu)及基釧能力部分不確定性、載荷計(jì)算和極端環(huán)境條件預(yù)報(bào)的不確定性。 7 結(jié)論及建議 構(gòu)件重要度分析清楚地 示主要節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞不會(huì)對結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)強(qiáng)度有明 減弱的影響。分析中所有情形(假?zèng)]某構(gòu)件損壞)的失效模式與完整結(jié)構(gòu)的失效模式基本不變，最小RSR值都為1．72。由于所有情形分析的RSR值基本不變，構(gòu)件重要度分析的結(jié)果斷定主要的水平撐桿和斜撐都勝任結(jié)構(gòu)中的位置。固定載荷、設(shè)備載荷芐¨沖刷變化的敏感分析 示結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)理是相同的，1人I此可以斷定CB25B平臺的主要失效模式為由于樁的拔出或下陷插入造成的基礎(chǔ)失效。