深水半潜平台结构应急响应研究与应用①高 畅(中国船级社海工技术中心,天津 300457)摘要 针对深水半潜式钻井平台典型的结构安全事故或突发事件,阐明了深水半潜式钻井平台结构主要安全风险;建立了一套闭环的结构应急响应体系,包括应急响应前数据动态管理㊁应急响应机制㊁应急响应后事故跟踪等㊂针对典型事故,提出深水半潜平台结构风险应急响应分析内容及推荐方法,为平台结构的安全运营和风险管控提供技术支持㊂关键词 深水半潜式平台;应急响应;数据动态管理;抗台风;波浪砰击;剩余强度中图分类号:P 752 文献标识码:A 文章编号:20957297(2023)009506d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.15S t r u c t u r a l E m e r g e n c y R e s p o n s e A n a l y s i s a n d A p pl i c a t i o n f o r D e e p-w a t e r C o l u m n S t a b i l i s e d U n i t s G A O C h a n g(O f f s h o r e E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r ,C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y ,T i a n ji n 300457,C h i n a )A b s t r a c t A i m i n g a t t h e t y p i c a l s t r u c t u r a l s a f e t y a c c i d e n t s a n d e m e r g e n c i e s o f d e e p-w a t e r c o l u m n s t a b i l i s e d u n i t s ,i n t h i s p a p e r t h e m a i n s a f e t y r i s k s o f p l a t f o r m s t r u c t u r e a r e e x p o u n d e d ,a c l o s e d -l o o p s t r u c t u r a l e m e r g e n c y r e s po n s e s y s t e m i s e s t a b l i s h e d ,w h i c h i n c l u d e s d y n a m i c d a t a m a n a g e m e n t b e f o r e t h e e m e r g e n c y r e s p o n s e ,e m e r g e n c yr e s p o n s e m e c h a n i s m ,a n d a c c i d e n t t r a c k i n g a f t e r e m e r g e n c y r e s p o n s e ,e t c .F o r t y pi c a l a c c i d e n t s ,t h e c o n t e n t s a n d r e c o m m e n d e d m e t h o d s o f s t r u c t u r a l r i s k e m e r g e n c y r e s p o n s e a n a l y s i s o f d e e p -w a t e r c o l u m n s t a b i l i s e d u n i t s a r e p u t f o r w a r d .T h e p r o p o s e d m e t h o d s c a n p r o v i d e u s e f u l g u i d a n c e t o t h e p l a t f o r m o pe r a t o r s .K e y wo r d s d e e p -w a t e r c o l u m n s t a b i l i s e d u n i t s ;e m e r g e n c y r e s p o n s e ;d y n a m i c d a t a m a n a g e m e n t ;t y p h o o n r e s i s t a n c e ;w a v e i m p a c t ;r e s i d u a l s t r e n gt h 0 引 言纵观我国海洋石油开发发展历程,前期主要集中在浅海海域,在技术㊁作业和管理方面积累了很多经验,现行的监管体系也相对比较成熟㊂随着海洋经济快速发展,对能源的需求日益增加,海洋油气开发利用逐步走向深海[1]㊂作为一种重要的海上移动式平台,半潜式平台具有运动性能良好㊁适应较恶劣的海况条件㊁工作水深大㊁可变载荷高等显著优点,在深水海域石油勘探开发领域发挥着非常重要的作用[2㊁3]㊂然而,深远海海域作业环境更为恶劣,难以避免的安全事故或突发事件导致平台结构受损㊁环境污染㊁人员伤亡㊁不良社会影响等后果㊂加之深海石油开发所需的技术更为先进,平台布置和使用的设备系统更加复杂,离岸较远㊂一旦发生事故,救援和处置的难度均较大㊂因此,深海浮式结构物作业安全问题一直倍受行业的深切关注㊂根据世界海洋工程事故数据库W O A D (w o r l do f f s h o r e a c c i d e n t d a t a b a s e)统计数据显示,半潜式钻井平台的较大型事故有近200起,包括锚泊失效㊁疲劳断裂㊁平台碰撞㊁倾斜㊁火灾㊁爆炸㊁井喷等十余大类㊂由于极端天气及结构问题引发的事故占事故总数的①作者简介:高畅(1985 ),女,高级工程师,主要研究方向为海洋工程结构物设计与安全保障技术,E m a i l :g a o c h a n g@c c s .o r g.c n ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃96㊃海洋工程装备与技术第10卷一半左右[4]㊂由于作业环境较为恶劣,深水半潜平台更加难以避免各类结构安全事故或突发事件,例如遭遇强台风㊁巨浪砰击导致结构损坏㊁碰撞导致的结构损坏及稳性丧失等㊂因此,建立一套科学㊁完善的应急响应体系尤为重要㊂面对突如其来的事故时,可通过迅速启动应急响应,准确㊁高效地完成紧急事故分析及剩余能力评价,为平台管理者的科学决策提供技术支持,实现对平台结构的安全运营和风险管控㊂1 应急响应流程深水半潜平台应急响应服务是指按照预先设定的应急响应机制,建立针对特定平台的结构风险控制数值模型储备及动态数据管理系统,当平台处于紧急或遇险状态(如发生碰撞㊁波浪砰击等事故)时,迅速启动应急响应数据库,进行破损稳性㊁破损强度㊁剩余能力等方面的计算分析,根据分析结论给出指导性建议,为协助平台脱离危险提供技术支持,为操作者最终决策提供参考意见[5]㊂深水半潜平台应急响应一般流程如图1所示㊂作为平台全生命周期结构风险控制的重要组成部分,应急响应体系应包括日常数据管理㊁报告事故信息㊁启动平台结构应急响应分析㊁给出技术分析结论及应急处理建议㊁事故跟踪及应急响应后管理㊂整个系统从应急响应前动态数据管理到应急响应后数据跟踪,形成一个可重复性应用的闭环,随时服务于平台整个营运周期㊂图1 深水半潜平台应急响应流程F i g .1 E m e r g e n c y R e s po n s e P r o c e s s f o r S e m i -s u b m e r s i b l e P l a t f o r m2 应急响应前准备工作应急响应的特点是在尽量短的时间内做出反应㊂因此,在应急响应前,应根据平台的实际情况,建立详细的数据储备,并进行动态管理,为突发情况的快速反应奠定前期基础㊂根据相应的图纸资料,将平台信息录入深水半潜平台结构风险控制数据库,建立平台信息档案及相应的模型储备,并根据平台最新状态实时更新数据信息,实现数据信息动态闭环管理㊂应急响应前数据管理系统所需的图纸和资料主要包含:①特征数据类:主要包括平台原始总体布置图㊁平台结构图㊁材料说明㊁甲板载荷图㊁操作手册及相关建造数据㊂②状态数据类:平台历次改造数据㊁检验数据㊁损伤评估数据㊁测厚数据㊁腐蚀数据㊁平台评估资料㊁加强/改造/修理数据等㊂根据以上图纸资料,建立平台数字化结构模型储备数据库㊂即应用数字化分析软件,建立平台结构模型,主要包括平台整体几何模型㊁整体结构有限元模型㊁平台局部几何模型㊁局部结构有限元模型㊁整体水动力分析模型㊁破损稳性分析模型㊂3 报告事故信息针对在役的深水半潜式平台,编制相应的应急手册,包括启动应急响应的基本程序㊁船东的注意事项㊁事故报告表等内容㊂当突发事件发生时,根据应急手册的指导,迅速启动应急程序,提供突发事件的详细描述㊁当时的外部条件以及平台的具体损伤情况等㊂事故报告信息包括但不限于例表1所示的具体内容,主要涵盖平台基本概况㊁事故的详细经过㊁事故造成的后果或损失㊁已采取的基本措施以及申请应急响应的具体需求等㊂可根据事故的具体情况以及申请应急响应的具体需求可适当增减㊂需尽可能详细地提供事故现场的相关情况,便于应急响应分析㊂如果现场情况紧急,可在保证应急响应服务基本需求的前提下,根据实际情况分阶段报告或做相应的简化处理㊂表1 事故报告基本内容例表T a b .1 E x a m p l e t a b l e o f b a s i c a c c i d e n t r e po r t c o n t e n t s 项目详情平台名称日期2021年9月23日第2期高畅:深水半潜平台结构应急响应研究与应用㊃97㊃(续表)项目详情平台概况第四代半潜式钻井平台,中国籍移动平台,持有C C S及D N V双船级证书㊂设有2个下浮体,4根立柱,立柱间有横向撑管,4根立柱共同支撑上船体㊂主甲板上设有钻台㊁井架㊁吊车等钻井设备以及生活楼㊁直升机甲板等设施㊂人员伤亡情况/平台受损情况/其他后果/详细经过南海作业期间遇强风暴来袭,平台作业水深为1500m,预报的风暴条件最大有义波高可达13.5m㊂但平台紧急撤离存在困难,可否原地抗台风,需要尽快做出应对决策㊂现场照片/原因初步分析/目前已经采取的基本措施暂停作业,平台转换为抗风暴模式㊂申请应急响应具体需求根据预报的台风条件,对平台抗风暴能力进行评估,计算平台的运动响应,校核平台极限强度及漂浮稳性是否满足规范要求,判断平台是否能够采取措施进行原地抗台㊂其他需要说明的情况/4应急响应分析内容接到应急响应任务后,立即启动深水半潜平台结构风险控制数据库㊂调用平台日常管理动态数据及储备模型,输入事故报告信息,对平台稳性㊁强度等方面进行技术评估,并向船东提供技术分析结论和应急处理建议㊂典型事故的具体分析内容可包括但不限于图2中的内容,需根据事故现场实际情况酌情增减㊂应急响应分析对计算效率的要求非常高,需要在尽可能短的时间内做出反应,完成计算分析,给出科学结论㊂因此,计算分析通常选用简洁通用或较为保守的方法,具体推荐如下㊂4.1极限强度分析超深水半潜式钻井平台遭遇台风袭击前,需要进行极限强度分析,确保平台在台风作用下保持结构整体安全性㊂预测台风工况下平台的运动性能及极限强度分析主要包括运动响应传递函数㊁波浪载荷响应传递函数㊁二阶力传递函数和结构强度分图2典型事故分析内容F i g.2C o n t e n t s o f T y p i c a l A c c i d e n t A n a l y s i s析等㊂半潜式平台的波浪载荷预报和结构强度评估采用直接计算方法,即建立全船的结构有限元模型,通过加载预报得到的水动力载荷,计算得出结构应力水平,从而判定平台的整体结构强度是否满足规范要求[6]㊂4.2气隙分析气隙是平台下甲板下表面到波面的垂向距离㊂特定重现期波浪条件下可能出现的最小气隙值是半潜式平台设计中的一项重要参数,用来评判极端条件下,平台是否可能遭遇波浪砰击甚至甲板上浪㊂负气隙会造成波浪直接砰击平台底板及弦侧,瞬时产生极大的波浪荷载,可能导致平台严重的结构破坏,甚至导致整体倾覆㊂气隙分析中应考虑实际的波面升高,主要包括由于浮体存在于水中造成的波浪绕射㊁浮体自身运动造成的波浪辐射㊁波浪爬升以及其他非线性的影响[7]㊂而波面升高以及浮体的运动并不相互独立,两者在所求解的点上相位角相关,因此并不能独立求解其极值㊂4.3砰击分析在结构物与波浪之间产生碰撞的过程中,会出现伴有高压峰值的冲击载荷,这种现象称为波浪砰击[8]㊂半潜式平台遭遇极端风浪天气,确有负气隙存在无法避免时,应确保砰击强度满足规范要求㊂砰击分析应综合考虑典型的整体完整性分析和局部完整性分析[9]㊂首先,通过气隙分析得到可能发㊃98㊃海洋工程装备与技术第10卷生的最小负气隙值以及负气隙发生的具体位置,作为砰击分析的输入条件;综合考虑波浪砰击与结构的方向夹角,以及波浪砰击位置的结构特点㊁功能特点,选取若干典型位置进行局部砰击分析㊂首先计算波浪水平砰击载荷时间历程,再对结构进行非线性瞬态分析[10㊁11],从而校核结构局部强度是否满足规范要求㊂如果平台已经遭受波浪砰击导致局部结构受损,则需要对平台进行包括剩余强度㊁破损稳性㊁漂浮稳性在内的整体完整性分析㊂4.4定位系统分析深水半潜式钻井平台主要定位方式包括锚泊定位和动力定位㊂锚泊定位分析采用锚泊系统耦合分析方法,将浮体㊁系泊系统和立管系统作为统一的分析模型,并且考虑浮体和细长体的动力响应㊂此方法可以完全考虑浮体与细长体之间的相互作用,因此细长体的刚度㊁阻尼㊁波浪和流载荷㊁惯量等因素均作为系统内参数自动求解[12]㊂通过计算,对不同的预张力进行对比分析,可确定平台不同水深的预张力推荐设置范围㊂也可对目标海域防台时的锚泊系统布置形式进行对比,提出最佳的防台布锚方案㊂在动力定位能力分析中,除了环境载荷计算外,推进器推力分配计算是动力定位能力的核心部分㊂引入粒子群优化算法进行推进器推力分配计算,同时引用环境规则数概念,在指定海况条件下,分析超深水半潜式钻井平台在各失效模式下的动力定位能力㊂动力定位系统的主要工作原理是,推进器推力抵消平台所受的外界环境载荷㊂将动力定位分析简化为以推进器总推力最小为目标的优化数学模型,采用P S O算法进行推力分配计算㊂在恶劣环境条件下,针对超深水半潜式钻井平台各个失效模式,可绘制出满足动力定位能力的环境条件包络线图㊂4.5碰撞分析在实际海洋工程中,平台和船舶之间碰撞事故时有发生,且造成的结构受损程度一般较为严重㊂碰撞冲击是一种常见的物理现象,但由于碰撞问题非常复杂,破坏机理难于归纳,破坏形式难于预料[13]㊂需要考虑相对运动速度,所在介质环境,碰撞具体位置㊁碰撞物体材料等多条件的影响㊂碰撞事故发生之后,应视情况立即启动应急响应机制,对平台的整体完整性进行评价,包括结构剩余强度分析㊁破损稳性分析,进而制定合理的脱险及坞修方案㊂如果发生碰撞的位置位于水下不可见处,还需根据碰撞机理对水下不可见结构的损坏情况进行合理预估㊂5应急响应决策和事故后跟踪在本次事故分析结束后,通过最终的‘应急响应服务技术报告“记录平台概况㊁事故信息㊁事故分析结论及事故处理建议㊂船东参考本次应急响应分析结论及建议做出相应决策,确保平台安全或最大限度减少损失㊂如果决定对事故平台采取应急处理措施,则应继续跟踪事故的后续处理情况,包括维修方案㊁修理情况㊁坞内检验信息的收集与分析等㊂并将这些信息纳入平台动态数据管理中㊂6案例①应急响应前准备:案例平台为某四立柱深水半潜式钻井平台㊂主甲板上设有钻台㊁井架㊁吊车等钻井设备,以及生活楼㊁直升机甲板等设施㊂根据平台的基本信息及图纸资料,建立相应的有限元模型,平台外板㊁舱壁㊁撑杆及桁材等结构使用板壳单元模拟,扶强材㊁支柱等结构使用梁单元模拟㊂对平台测厚及改造等信息进行数据动态管理㊂②报告事故信息:该半潜平台在南海作业期间遇强风暴来袭,平台作业水深为1500m,预报的风暴条件最大有义波高可达13.5m㊂平台紧急撤离存在困难,可否原地抗台风,需要尽快做出应对决策㊂据此,船东立即启动应急响应,报告事件具体信息㊂③启动应急响应分析:基于此条件,调取平台数值模型,展开平台抗台极限强度分析及完整稳性分析㊂首先开展平台运动性能及水动力载荷分析,忽略锚泊系统对运动的影响,案例平台的水动力模型如图3所示㊂按照随机性设计波法最终确定的设计波参数,分别计算设计波规则作用下的平台水动力响应,得到平台在6种特征工况下的波浪载荷㊂取位于下浮体底板中纵舱壁的3点约束作为边界条件㊂极限强度分析主要包括下浮体中拱㊁下浮体中垂㊁下浮体扭转3个配载工况以及6种波浪特征载荷工况,按照L R F D方法分项系数进行载荷加载,并依据强度衡准原则对平台结构进行极限强度计算㊂图4所示为有限元分析应力云图㊂各工况的校核结果表明,该平台在给定的风暴条件下,屈服㊁屈曲强度均满足规范要求㊂按照C C S海上移动平台第2期高畅:深水半潜平台结构应急响应研究与应用㊃99 ㊃入级规范给出的完整稳性衡准,对该平台风暴条件下的完整稳性进行校核㊂图5所示为稳性分析模型㊂校核结果显示,在给定装载条件下,平台完整稳性也满足规范要求㊂图3 平台的水动力模型图F i g .3 H y d r o d yn a m i c M o d e l o f t h e P l a t f o rm 图4 平台极限强度分析应力云图F i g .4 S t r e s s D i a gr a m o f P l a t f o r m U l t i m a t e S t r e n g t h A n a l ys is 图5 平台稳性分析模型F i g .5 S t a b i l i t y A n a l ys i s M o d e l ④应急响应决策及事故后跟踪:根据以上分析得出结论,平台抗台极限强度及完整稳性均能够满足规范要求㊂给出应急响应结论及建议,平台可以不紧急撤离,并采取相应措施进行原地抗台㊂按照应急响应建议,该平台安全抵御了此次台风㊂在下次进坞时对计算得到的高应力区域进行了重点检验,检验结果纳入了平台日常数据管理㊂7 对策与建议本文给出了深水半潜式平台的各类结构安全风险,建立了一套应急响应体系,可为平台遭遇结构风险时提供应急响应支持,为平台业主和操作者提供技术支撑,最大限度减少平台损失㊂形成建议如下:①半潜式平台从开始设计㊁建造阶段,应利用特征数据建立相关仿真模型,如水动力㊁结构㊁稳性㊁锚泊等数据模型,并在营运期间通过实时的状态数据维持平台模型处于最新状态㊂②平台作业者应加强平台结构安全风险培训,清楚平台结构薄弱点和易出现的安全风险,一旦发生事故,能够及时了解和掌握平台受损情况和实际状态,在最短时间内将事故报告反馈给岸基㊂③岸基方应建立平台应急响应支持的专业队伍㊂一旦启动应急响应,马上启用已经建立的平台模型仿真数据库,利用事故报告的相关数据,对事故进行分析,最短的时间内给出分析结论和建议,为现场平台作业者提供决策支持㊂随着科技的进步,目前数字化监测技术逐步在海洋平台上应用,该技术可实时监测平台所受载荷和应力状态,为将来实现数字孪生奠定了基础㊂但局限于目前海上通信和机器算法不成熟,暂时还替代不了目前的后评估㊂但数字孪生技术是将来平台结构安全防控技术的发展方向㊂本文研究的应急响应体系目前主要局限于平台结构,并没有涉及平台功能性作业风险,如钻修井㊁火灾爆炸㊁井喷等事故,该类事故风险和防控属于另外一个专业方向,有待下一步深入研究㊂参考文献[1]李润培,谢永和等.深海平台技术的研究现状与发展趋势[J ].中国海洋平台,2003,18(3):15.[2]白艳彬.深水半潜式钻井平台总体强度分析及疲劳强度评估[D ].上海:上海交通大学,2009.[3]张朝阳,刘俊,白艳彬.深水半潜平台波浪载荷计算的设计波方法研究[J ].中国海洋平台,2012,27(5):3440.[4]卢鸿飞.海洋钻井风险评估数据库的建立与应用[D ].青岛:中国石油大学,2018.㊃100㊃海洋工程装备与技术第10卷[5]中国船级社,海上移动平台结构转台动态评价及应急响应指南[S].人民交通出版社,2012.[6]中国船级社,海上移动平台入级规范[S].人民交通出版社, 2016.[7]D e t N o r s k e V e r i t a s.D N V G L O T G14P r e d i c t i o n o f A i rG a p f o r C o l u m n S t a b i l i s e d U n i t s[S].2017:3945.[8]高畅,田其磊,李红涛.半潜式平台波浪砰击分析与应用[J].中国海洋平台,2021,36(6):5053.[9]D e t N o r s k e V e r i t a s.D N V G L R P C205E n v i r o n m e n t a lC o n d i t i o n s a n d E n v i r o n m e n t a l L o a d s[S].2014:123125.[10]孙家文.波浪对水平板冲击作用的实验研究与数值模拟[D].大连:大连理工大学,2011.[11]A B S.G u i d a n c e N o t e s o n A i r G a p a n d W a v e I m p a c t A n a l y s i sf o r S e m i-S u b m e r s i b l e s[S].2018:3035.[12]刘少杰,陈国明等.深水半潜式平台锚泊系统风险分析流程研究[J].海洋技术学报,2017,36(1):114119. [13]赵效东.海洋工程结构物碰撞失效准则研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.。
