老龄化导管架平台结构特点及监测和预警条件分析.pdf

oetroleum Engineering石油工程老龄化导管架平台结构特点及监测和预警条件分析金昊中海石油（中国)有限公司深圳分公司广东深圳518 0 0 0摘要通过对老龄化导管架平台的监管及预警条件提出确切有效建议，以防范相关平台施工与人员可能面临的安全隐患，以保障工程整体安全性。通过分析某使用年限已达2 0 年的典型老龄化导管架平台，综合平台结构特性，对平台整体位移、不均匀沉降及桩基载荷等监控要点提供科学预警条件，最终结果证明，所提预警条件，有效优化了海洋平台监测效率，达到了对海洋平台早期防范预警的基本要求。关键词导管架平台监测预警条件中图分类号TE682文献标志码B文章编号16 7 2-93 2 3 (2 0 2 3)0 8-0 13 7-0 3考虑到导管架海洋平台所处海洋环境的复杂与极端条件，为有效降低因长期海水冲刷、侵蚀对平台构件造成损害及变形影响，保障整体海洋平台综合结构抗力的稳定及海洋方面的环保要求，对于导管架平台结构进行有效检测以实时了解整体平台结构安全信息，做到隐患早期预警，是导管架海洋平台工程发展重要基础。1老龄化导管架平台结构特点通常而言，海洋平台所配置的钢制导管架可以分为三部分，即上部组块、导管架以及钢桩。其中上部组块的构成一般由甲板及甲板支柱和临近甲板层间的桁架结构组合而成，并包含诸多结构设施，如生活楼、直升机甲板及钻井塔等。导管架是基于桩腿及其间的撑杆所组合形成的空间结构。钢桩作为支撑整体海洋平台结构载荷的关键部分，通常用于裙桩或直接通过导管架桩腿插人海底。从6 0 年代到如今，我国投入使用的钢制导管架海洋平台已超过百座，其中有很大一部分现如今已达到其预期寿命，但综合考虑到成本等因素影响，为实现更高的经济效益，仍然将有一部分老龄化导管架海洋平台在系统保养及改良后，需要继续服役。考虑到海洋平台所处工作环境的极端与复杂性，长期服役过程中平台整体稳定结构不可避免会受到影响，如何有效延缓结构老化，防范老龄化导管架平台的诸多安全隐患是让其继续安全效力的关键所在。2老龄化导管架平台结构监测预警针对老龄化导管架平台可能出现的多种危险隐，需要逐一进行细致安全检测，严格遵照预设的预警条件实现有效预警步骤,其中基本的平台结构监测项目包含平台整体是否位移、平台是否出现不均匀沉降以及桩基是否发生沉降。2.1位移监测预警条件针对导管架海洋平台工作环境的极端性，综合考虑风、浪及海流等因素影响，当导管架平台结构受这些环境油化工建设 2 0 2 3 .8 1 3 7Koetroleum Engineering石油工程载荷影响后，整体海洋平台会不同程度出现侧向弯曲状况，出现上部结构侧向位移现象。进行逆向思维，不难得出上部结构侧向位移程度大小，能够将整体海洋平台受恶劣海洋环境的载荷影响量化，进而分析出导管架海洋平台如今整体的安全状态。对于导管架平台结构的预警条件设置可以基于其设计标准中要求的杆件UC值,即杆件在压力、拉力与弯曲综合影响下应力值进行设置，一般UF值不得大于1.0，严禁超过1.0 5,故可将首根杆件UF值为1.0 时用作I级预警条件，1.0 5时作为II级预警条件。基于非线性倒塌理论，为使预警条件更具有科学性,III级预警条件将综合储备强度理论，选取平台在RSR即存储强度系数的8 5%时平台整体的位移值用于设置。2.2桩端承载力监测预警条件作为海洋工程行业内必不可少的支撑基础，桩基在导管架海洋平台中发挥着极大作用，平台所有载荷都由其承担。依据上文所述，导管架平台是由上部结构、导管架结构以及钢桩基础共同构成的，其中上部结构所受载荷由甲板腿柱引导,经由桩顶以及导管架结构,最终释放至钢桩基础上。桩基所受载荷由三部分组成，分别来自桩头初始载荷、桩头变化载荷与打入海底的钢桩重量。其中桩头初始载荷测量可以利用有限元软件进行量化计算，而桩头变化载荷则只能通过实时检测获取。除特殊海况时，导管架平台结构处于非线性变化阶段外，其余一般海况可将导管架结构视为线性系统，利用平台结构载荷传递规律结合上部结构变化载荷综合求取桩基载荷变化。考虑到上部结构载荷变化主要反馈在甲板腿柱，仅需检测甲板腿柱上载荷变化就可间接求取上部结构载荷变化。为避免因平台单桩载荷超标所导致的桩基缺乏承载力的危险状况，对于桩基载荷需要进行在线监控，以确保其处于良好安全范围。一般有效安全范围因不同地域所有差别，需要以安全为前提，尽可能采用保守值。为确保适用性与科学性，对于桩基载荷检测条件的设置应当以所用桩允许承载力为基础，综合考虑桩基范围内土壤特性、导管架平台功能要求及使用标准等，测算出适宜安全系数。2.3不均匀沉降监测预警条件通常情况下，海洋平台出现沉降，多数是因其下土壤1381石油化工建设2 0 2 3.0 8压缩变形所致。土壤变形程度变化可分为线性与非线性，影响因素为其竖向载荷大小，小于某一临界值时，沉降量大致可看作线性关系；反之，则为非线性关系，表现为沉降量急剧提高。在平台服役期间，在沉降值逐步平稳阶段内，沉降值变化可视为线性关系。通常导管架平台出现小规模均匀倾斜为正常现象，需要预警的为平台出现不均匀倾斜，即平台每个桩腿间沉降幅度各异。不均匀倾斜会造成平台整体结构倾斜，各桩顶间出现高程差，对相邻桩腿间横梁造成压力致使形变，使临近桩腿的横梁端出现显著应变，表现为横梁中部发生大幅倾角变化。对于平台不均匀沉降的监测，可以通过上述现象，测量横梁两端所产生应变及横梁中端倾角形变程度，演算出桩顶高程差，来反映平台出现不均匀沉降的程度。导管架平台倾斜度控制标准通常为小于0.3%或小于0.5%，故不均匀沉降预警监测条件可以设置为平台对角线桩腿倾斜度达到0.5%时。3工程实例分析本文所分析的工程对象为某已投人使用年限达2 0年的典型老龄化导管架海洋平台，其具备8 根主桩与4 根裙装。3.1位移监测平台位移监测通过计算其位移值实现，具体原理为利用光纤光栅加速度传感装置测得平台加速度，并对所测加速度求取二次积分。过程需要应用八枚加速传感装置，安设导管架平台临近甲板支柱的强横梁点，具体方位如图1。图1老龄化导管架平台加速度传感器布设位置在平台位移监控装置运作阶段，需要选取一组与模拟海况相似的监测数据，Y方向为选中海况的主体风向，如表1。oetroleum Engineering石油工程表1老龄化导管架平台位移监测数据候，包含正常天气与台风天气，对平台所记录的不均匀沉x方向位移/cmx方向y方向位移/cm方向桩腿相对计算值实测值误差/%计算值实测值误差/%A1-0.590.50A2-0.54-0.45A3-0.49-0.40A4-0.42-0.33B1-0.42-0.34B2-0.34-0.26B3-0.28-0.18B4-0.17-0.09通过上表可知，受风力作用影响，y方向为实际位移主要发生方向，由于演算位移算法仍然不够完善，整体下来，所得计算结果与实测结果仍会存在少许误差。3.2桩基载荷监测桩基载荷监测原理是利用安设在导管架平台底部甲板桩腿范围中的光纤光栅应变传感器采集桩基载荷信息数据，进行分析得出。通过对正常气候及台风气候下平台桩腿载荷测量结果分析表明，风向出现变化且风速增加时，与风速与风险均未明显变化相比，桩基载荷将出现显著下降。为验证所测桩基承载力数据具备普遍性,提取两种海况中风速与方向数据，利用软件计算值与对应海况实际监测值进行比较，结果如表2。表2 老龄化导管架平台桩基载荷力监测结果与实测结果对比预警值海况计算值实测值差/%/kN海况1（风速5m/s,风向:-14278-14360-0.5720）-25142海况2(风速2 0 m/s,风向-13566-13886-2.3050）据上表结果可知,相较于海况1,海况2 出现了桩基荷载显著下降状况，表明监测与实测结果规律具有一致性。不过由于软件仅考虑了风速及风向两种因素影响,计算结果仍存在一定误差。3.3平台不均匀沉降监测导管架平台的不均匀沉降监测依靠布设在平台底层甲板下主横梁上的应变与倾角传感装置实现，每两个桩腿间需设置一个倾角传感装置，为尽可能降低监测误差，还需在其两侧安装配套的应变传感器。在对不同天气气降监测数据分析结果表明,导管架平台的不均匀沉降在台相对风天气与正常天气时没有显著区别，即不均匀沉降是在平18.0-7.34-6.7920.0-7.57-6.9922.5-7.70-7.0827.3-7.75-7.11-7.3823.5-6.6630.8-7.50-6.6844.4-7.68-6.6888.9-7.74-7.10桩基载荷/KN相对误8.18.38.89.010.812.315.09.0台长期使用过程中慢性进行的,不受短期环境因素影响 4。另外,环境风速及风向的监控，需要依靠风速风向仪,其通常是安装在平台顶层甲板外边缘。为实现对环境因素的实时监测与分析，所有传感器所采集的数据会通过配置的光缆输送至位于中控室的主机进行分析计算，最终显示出环境风速、风向、平台位移、桩腿荷载以及不均匀沉降的对应值。4结论(1）结合储备强度理论，提出将导管架平台的最高位移监测的预警标准设置为8 5%储备强度系数时发生的位移值。(2）提出对导管架平台桩基承载力监测的优化方法，基于安全系数2.0 设置桩基承载力预警监测条件指标。本方法未对平台在极端海况时动态效应进行考虑,理论上仍需进行优化。(3）基于我国海洋平台安装标准，提出了选用倾斜角达到0.5%时为监测预警的条件，同时优化了不均匀沉降监测长期监测方案。(4）研究对象选取南海某投人运作年限达2 0 年的典型老龄化导管架平台，结合本文监测及预警条件，在工程实例基础上进行科学分析，证明了本文所提出的监测预警方法的有效性。参考文献1 刘增明,潘阳,柴昕辰.大型深水导管架拆除方案分析与计算 .天津理工大学学报,2 0 12,(6)：16-18.2刘克飞,石湘，周雷，等.考虑温度梯度的模态应变能法海洋平台损伤检测研究 J.振动与冲击,2 0 12,(6):19-2 0.3杨秋伟,刘济科.工程结构损伤识别的柔度方法研究进展 J.振动与冲击,2 0 11,(12):2 9-3 1.4李绒，刘杰鸣，黄维平，等.基于模态应变能法的导管架平台损伤诊断试验研究 J.中国海洋平台，2 0 11,(4)：50-51.(收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 2)油化工建设 2 0 2 3.8 1 3 9