API RP 2A- WSD 22版規(guī)范的更新概述及其工程影響

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

API RP 2A- WSD規(guī)范是海洋工程中關(guān)于固定式平臺設(shè)計的重要規(guī)范。該規(guī)范由美國石油協(xié)會頒布，一般每隔4-5年會修訂一次，以適應(yīng)新的引用規(guī)范及修正以往的錯誤。在2004—2010年期間，美國墨西哥灣發(fā)生了多起重大事件，據(jù)統(tǒng)計，颶風(fēng)Ivan、Katrina、Rita和Ike 摧毀了超過120個平臺?；诖?，美國石油協(xié)會新頒布了2SIM、2MET、2GEO和2EQ等，并更新頒布API RP 2A- WSD 22版。本次更新對固定式平臺的設(shè)計要求有影響。為此，總結(jié)API RP 2A- WSD 22版規(guī)范的內(nèi)容更新，分析對固定式海洋平臺設(shè)計的影響。

1 新規(guī)范章節(jié)更新概要介紹

新規(guī)范[1]的前三章新增加了范圍(scope)、引用標(biāo)準(zhǔn)(normative references)、條款定義及縮寫(terms, definitions, acronyms, and abbreviations)，這也是API目前的規(guī)范格式，包括所有其他的 RP2文件(RP 2MET, RP 2EQ, RP 2GEO, RP 2SIM 和 RP 2FB)。從第4章開始，內(nèi)容與21版基本對應(yīng)，但將21版中兩個章節(jié)：章節(jié) 14檢測(Surveys)和章節(jié) 17 已建平臺的評估(Assessment of Existing Platforms)挪到了API 2SIM規(guī)范中。同時，單位改為以公制為主，英制為輔。根據(jù)API TG的論述，這樣修改的目的是為了進(jìn)一步符合ISO的文件格式。

另外，新RP 2A規(guī)范將部分詳細(xì)規(guī)定分拆到以下API新規(guī)范中。①API RP 2MET海洋環(huán)境條件；②API RP 2EQ地震設(shè)計；③API RP 2GEO巖土和基礎(chǔ)設(shè)計；④API RP 2SIM結(jié)構(gòu)完整性管理；⑤API RP 2FB火災(zāi)爆炸荷載；⑥API RP 2MOP海上作業(yè)。

API規(guī)范做出這樣的改動，是為了進(jìn)一步與ISO 19902規(guī)范的內(nèi)容保持一致性。據(jù)API工作組的討論，API RP 2A- WSD 22版可能是最后一個版本。而之后的RP 2A將采用與ISO文件一致的形式，從而符合荷載抗力系數(shù)法(LRFD)。

本文主要分析新版規(guī)范的暴露分級規(guī)劃、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和方法、疲勞、樁基礎(chǔ)設(shè)計、安裝和意外荷載這些方面的改動。

2 引用的標(biāo)準(zhǔn)

新規(guī)范給出了所有應(yīng)遵循的參考標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)只給出了名字，如API RP 2MET，沒有給出版本號。因此所有引用API規(guī)范的，都以最新版本文件(包括任何附錄/勘誤)為準(zhǔn)。但是，以下引用的兩個非API規(guī)范除外：

AISC 335- 89 1, Specification for Structural Steel Buildings—Allowable Stress Design and Plastic Design,1989。規(guī)范中明確提出不可用最新版的AISC規(guī)范，因為新版AISC規(guī)范可能并不適用于海洋工程。

AWS D1.1/D1.1M:2010 2, Structural Welding Code—Steel。AWS D1.1已經(jīng)針對與API的沖突做了一些重大修改。因此引用AWS D1.1，可防止有可能的沖突。但注意使用該規(guī)范時如有沖突，仍應(yīng)優(yōu)先參考API規(guī)范。

3 暴露分級規(guī)劃

新規(guī)范更新了“暴露分級”，該分級是作為用于海上固定平臺設(shè)計選擇需求等級的標(biāo)準(zhǔn)。原21版規(guī)范中，生命安全暴露分級和失效后果的暴露分級均被標(biāo)記為L- #。而新版規(guī)范中，生命安全暴露分級標(biāo)記為S- 1 manned- nonevacuated(有人- 不撤離)、S- 2 manned- evacuated(有人- 可撤離)和S- 3 manned- evacuated(無人- 可撤離)。而失效后果的暴露分級標(biāo)記為C- 1 High(嚴(yán)重)，C- 2 Medium(一般)和C- 3 Low(輕微)。對于每種暴露分級使用了不同的符號，修改的原因是以往使用同樣標(biāo)記的分級造成了許多事故報告的混亂和沖突。而最終選定的平臺暴露分級標(biāo)簽為L - #(數(shù)字)。暴露分級矩陣見表1。該分級矩陣也與ISO 19902規(guī)范保持了一致。

表1 暴露分級矩陣

另外，關(guān)于失效后果的暴露分級C- 3的認(rèn)定，又增加了限制規(guī)定：

1)平臺不能有多于2個隔水套管。

2)平臺甲板的總面積(包括直升機(jī)甲板)不得超過37 m2。

4 關(guān)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和方法的重大修改

4.1 流體動力指南

新規(guī)范極限強(qiáng)度分析，引入了魯棒性分析要求。關(guān)于海洋工程中的魯棒性分析，API是首次引入該概念，其定義為結(jié)構(gòu)物在遭受破壞時不倒塌的能力[2- 3],該分析意在提高平臺抗小概率極端工況的生存能力，更詳細(xì)的信息可見API RP 2SIM[4]。新建的L- 1平臺必須要用1 000年環(huán)境荷載進(jìn)行平臺的魯棒性分析。而L- 3平臺或足夠強(qiáng)壯的L- 2平臺不需要魯棒性評估。平臺剩余強(qiáng)度儲備比(RSR系數(shù))的要求未變，均為1.6。平臺極限強(qiáng)度要求的變化對比見表2。

表2 平臺環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的極限強(qiáng)度要求

算例：

以某L- 1暴露分級平臺為例，該平臺100年環(huán)境荷載和1 000年環(huán)境荷載見表3。

表3 某L- 1暴露分級的環(huán)境條件

根據(jù)以上環(huán)境數(shù)據(jù)，基于Pushover法進(jìn)行倒塌分析[5]，分別驗算1.2倍100年環(huán)境荷載和1 000年環(huán)境荷載，(均只選取最大環(huán)境力的方向)，計算結(jié)果荷載大小對比見表4, 結(jié)構(gòu)倒塌極限狀態(tài)的剩余強(qiáng)度儲備比(RSR系數(shù))見表5。

表4 不同重現(xiàn)期的荷載大小對比 kN

從以上分析，可以得出倒塌分析對比結(jié)果，見表5。其中，1 000年重現(xiàn)期的環(huán)境荷載相對于1.2倍100年重現(xiàn)期，增幅50%左右，而對應(yīng)的平臺剩余強(qiáng)度儲備比(RSR系數(shù))則下降了27%。由此可見，魯棒性的規(guī)定，提高了平臺抗極端環(huán)境條件生存能力的要求。

表5 倒塌分析結(jié)果對比

4.2 底甲板標(biāo)高

關(guān)于底甲板最低高程與水深的曲線已被刪除。同時，對于新建的L- 1和L- 2平臺，底甲板底標(biāo)高的要求從原來應(yīng)不低于100年的重現(xiàn)期波峰，改為應(yīng)不低于1 000年的重現(xiàn)期波峰。允許L- 3平臺甲板低于設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)水平(主要為沉箱式結(jié)構(gòu))，但需要根據(jù)API RP 2SIM 的指導(dǎo)來確定荷載。同時不再要求最低1.5 m(5 ft)的空氣間隙[6]，但仍需要考慮任何已知或預(yù)測的海底下沉、重要結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)和如水深的不確定性等其他未知因素。

舊版規(guī)范公式為：

底甲板標(biāo)高=百年一遇波峰高度+百年一遇極端高水位+1.5 m氣隙+不確定性因素。

新版規(guī)范改為：

底甲板標(biāo)高=千年一遇波峰高度+千年一遇極端高水位+不確定性因素。

式中：極端高水位 = 最高天文潮 + 風(fēng)暴潮。

關(guān)于水位、天文潮和風(fēng)暴潮，見圖1[7]。

圖1 水深，天文潮及風(fēng)暴潮關(guān)系示意

以某L- 1暴露等級平臺為例，環(huán)境數(shù)據(jù)見表6。

表6 某L1暴露等級平臺環(huán)境數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)和公式，可以算出，新規(guī)范的底甲部高度比21版規(guī)范增加約4.5 m。底甲板標(biāo)高增加，則意味著平臺在遭受罕見風(fēng)暴時遭遇上浪拍擊而損害的可能性將降低。

4.3 地震

地震韌性要求(ALE)新增了與平臺延展性相結(jié)合的儲備強(qiáng)度和韌性的抗震能力儲備系數(shù)并表示為Cr。Cr代表一個結(jié)構(gòu)由于地震超出了強(qiáng)度水平時所能承受地面運(yùn)動的能力。它被定義為導(dǎo)致結(jié)構(gòu)崩潰或災(zāi)難性的系統(tǒng)故障譜加速度和強(qiáng)度水平地震(ELE)譜加速度的比值[8]。對于海上固定式平臺結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的一般特性，給出了Cr的推薦值，見表7。

表7 抗震能力儲備系數(shù)Cr推薦值

根據(jù)API RP 2EQ給出的地震的設(shè)計流程，需要先確定ALE的加速度譜，然后根據(jù)Cr確定ELE的加速度譜，因此Cr值的規(guī)定，提高了結(jié)構(gòu)地震強(qiáng)度要求。API RP 2A的新規(guī)范中也說明，如果不使用推薦的Cr，需要滿足API的規(guī)定條件。

1)如果根據(jù)API 2EQ進(jìn)行的是簡化地震分析流程，則L- 1平臺Cr值不應(yīng)超過2.8，L- 2不應(yīng)超過2.4, L- 3不應(yīng)超過2.0。

2)根據(jù)API 2EQ做的非線性時程分析應(yīng)確保在韌性地震中可以生存。如果采用靜力倒塌分析作為代替方法，應(yīng)確保計算出的Cr值等于或大于假設(shè)值。

5 疲勞

簡化疲勞已經(jīng)從規(guī)范中刪除。所有新建和再利用的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在都要求進(jìn)行詳細(xì)疲勞分析。

6 樁基礎(chǔ)設(shè)計

原章節(jié)中樁基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(包括FOS的要求)和設(shè)計及安裝所需信息的內(nèi)容并入到了API RP 2GEO規(guī)范中，只保留了打入樁的信息，包括最小壁厚、樁段長度、樁靴和樁頭及打樁安裝程序調(diào)整。

7 安裝

2010年新發(fā)布的API 2MOP“海上操作推薦做法”，現(xiàn)在是新版規(guī)范關(guān)于海上安裝操作的參考規(guī)范。另外，修正了樁壁厚推薦表的樁錘尺寸錯誤(對應(yīng)老規(guī)范表 12.5.7，新規(guī)范表15.2)，修改對比見圖2。

圖2 樁壁厚推薦表對比

8 意外荷載

火災(zāi)爆炸意外荷載的信息被指向了API RP 2FB，新規(guī)范中不再詳細(xì)論述。

9 結(jié)論

1)引用AISC 和AWS規(guī)范時，只能使用AISC 1989版和 AWS 2010版規(guī)范，不可使用最新版規(guī)范。

2)暴露分級矩陣與ISO 19902規(guī)范保持一致。

3)修正了樁壁厚推薦表的樁錘尺寸錯誤。

4)新規(guī)范提高了平臺的抗極端事件的設(shè)計要求：

①底甲板標(biāo)高需根據(jù)1 000年環(huán)境荷載計算，提高了底甲板標(biāo)高，從而降低上浪拍擊平臺甲板的風(fēng)險。②倒塌分析的魯棒性評估的規(guī)定，提高了平臺抗極端環(huán)境的生存能力的要求。③地震分析需采用推薦的地震儲備強(qiáng)度系數(shù)Cr，提高了平臺抗罕見地震的生存能力。

[1] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms- Working Stress Design[S]. Twenty- Second Edition 2014.

[2] 林紅，陳國明，朱本瑞，等.海洋石油平臺結(jié)構(gòu)全壽命周期動態(tài)魯棒性分析[J].石油學(xué)報,2015,36(2):246- 252.

[3] 朱本瑞，陳國明，林紅，等.極端環(huán)境下導(dǎo)管架平臺連續(xù)倒塌魯棒性評估[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015,39(6):138- 144.

[4] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning, Structural Integrity Management of Fixed Offshore Structures[S].2014.

[5] 王亮，阮勝福，王崇鑫，等.一種應(yīng)用于平臺導(dǎo)管架的船舶撞擊分析方法[C].中國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大會論文集,2012:564- 567.

[6] American Petroleum Institute, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms- Working Stress Design[S]. Twenty- First Edition,2000.

[7] American Petroleum Institute, Derivation of Metocean Design and Operating Conditions[S].2014.

[8] American Petroleum Institute, Seismic Design Procedures and Criteria for Offshore Structures[S].2014.