海上石油平臺結構設計淺議

劉 濤

海上平臺結構設計是海上平臺設計的一個非常重要的組成部分。特別是對于海上平臺的安全性和可靠性至關重要。海上平臺結構設計包括設計導管架結構及甲板結構和附屬結構等各個方面的內容。例如確定結構布置原則，正確地選用材料和計算荷載方法，選取適用的荷載系數，確定荷載組合方式，進行強度、剛度和穩(wěn)定性計算，編制材料表以及有關設計文件等。

1 平臺結構設計的原則

平臺結構設計總的原則是:先進、合理、安全、經濟、滿足規(guī)范要求，且方便采辦、制造、安裝、檢驗和維護等。結構總體布置的基本原則是:總體布局合理，傳力路徑短，構件綜合利用性好，材料利用率高，滿足其他專業(yè)對結構形式的要求。結構材料選取的基本原則是:結構材料的選取既要考慮強度要求，又要考慮結構工作場所的環(huán)境條件，在結構中的部位和可能使用的加工方法等。為了具體實施平臺結構設計的原則，設計人員需要不斷地總結經驗，有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，有所前進。

2 固定設施的類型

海上油田的生產必須以固定設施為基礎。固定設施是指建立在海上的固定建筑物。固定設施的工作年限較長，一般都在15年以上，而且在使用期內又不能移動，所以固定設施的安全性和可靠性非常重要，它要承受在使用期限內該海域可能出現(xiàn)的最大環(huán)境荷載，而且要在最惡劣的環(huán)境條件下能夠生存和繼續(xù)工作，否則將造成嚴重的人員傷亡、設備損失、油田停產與環(huán)境污染等危害事件。由于海洋水深及海況的差異、油藏面積的不同、開采年限不一，因此固定設施類型眾多。對于海洋石油系統(tǒng)常用的分類方法，固定設施基本上可分為以下五大類:

1)樁基式固定設施。樁基式固定設施一般系指樁基式固定平臺，通常為鋼質固定平臺，是目前海上油(氣)生產中應用最多的一種結構形式。2)重力式固定設施。重力式固定設施一般系指重力式平臺，是與樁基平臺不同的另一種形式的平臺。它不需要用插入海底的樁去承擔垂直荷載和水平荷載，完全依靠本身的質量直接穩(wěn)定在海底。根據建造材料的不同，又分為混凝土重力式平臺和鋼重力式平臺兩大類。3)人工島。人工島是在海上建造的人工陸域，可以很方便地將人類的活動由陸地延伸到海上。人工島的形式多種多樣，主要有三類常見的人工島形式:斜坡式人工島，沉箱式人工島，鋼管式人工島。4)順應型平臺。順應型平臺是指在海洋環(huán)境荷載作用下，圍繞支點可發(fā)生允許范圍內某一角度擺動的深水采油平臺。這種平臺是一種細長的框架結構，沿高度方向的橫截面一般不變。框架每隔一定的高度有重復的結構形式，井槽在平臺的中部。有的順應型平臺在每個角各有數根樁支持，樁穿過導管打下后，樁頂部約高出泥線某一高度，套管約上至平臺高度的一半，樁與導管之間灌注水泥漿，凝固后便組成一套管與樁的組合體，在這個組合體的頂部附接導管架。這樣大的長度提供了足夠的軸向彈性來產生柔性恢復力，調整組合體的長度可得到系統(tǒng)適應不同環(huán)境的結構參數。有的順應型平臺或/和借助牽索(如繃繩塔平臺)用一些浮筒(如浮塔式平臺)來產生恢復力，浮筒也可給平臺提供向上的浮力，從而可減少結構的軸向壓力。5)其他海上新型固定設施及簡易平臺。

3 結構分析工具軟件

我國和國外許多單位都已研制開發(fā)出有關海洋平臺結構的分析程序。下面是一些常用的海洋平臺分析軟件:

1)SACS程序。SACS(Structural Analysis Computer System)程序由Engineering Dynamics，INC.開發(fā)，是用于海洋平臺結構分析的軟件。它被遍及世界的上百個與海洋工程有關的設計公司或石油公司使用，并得到世界各個權威檢驗機構的認可。2)MOSES程序。MOSES(Multi-Operational Structural Engineering Simulator)程序由 Ultramarine，inc.開發(fā)，是用于海洋工程結構分析等領域的軟件。其前身為1977年問世的Oscar程序(該程序至今仍然廣泛用于浮式結構的分析和設計)。3)SESAM程序。SESAM程序由DNV開發(fā)，是用于海洋工程結構分析等領域的軟件。適用范圍包括:導管架和上部設施;半潛式平臺;張力腿平臺;系泊系統(tǒng);浮式系統(tǒng)和重力式平臺。4)ANSYS程序。ANSYS程序由ANSYS，Inc.開發(fā)，為第一個通過ISO9001質量認證的分析設計類軟件。在海洋工程領域，ANSYS程序已用于導管架平臺結構有限元分析，海底管線有限元分析，半潛式平臺及錨泊定位系統(tǒng)有限元分析。另外，ANSYS程序的Design Space等模塊曾經用于深海探測器的結構分析與設計，據應用者反映該程序使工作進度大大加快。5)TNOWAVE(PDPWAVE)程序。TNOWAVE(PDPWAVE)程序由Profound B.V.開發(fā)，是用于樁基礎分析等領域的軟件。

4 平臺上部結構設計

4.1 甲板結構總體布置

1)基本原則:傳力路徑短，構件綜合利用好，材料利用率高。2)在進行甲板結構總體布置時，一般考慮如下幾個方面:a.甲板結構布置:在甲板上的設備布置盡量做到重量對稱的情況下，甲板結構布置盡量對稱，以利于結構均勻受力;b.桿件數量:應盡量使桿件在各種受力狀態(tài)下都能發(fā)揮較大作用，桿件數量力求盡可能少;c.節(jié)點設計:要盡可能使用簡單節(jié)點，避免使用搭接節(jié)點;d.隔水導管和甲板的連接:要明確隔水導管支撐兩端的連接方法;e.滑靴橫向間距的確定:如果考慮甲板結構滑移裝船，則滑靴橫向間距的確定應考慮預制場地滑道和駁船滑道間距的可調整范圍;f.應考慮鉆井、修井的要求:如使用平臺鉆機、修井機，則需考慮結構的局部加強;如使用鉆井船進行修井作業(yè)等，則需要考慮甲板標高和懸臂尺度是否能滿足使用要求。

4.2 甲板標高確定

1)底甲板梁底的標高確定:底甲板的標高=2/3最大波高(重現(xiàn)期為50年或100年)+極端高水位+1.5 m不確定因素。2)甲板的層數:根據需要，由總圖專業(yè)確定。3)甲板的層間距:要考慮設備的高度、設備操作空間、電纜及管線的放置。

4.3 結構構件的選取

結構桿件的選取要遵循以下幾個原則:1)大小梁尺寸:要有明顯差別，以便區(qū)分和連接;2)桿件類型、材料規(guī)格:不宜太多，必要時可予以調整;3)對管型桿件的選取要考慮D/t比，一般介于20～60之間(最好大于30);如果大于 60，則要按照API RP 2A的要求對材料的容許應力進行折減;kl/r:對主要桿件不宜大于120。

4.4 結構材料的選取

1)結構材料的選取既要考慮強度的要求，又要考慮工作環(huán)境的要求;2)甲板立柱上的主要節(jié)點、吊點用板應使用Z向性能鋼材;3)在性質滿足要求的情況下，鋼材應盡量使用國產材料。

由于篇幅所限，本文只能從整體方面介紹關于海上石油平臺結構設計所涉及到的基本原則、固定設施、常用軟件與上部平臺的總體布置方法，希望與大家討論。

[1] 趙英年.海洋石油生產平臺平面布置設計原則[J].中國海上油氣(工程)，1994(1):39-40.

[2] 何學謙.對結構設計中兩個關鍵問題的探討[J].山西建筑，2009，35(8):91-93.

[3] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程平臺結構設計[M].第4冊.北京:石油工業(yè)出版社，2009.