自升式钻井平台抗冰特性试验研究_樊敦秋.pdf

第4 5卷 第1期2 0 2 3年 2月海 洋 湖 沼 通 报T r a n s a c t i o n so fO c e a n o l o g ya n dL i m n o l o g yV o l.4 5 1F e b.,2 0 2 3自升式钻井平台抗冰特性试验研究樊敦秋,刘学涛,张 霖*(中海油能源发展采油服务公司,天津3 0 0 4 5 2)摘 要:自升式钻井平台在设计时通常不考虑冰荷载的作用,要实现冰区作业,首先需要对该类平台的抗冰能力进行准确评估。本文通过开展冰池试验,对自升式钻井平台冰载荷作用机理、结构冰激特性以及抗冰方法等进行研究。海洋结构受到的冰荷载大小以及结构响应值与冰厚密切相关,冰激振动机理与冰厚无关,探究不同冰速和冰厚下冰荷载及振动响应的时程曲线,可发现低冰速下结构展现出的准静态响应特征以及高冰速下的随机响应特征。冰激振动的发生是结构固有特性、冰速、冰厚、冰材料参数等因素共同影响的结果,其作用机理尤为复杂,本研究侧重于桁架式自升式平台冰区作业中结构冰激振动特性研究。关键词:自升式平台;冰池试验;冰激振动;冰荷载中图分类号:T E 9 7 3.9 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 3-6 4 8 2(2 0 2 3)0 1-0 3 8-0 7D O I:1 0.1 3 9 8 4/j.c n k i.c n 3 7-1 1 4 1.2 0 2 3.0 1.0 0 6引 言在亚极地冰区,自升式海洋平台具有广泛的应用前景,且目前已有大量该类型平台在冰区作业的案例,如渤海、库克湾以及库页岛等。针对环境更为复杂的极地冰区环境,国外提出自升式平台结合单立柱锥体井口的油气开采方案,其可行性在波弗特海得到论证。相比壳体式桩腿,桁架式桩腿抗冰能力更弱、柔性更大,在发生冰激振动时更易产生动力放大效应,对平台安全作业产生极大威胁。由于壳体式桩腿的良好抗冰性能且应用广泛,针对该结构形式目前已有较多的模型试验和理论推导验证其抗冰特性,对于复杂的桁架式桩腿在冰荷载作用下的结构响应以及冰力计算模型研究较少。研究表明结构水线处的截面形状以及结构尺寸是影响结构所受冰荷载的重要因素1-3。桁架式桩腿的弦杆、斜撑等尺寸和空间分布等较壳体式更复杂,其高度以及空间特征无疑会影响海冰作用在桩腿上的破坏模式,进而改变冰荷载大小,探究桁架架构的冰激振动机理对评估冰荷载具有重要意义。另一方面,冰激振动的发生是结构固有特性、冰速、冰厚、冰材料参数等因素共同影响的结果,其作用机理尤为复杂,目前尚未有成熟的理论体系对其进行解释4-6。目前有学者对冰与结构相互作用进行了模型试验,刘洪键和田育丰7设计了不同冰速和冰攻角下海上风电基础的物理模型试验,给出了其所受冰力极值的变化。仝全才和李晓慧8基于冰力物理模型试验,对高桩墩台结构群桩冰力进行分析并观察了掩蔽效应。李志军等9基于模型试验探究海冰与码头桩结构之间的相互作用,并进行数值模拟进行验证,给出了冰荷载在不同类型的群桩结构的分配。模型试验探究海冰与结构的相互作用的关键设置之一是相似律的确定,有学者针对海冰与海上风机作用的动冰力模型试验提出不同的冰力相似律1 0。贾玲玲等1 1基于动冰力模型试验相似律进行海洋结构冰激振动试验,经推导可得到理想化的试验结果。由于自升式海洋平台在设计时并不考虑冰荷载的作用,所以要实现冰区作业,首先需要对该类平台的抗冰能力进行准确的评估。考虑到自升式海洋平台的可移动特性,常规改变结构型式(抗冰锥等)来增加结构抗冰能力的抗冰技术对自升式海洋平台并不适用,因此本试验研究侧重于桁架式自升式平台冰区 第一作者简介:樊敦秋(1 9 6 8),男,山东日照人,博士,正高级工程师,主要从事海洋工程方面的研究与设计工作。E-m a i l:f a n d u n-q i u 1 2 6.c o m*通信作者:张 霖(1 9 8 4),男,天津人,硕士,高级工程师,主要从事海洋工程结构物设计工作。E-m a i l:z h a n g l i n 8c n o o c.c o m.c n 收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 71期自升式钻井平台抗冰特性试验研究3 9 作业中桩腿冰载荷评估方法的分析上。1 动冰力模型试验设计1.1 模型动力学特征测试模型试验测试在天津大学冰力学与冰工程试验室内完成。在动力试验开始前首先测试模型结构的动力特征,以获取结构的基本动力特征信息。为得到模型试验中结构的自振频率,试验通过给予结构一个初始位移,然后释放振动方向的自由度,通过传感器测量结构在水中的自由振动衰减曲线,通过后期分析得到结构的自振频率结果。图1为桁架式海洋结构通过拉力释放法测得的自由振动衰减曲线。图2为后处理得到的自由振动频谱响应。由此可以通过测试确定结构的一阶自振频率为4.8H z,与平台缩尺模型的理论自振频率保持一致。图1 自升式平台桁架式桩腿结构自由振动衰减曲线F i g.1 F r e ev i b r a t i o na t t e n u a t i o nc u r v eo f j a c k-u pp l a t f o r m图2 自由振动频谱F i g.2 F r e q u e n c ys p e c t r u mo f f r e ev i b r a t i o n1.2 试验工况设计模型试验参照的原型冰为渤海海冰,模拟的该海域海冰的冰厚、弯曲强度和冰速分别为5 0c m、6 0 0k P a和01.2m/s。模型试验的比尺设置为11 6,由此可确定模型冰的冰厚、弯曲强度和冰速分别为3.1c m、3 7.5k P a和03 0 0mm/s。图3给出海冰与桁架结构的模型试验场景,图4给出了模型试验中桁架结构的水位示意图,其中冰攻角设置为0、3 0 和9 0。图3 模型试验场景F i g.3 M o d e l t e s t s c e n a r i o图4 模型试验水位示意图F i g.4 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ew a t e r l e v e l4 0 海 洋 湖 沼 通 报2023年2 冰激振动特性研究2.1 冰激振动模式作用于结构上的冰载荷水平和振动响应是随着冰厚逐渐增加的,由于不同冰厚的振动机理并未改变,通过对比不同冰厚的时程曲线特征,发现振动响应均会呈现出低冰速下的准静态响应和高冰速下的随机响应。在对这一部分进行讨论时,A水位以冰厚2.5c m进行讨论,对于B水位,主要针对冰厚3.5c m的试验组次展开讨论。首先进行的是2 0mm/s的低冰速与桁架结构的模型试验,图5(a)给出了A水位测得的冰荷载时程曲线。由结果可以看出冰排在低冰速情况下作用在桁架上会表现出明显的延性变形特征,随着时间累积冰排发生压屈破坏。低冰速的冰荷载特征为缓慢的冰力加载伴随较快的冰荷载卸载现象。利用快速傅立叶变换(F F T)对图5(a)中的冰荷载时程曲线进行后处理分析,得到了冰力的频域分析结果,如图5(b)所示。由结果可以看出低冰速下作用于桁架结构的冰荷载并没有明显的主频,即呈现出随机波动特征。低冰速的冰排作用于桁架结构其结构响应会表现出准静态特征。图5 A水位、冰速2 0mm/s冰力时程曲线和时程频谱线F i g.5 I c e l o a da n df r e q u e n c ys p e c t r u m w h e n i c es p e e d i s2 0mm/sa tAl e v e l随着冰速的增加,冰排与结构的相互作用会产生不同的破坏模式。当冰速设置为1 3 0mm/s时,冰排作用与桁架结构上的冰荷载时程曲线如图6(a)所示。由时程曲线可以看出,较高冰速下冰排前缘作用与桁架上会发生挤压破坏,随着冰力加载,冰排与桁架结构接触处不断破碎并挤出碎冰,冰荷载曲线表现出较高的冰力值且随着海冰的不断破碎伴有持续快速的波动。图6(b)给出了冰荷载曲线的频域分析结果,由此可以看出冰荷载频率分布在一个较大的频率范围。在高冰速海冰产生的随机波动冰力作用下,桁架结构也呈现出随机的响应形式,与上述低冰速相比,从图中可以明显看出此时结构的位移响应分布在更宽的频率段内(01 2H z)。图6 A水位、冰速1 3 0mm/s冰力时程曲线和时程频谱线F i g.6 I c e l o a da n df r e q u e n c ys p e c t r u m w h e n i c es p e e d i s1 3 0mm/sa tAl e v e l1期自升式钻井平台抗冰特性试验研究4 1 需要指出的是,在这A水位下设置的高冰速和低冰速模型试验中,桁架结构没有表现出明显的稳态振动响应,在此工况下并没有产生造成冰激振动的锁频现象。这说明结构形式对于冰荷载作用下海洋结构的响应特征具有重要影响,桁架结构具有复杂的横撑、斜撑等构件,可以使海冰撞击结构产生的能量很好地分散到更高的频率范围,避免了由于锁频造成的冰激振动现象,其振动响应特征主要表现为低冰速下桁架结构的准静态响应与高冰速下产生的稳态响应。当桁架结构受到的冰荷载作用于B水位时,设置冰排的速度为5 0mm/s进行低冰速试验,图7(a)给出了低冰速试验中桁架结构受到的冰荷载时程曲线。结果表明低冰速时冰排的破坏特征是包含明显的挤压和压屈两种破坏模式的混合。冰荷载时程的幅值和动力形态与作用于A水位时的规律相近。图7(b)给出了冰荷载时程的频域分析结果。由结果可以看出,桁架结构的振动响应与作用于A水位处的响应特征相近,在低冰速下桁架结构会表现出准静态的动力响应特征。当模型试验中冰排速度设置为1 0 01 1 0mm/s范围内,图8(a)给出了冰排作用于B水位且速度为1 1 0mm/s时测得的冰荷载时程曲线。由图中可以看出,在高冰速情况下,冰排撞击桁架结构会呈现出挤压与压屈破坏交替出现的破坏特征。冰荷载的时程结果表现为锯齿状波动。冰排撞击桁架结构,结构会产生侧向位移,这种情况下冰荷载与结构的运动力响应均会表现出持续增大的结果。图8(b)为高冰速下冰荷载的频域分析结果。可以看出,该情况下冰荷载具有明显的动力主频特征,作用于B水位的高速冰排产生的冰荷载会产生稳定周期性。从频谱曲线中,我们可以观察到此时结构会在其一阶自振频率上发生稳态振动。需要特别注意的是,冰力周期与结构自振频率是一致的,也就是说,冰力作用周期被锁定在结构的自振频率上,即发生“频锁”现象。图7 B水位、冰速5 0mm/s冰力时程曲线和时程频谱线F i g.7 I c e l o a da n df r e q u e n c ys p e c t r u m w h e n i c es p e e d i s5 0mm/sa tBl e v e l图8 B水位、冰速1 1 0mm/s冰力时程曲线和时程频谱线F i g.8 I c e l o a da n df r e q u e n c ys p e c t r u m w h e n i c es p e e d i s1 1 0mm/sa tBl e v e l4 2 海 洋 湖 沼 通 报2023年当冰速超过1 2 0mm/s时,冰排在结构前以挤压破坏为主,此时冰排的破坏特征并没有包含压屈破坏。图9(a)给出了试验中冰排速度为3 0 0mm/s时桁架结构受到的冰荷载时程曲线。结果可以看出冰荷载呈现出持续快速的波动特征。图9(b)展示了冰荷载频域分析结果。该工况结构响应会表现出随机波动且失去稳态振动特征。图9 B水位、冰速3 0 0mm/s冰力时程曲线和时程频谱线F i g.9 I c e l o a da n df r e q u e n c ys p e c t r u m w h e n i c es p e e d i s3 0 0mm/sa tBl e v e l2.2 冰激振动特性研究由试验探究可知,当结构形式以及冰厚、海冰材料等特性固定时,冰速对冰排撞击桁架结构产生的冰荷载以及产生的破坏形式具有明显的规律特征。低冰速冰排与桁架结