Research and application of FRP wind wall on an offshore platform
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摘要: 为了解决海上平台碳钢挡风墙腐蚀严重的问题，开展采用玻璃钢挡风墙替代传统碳钢挡风墙的应用研究。避免后期再次更换，结合海洋环境工况，从力学特性、老化特性以及防火安全性等方面论证了将玻璃钢材料应用于挡风墙的可行性，同时基于有限元分析软件ABAQUS开展了挡风墙静力和屈曲分析。结果表明，采用玻璃钢挡风墙，可以满足海洋平台的应用工况要求，同时可以降低挡风墙结构重量，节省海洋平台挡风墙全生命周期综合更换维护费用。Abstract: In order to solve the problem of serious corrosion of carbon steel wind walls on an offshore platforms, we carried out the application research of replacing traditional carbon steel wind wall with glass fiber reinforced plastic (FRP) wind wall to avoid later replacement. According to the marine environmental conditions, the feasibility is demonstrated from the aspects of mechanical properties, aging characteristics and anti-fire properties, and the static and buckling analysis of wind wall is carried out based on the finite element analysis software ABAQUS. The result shows that FRP wind wall can meet the working conditions of offshore platform, and at the same time, it can reduce structural weight and save the maintenance cost of wind walls.
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Keywords:
- offshore platform /
- FRP /
- wind wall /
- finite element analysis /
- anti-corrosion /
- weight reduction /
- flame retardant /
- buckling
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在渤海海域为降低冬季海风对平台操作人员和设备的影响，以及夏季雨水在海风作用下进入撬块和排放管线等影响，需要在海洋平台组块外围布置挡风墙。挡风墙通常由碳钢材料制成，由于处于海洋大气区，其腐蚀程度比陆地上空的大气腐蚀效果高出数倍[1]。与陆地大气区相比，海洋大气湿度大和盐度高，挡风墙的表面容易形成水膜。海洋大气中含有大量的氯化物微粒，这种微粒随着海雾飘落在液膜表面，形成一层强电解质的湿膜，湿膜的形成促进了挡风墙结构的电化学腐蚀[2]。
为了延长挡风墙使用寿命，国内外采取的措施是在挡风板表面采用涂料涂层保护，提高平台钢材结构的耐大气老化、耐盐沉积、耐电化学腐蚀的性能[3-6]。目前国内外尚无玻璃钢材料在海上平台挡风墙板方面的研究。
由于海洋大气区腐蚀性较强，虽已采取相关防腐措施，但从实践效果来看，金属挡风板腐蚀现象仍然比较严重，甚至发生穿孔现象。通常在海洋平台服役期内至少需要更换1次挡风墙，而海上更换挡风墙的施工费远高于材料费。
为解决海洋平台碳钢挡风墙的腐蚀问题，降低挡风墙维护成本，本文开展采用玻璃钢挡风墙替代传统碳钢挡风墙的应用研究，阐述了在海洋平台应用玻璃钢材料可行性、玻璃钢挡风板失效模式、挡风墙受力分析以及玻璃钢挡风墙在海洋平台现场的应用情况，为海上油田经济开发提出新方案。
1. 玻璃钢材料应用分析
玻璃钢又称纤维增强材料，即增强纤维和合成树脂作基体组成的复合材料。玻璃钢是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力[7]。目前使用比较广泛的玻璃钢主要是以热固性树脂为基体材料的这一类复合材料，根据结构成分的不同，这类材料分为环氧树脂玻璃钢、酚醛树脂玻璃钢和不饱和聚酯树脂玻璃钢。
采用玻璃钢作为挡风板，需从玻璃钢的力学特性、老化特性、防火安全性和经济性等几方面进行分析。
1.1 力学特性
海洋平台碳钢挡风墙所采用的挡风板为Q235碳钢，其屈服强度为235 MPa，抗拉强度为375 MPa，应力应变呈线性关系。表1为典型玻璃钢与Q235B碳钢材料性质的对比。
表 1 典型玻璃钢与Q235B碳钢材料性质对比材料 密度/(103kg·m−3) 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 比强度 比刚度 Q235B碳钢 7.8 375 206 48 26.0 环氧玻璃钢 2.1 700 45 330 21.4 乙烯基玻璃钢 2.0 500 36 250 18.0 酚醛玻璃钢 1.8 350 22 195 12.0 如表1所示，玻璃钢的相对密度只有碳钢的1/4~1/5[8]，但抗拉强度接近，某些玻璃钢的抗拉强度能达到350 MPa以上；与Q235B碳钢相比，玻璃钢的比强度较高，但比刚度较低。因此，选用玻璃钢作为挡风板可有效减轻挡风墙重量，但需校核玻璃钢挡风板在应用工况下有无发生结构失效。
与钢材相同，玻璃钢的应力应变同样为线性关系，只需根据使用工况需求规定玻璃钢的抗拉强度即可满足使用要求。
此外，由于玻璃钢是各项异性复合材料，在纵向和横向的抗拉强度及刚度并不相同[9]，然而在操作工况下，海风的方向是随机的，玻璃钢在横向和纵向需要保持相同的抗拉强度。因此，可以通过将玻璃纤维±45°布置，保证玻璃钢在横向和纵向具有相同的力学性质。
1.2 老化现象及使用寿命
老化现象是复合材料的共同特性，紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用容易导致玻璃钢性能下降，但风吹雨淋等机械性能损伤只能损坏玻璃钢表层，光氧老化作用也主要发生在表层[10]，通常玻璃钢的机械强度经过8~10 a仍可保持70％~80％[11]，因此在结构设计时可以考虑1.25~1.5应力放大系数。
玻璃钢使用寿命长达30 a，满足常规海洋平台使用寿命需求。风吹雨淋和光氧老化作用主要发生在玻璃钢表层，对其表面进行化学处理，制品表面采用胶衣防护层、涂漆等方法是目前防止老化的主要措施。
1.3 防火安全性
玻璃钢的燃烧过程，不仅放出大量的热，而且常伴有大量的烟尘和毒雾[12]。将玻璃钢应用于海洋平台挡风墙，不仅要对其进行阻燃改性，同时需要附以低发烟、低毒雾特性，以保护海上人员安全。
玻璃钢作为一种成熟的工业材料，已经被广泛应用于地铁内饰、海上风电的叶片以及飞机雷达罩等场合，其防火特性可通过设计满足海洋平台使用工况要求。
2. 玻璃钢挡风板失效模式
2.1 Hashin失效
Hashin准则是对纤维增强树脂基复合材料进行损伤分析的有效准则之一，此准则以有效应力的损伤起始判据为基础，在复合材料的模拟分析上有广泛的应用，可以较为准确地判断复合材料损伤[13]。因此，可采用Hashin准则作为海洋平台玻璃钢挡风板的失效准则。
根据增强体和基体损伤的不同方向，复合材料的失效模式可分为4种，具体如下：
纤维拉伸失效：
${\sigma _{11}} \geqslant 0$ $$ {F_{{\text{ft}}}}{\text{ = }}{\left( {\frac{{{\sigma _1}}}{{{X_{\rm{T}}}}}} \right)^2} + {\left( {\frac{{{\sigma _{12}}}}{{{S_{12}}}}} \right)^2} + {\left( {\frac{{{\sigma _{13}}}}{{{S_{13}}}}} \right)^2} \geqslant 1 $$ 纤维压缩失效：
${\sigma _{11}} < 0$ $$ {F_{{\text{fc}}}}{\text{ = }}{\left( {\frac{{{\sigma _1}}}{{{X_{\rm{C}}}}}} \right)^2} \geqslant 1 $$ 树脂基体拉伸失效：
${\sigma _{22}} + {\sigma _{33}} \geqslant 0$ $$ {F_{{\text{mt}}}}{\text{ = }}{\left( {\frac{{{\sigma _2} + {\sigma _3}}}{{{Y_{\rm{T}}}}}} \right)^2} + {\left( {\frac{{{\sigma _{23}}^2 - {\sigma _{22}}{\sigma _{33}}}}{{{S_{12}}}}} \right)^{}} + {\left( {\frac{{{\sigma _{12}}}}{{{S_{12}}}}} \right)^2} + {\left( {\frac{{{\sigma _{13}}}}{{{S_{13}}}}} \right)^2} \geqslant 1 $$ 树脂基体压缩失效：
$ {\sigma }_{22}+{\sigma }_{33}＜0 $ $$ \begin{split}& {F_{{\text{mc}}}}{\text{ = }}{\left( {\frac{{{\sigma _2} + {\sigma _3}}}{{2{S_{23}}^{}}}} \right)^2} + \left( {\frac{{{\sigma _2} + {\sigma _3}}}{{{Y_{\rm{C}}}}}} \right)\left[ {{{\left( {\frac{{{Y_{\rm{C}}}}}{{2{S_{23}}}}} \right)}^2} - 1} \right] + \\ &\qquad{\left( {\frac{{{\sigma _{23}}^2 - {\sigma _{22}}{\sigma _{33}}}}{{{S_{23}}^2}}} \right)^{}} + {\left( {\frac{{{\sigma _{12}}}}{{{S_{12}}}}} \right)^2} + {\left( {\frac{{{\sigma _{13}}}}{{{S_{13}}}}} \right)^2} \geqslant 1 \end{split} $$ 式中：
${X_{\rm{T}}}$ 和${Y_{\rm{T}}}$ 分别为单层玻璃钢在横向和纵向的抗拉强度，${X_{\rm{C}}}$ 和${Y_{\rm{C}}}$ 分别为单层玻璃钢在横向和纵向的抗压强度，${S_{12}}$ 、${S_{13}}$ 和${S_{23}}$ 分别为玻璃钢剪切强度。2.2 屈曲稳定性失效
1）平衡方程
根据Donnel薄壳理论，玻璃钢材料的屈曲平衡方程可表示为[14]
$$ \frac{{\partial {N_x}}}{{{\partial _x}}} + \frac{{\partial {N_{xy}}}}{{{\partial _y}}} = 0 $$ $$ \begin{split}&\quad\frac{{{\partial ^2}{M_x}}}{{{\partial _x}^2}} + 2\frac{{{\partial ^2}{M_{xy}}}}{{{\partial _x}{\partial _y}}} + \frac{{{\partial ^2}{M_y}}}{{{\partial _y}^2}} - \frac{{{N_y}}}{R} + \\ &\overline {{N_x}} \frac{{{\partial ^2}W}}{{{\partial _x}^2}} +\overline {{N_y}} \frac{{{\partial ^2}W}}{{{\partial _y}^2}} + 2\overline {{N_{xy}}} \frac{{{\partial ^2}w}}{{{\partial _x}{\partial _y}}} = 0\end{split} $$ 式中
$ {N_{\text{x}}} $ 、$ {N_y} $ 、$ {N_{xy}} $ 和$ {M_x} $ 、$ {M_y} $ 、$ {M_{xy}} $ 分别为薄壳单位长度上的外力。2）几何方程
薄壳任一点的应变满足
$$ {\varepsilon _x} = {\varepsilon _x}^0 + z{\kappa _x} $$ $$ {\varepsilon _y} = {\varepsilon _y}^0 + z{\kappa _y} $$ $$ {\varepsilon _z} = {\varepsilon _z}^0 + z{\kappa _z} $$ 式中：
$ {\varepsilon _x}^0 $ 、$ {\varepsilon _y}^0 $ 分别为X和Y方向壳体中面正变，$ {\kappa _x} $ 和$ {\kappa _{\text{y}}} $ 分别为轴向 、环向的曲率。3）物理方程
壳体单位长度上的内力和内力矩，可由各单位层上的应力沿壳厚度积分求得：
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{N_x}} \\ {{N_y}} \\ {{N_{xy}}} \\ {{M_x}} \\ {{M_y}} \\ {{M_{xy}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{A_{11}}}&{{A_{12}}}&{{A_{16}}}&{{B_{11}}}&{{B_{12}}}&{{B_{16}}} \\ {{A_{12}}}&{{A_{22}}}&{{A_{26}}}&{{B_{12}}}&{{B_{22}}}&{{B_{26}}} \\ {{A_{16}}}&{{A_{26}}}&{{A_{66}}}&{{B_{16}}}&{{B_{26}}}&{{B_{66}}} \\ {{B_{11}}}&{{B_{12}}}&{{B_{16}}}&{{D_{11}}}&{{D_{12}}}&{{D_{16}}} \\ {{B_{12}}}&{{B_{22}}}&{{B_{26}}}&{{D_{11}}}&{{D_{22}}}&{{D_{26}}} \\ {{B_{16}}}&{{B_{26}}}&{{B_{66}}}&{{D_{16}}}&{{D_{26}}}&{{D_{66}}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\varepsilon _x}^0} \\ {{\varepsilon _y}^0} \\ {{\gamma _{{\text{x}}y}}^0} \\ {{\kappa _x}} \\ {{\kappa _y}} \\ {{\kappa _{xy}}} \end{array}} \right] $$ 式中：
$ {(\overline {{Q_{ij}}} )_k}(i,j = 1,2,6) $ 为第k层的转换矩阵元素，$ {h_k} $ 为第k层的位置参数。$$ {A_{ij}} = \int_{{h_0}}^{{h_q}} {\overline {{Q_{ij}}} } {\rm{d}}\gamma = {\sum\limits_{k = 1}^n {\left( {\overline {{Q_{ij}}} } \right)} _k}({h_k} - {h_{k - 1}}) $$ $$ {B_{ij}} = \int_{{h_0}}^{{h_q}} {\overline {{Q_{ij}}} } \gamma {\rm{d}}\gamma = \frac{1}{2}{\sum\limits_{k = 1}^n {\left( {\overline {{Q_{ij}}} } \right)} _k}({h_k}^2 - {h_{k - 1}}^2) $$ $$ {D_{ij}} = \int_{{h_0}}^{{h_q}} {\overline {{Q_{ij}}} } {\gamma ^2}{\rm{d}}\gamma = \frac{1}{3}{\sum\limits_{k = 1}^n {\left( {\overline {{Q_{ij}}} } \right)} _k}({h_k}^3 - {h_{k - 1}}^3) $$ 4）位移函数
复合材料薄壳两端均为简支，则有x=0、L时，
$ w = {M_x} = {N_{\text{x}}} = \nu = 0 $ 。3. 玻璃钢挡风墙结构受力分析
3.1 有限元模型
海洋平台典型挡风墙结构如图1所示。挡风墙由挡风板、立柱、加强筋、框架和水平撑等构件组成。挡风板通常为3 mm厚的钢制或玻璃钢板，截面为瓦楞或波纹型，便于增加截面刚度；加强筋为L型角钢，主要作用为增强挡风墙的刚度；挡风墙框架通常为方钢；水平撑通常为圆管。挡风墙主体通过水平撑连接到挡风墙立柱上，挡风墙立柱将海洋平台与挡风墙连接起来。
图 1 挡风墙结构示意
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为分析玻璃钢挡风墙受力特征，采用ABAQUS软件建立挡风墙有限元模型，如图2所示。采用壳单元S4R模拟挡风墙所有构件。
图 2 挡风墙有限元模型下载:
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挡风板为玻璃钢材料，本构关系为线弹性，材料属性如表2所示；其余构件均为Q235B碳钢，材料属性如表3所示。玻璃钢挡风板采用4层铺设，铺设方向为0°和90°交叉，每层厚度为0.86 mm。
表 2 环氧树脂基玻璃钢材料性质材料性质 数值 弹性模量E/GPa E1=48，E2=13.5 泊松比μ 0.29 抗拉强度σm/MPa σ1=950，σ2=46 表 3 Q235B碳钢材料性质材料性质 数值 弹性模量E /GPa 206 泊松比μ 0.3 抗拉强度σm/MPa 350 剪切强度G /GPa 4 3.2 荷载与边界条件
在6个水平撑支点处固支挡风墙。
根据渤海环境条件，选取较大3 s阵风风速39.7 m/s进行校核。根据高程25 m，由API 2A 21RP规范[15]计算对应风压加载到挡风墙上。
$$ u(z,t) = U(z) \times \left[ {1 - 0.41 \times {I_{\text{u}}}(z) \times \ln \left( {\frac{t}{{{t_0}}}} \right)} \right] $$ $$ U(z) = {U_0} \times \left[ {1 + C \times \ln \left( {\frac{z}{{10}}} \right)} \right] $$ $$ C = 5.73 \times {10^{ - 2}} \times {\left( {1 + 0.15{U_0}} \right)^{1/2}} $$ $$ {I_{\text{u}}}(z) = 0.06 \times \left( {1 + 0.043 \times {U_0}} \right) \times {\left( {\frac{z}{{10}}} \right)^{ - 0.22}} $$ 式中：z为海图基准面高程，
$ {U_0} $ 为海图基准面以上10 m高程处的1 h平均风速，$ {U_Z} $ 为高程z处的1 h 平均风速。图3为玻璃钢挡风墙的加载与约束情况。
图 3 挡风墙加载下载:
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3.3 计算结果与分析
3.3.1 静力分析
由图4可知，挡风墙钢制构件最大Mises应力为93.52 MPa，满足强度要求。由图5和图6可知，挡风板4个铺层中，表层应变最大为0.0234%。如图7所示，沿纤维方向玻璃钢最大应变为0.017%。
图 4 挡风墙钢制构件Mises应力下载:
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图 5 玻璃钢挡风板最大主应变（表层）下载:
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图 6 玻璃钢挡风板最大主应变（底层）下载:
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图 7 玻璃钢挡风板1方向主应变（表层）下载:
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图8和图9为玻璃钢挡风墙树脂和纤维累计损伤云图。根据hasin准则，玻璃钢板在风载荷作用下，树脂失效因子均大于纤维，受拉部分失效因子最大为4.684×10−3<1，受压部分失效因子为1.471×10−2<1，没有发生拉伸和压缩失效。玻璃钢板满足海洋平台最大风载荷使用要求。
图 8 挡风墙玻璃钢hasin准则–受拉下载:
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图 9 挡风墙玻璃钢hasin准则–受压下载:
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3.3.2 屈曲稳定性分析
对玻璃钢挡风墙开展屈曲分析，得出图10所示玻璃钢挡风墙一阶模态。玻璃钢一阶屈曲因子为79.858，说明玻璃钢板在风载荷作用下，没有屈曲失效的风险。
图 10 玻璃钢挡风墙一阶模态下载:
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4. 海洋平台玻璃钢挡风墙应用
鉴于平台部分挡风墙出现腐蚀破损、固定螺栓腐蚀脱落的现象，导致大风季节墙板晃动，存在掉落风险。为保证安全的工作环境和冬季生产流程的稳定，渤海于2020年应用本文所述研究成果将某平台腐蚀严重的碳钢挡风墙更换为玻璃钢挡风墙，如图11所示。实践表明，该玻璃钢挡风墙自安装至今并未发生腐蚀和应力破坏。与碳钢挡风墙相比，采用玻璃钢挡风墙可以降低挡风板结构重量75%，同时可以避免碳钢挡风墙投入使用后期因腐蚀严重而再次更换，从而在全生命周期内节省费用。
图 11 渤海某平台玻璃钢挡风墙下载:
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5. 结论
针对海上平台碳钢挡风墙腐蚀严重的问题，开展采用玻璃钢挡风墙替代传统碳钢挡风墙的应用研究，结合海洋平台应用工况开展了玻璃钢材料应用分析和挡风墙结构受力分析，得出以下结论：
1）玻璃钢材料性质可根据实际需求调整，可以达到等同于甚至高于碳钢的强度和刚度；玻璃钢使用寿命长达30 a，满足常规海洋平台使用寿命需求；对玻璃钢进行阻燃改性，同时附以低发烟、低毒雾特性，可满足海上平台防火要求。
2）采用hashin准则作为玻璃钢材料损伤判定依据，采用Donnel薄壳理论推导玻璃钢挡风板屈曲方程。在渤海环境工况下，玻璃钢挡风墙结构没有强度失效和屈曲稳定性失效风险。
综上，采用玻璃钢挡风墙，可以满足海洋平台应用要求，同时可以降低挡风墙结构重量，有效节省全生命周期综合更换维护费用，可更加经济合理利用包括人员、施工、材料、日常维护运行等各类资源，实现更好的社会节支降耗作用，助力海洋绿色开发，社会综合效益显著。
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图 1 挡风墙结构示意
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图 2 挡风墙有限元模型
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图 3 挡风墙加载
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图 4 挡风墙钢制构件Mises应力
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图 5 玻璃钢挡风板最大主应变（表层）
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图 6 玻璃钢挡风板最大主应变（底层）
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图 7 玻璃钢挡风板1方向主应变（表层）
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图 8 挡风墙玻璃钢hasin准则–受拉
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图 9 挡风墙玻璃钢hasin准则–受压
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图 10 玻璃钢挡风墙一阶模态
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图 11 渤海某平台玻璃钢挡风墙
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表 1 典型玻璃钢与Q235B碳钢材料性质对比
材料 密度/(103kg·m−3) 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 比强度 比刚度 Q235B碳钢 7.8 375 206 48 26.0 环氧玻璃钢 2.1 700 45 330 21.4 乙烯基玻璃钢 2.0 500 36 250 18.0 酚醛玻璃钢 1.8 350 22 195 12.0 表 2 环氧树脂基玻璃钢材料性质
材料性质 数值 弹性模量E/GPa E1=48，E2=13.5 泊松比μ 0.29 抗拉强度σm/MPa σ1=950，σ2=46 表 3 Q235B碳钢材料性质
材料性质 数值 弹性模量E /GPa 206 泊松比μ 0.3 抗拉强度σm/MPa 350 剪切强度G /GPa 4 -
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