海洋導管架結構的現狀研究及應用前景

魏曉添

導管架是由導管(或稱腿柱)和連接導管的縱橫桿系所構成的空間構架。

目前,在海洋油氣中,導管架平臺主要由兩大部分組成:一部分由導管架和鋼管樁組成,用來支承上部設施與設備的基礎結構,稱為支承結構;一部分由甲板及其上的設施和設備組成,作為收集和處理油氣、生活及其他用途的場所,稱為上部設施與設備。

1 導管架結構的主要形式

1.1 上部結構的主要形式及其特點

導管架平臺上部結構的形式可以分為:桁架式、梁—板—柱組成的框架式以及兼而有之的混合式。桁架式結構特點是整個結構由梁和桁架等構件組成,上下層平臺甲板由桁架連接為整體結構,承受作用在甲板上的載荷,并通過桁架將載荷傳給導管架及樁基。梁—板—立柱組成的框架式結構其特點是上下層甲板由立柱連接為整體結構,承受作用在甲板上的載荷,載荷通過立柱傳給導管架和樁基。混合式結構特點是上下層甲板由立柱或桁架連接成為一個整體結構,承受作用在甲板上的載荷,并通過立柱或桁架傳給導管架和樁基。這種結構不僅具有框架式結構的特點,還在梁跨度較大的部位增設桁架,以增強平臺的總體剛度、增加甲板的承載能力。

1.2 導管架的主要形式

導管架的主要構件是導管,導管架按導管數量的多少分類通常有以下幾種形式:1)三導管導管架。這種導管架有三條呈等邊三角形布置的導管。該種導管架主要用于井口保護平臺、火炬塔支撐平臺以及一些機械設施支撐結構。2)四導管導管架。該種導管架有四根導管,一般導管布置呈正方形或矩形。該種導管架是海上油氣田開發中常用的一種結構形式,主要用于井口保護平臺、生活平臺、壓縮機平臺,也常用于油(氣)生產平臺和鉆井平臺。其四根導管根據使用要求可以設計成等斜度的,也可設計成一側垂直而另一側傾斜的。3)八導管導管架。這種導管架有八根導管,是用于海上石油開發的一種典型的結構形式,導管一般按矩形布置,呈雙斜對稱布置,每行有四根導管。該種導管架主要用于綜合平臺,其甲板面積大,承載能力高。

此外,還用六,九,十二,十六,二十四導管的導管架。我國早期安裝的導管架多為十六導管,也有九導管和二十四導管。

2 導管架節點的連接形式及分類

目前工程中常用的鋼管結構節點類型有:空心鋼球焊接節點,螺栓球節點,半球節點,扁球形節點,鋼板節點,再分桿樹狀節點,相貫節點,鼓形節點,套管節點。

相貫節點又稱簡單節點(simple joint)、無加勁節點(unstiffened joint)或直接焊接節點(directly-welding joint)[5]。節點處只有在同一軸線上的兩個最粗的相鄰桿件處貫通,其余桿件通過端部相貫線加工后,直接焊接在貫通桿件的外表。一般來說,鋼管相貫節點具有傳力路線明確,受力性能好,承載能力強,構造簡單,無附加外凸的節點構件,次要構件連接簡便,建筑外表美觀,在實際工程中不僅節省鋼材和焊接工作量,而且更易于維護保養。基于相貫節點的眾多優點,近十年來相貫節點在空間鋼管結構特別是大跨度建筑鋼管結構中得到了空前的應用。

按照組成節點的鋼管截面形式分類,鋼管相貫節點可分為:圓管—圓管相貫節點、矩形管—矩形管相貫節點、矩形管—圓管相貫節點和圓管—矩形管相貫節點。

按照節點的幾何形式分類,鋼管相貫節點可以分為單平面節點(uniplanar joint)和多平面節點(multiplanar joint)兩大類。前者為所有桿件軸線處于或幾乎處于同一平面內的節點,否則為空間節點。在節點處貫通的鋼管通常稱為弦桿(chord),焊接于弦桿之上的鋼管稱為腹桿(brace)。

工程中遇到較多的平面節點有:T形(Y形)、X形、K形(N形)、KT形(即在弦桿一側有三根腹桿的情況)、平面YY形、平面KK形。

根據節點中桿件內力平衡方式分類:1)當腹桿軸力在垂直于弦桿的垂直分量全部由弦桿橫截面剪力所平衡時,節點劃分為Y形或T形節點。2)當腹桿軸力通過弦桿由另一側腹桿所平衡時,節點劃分為X形節點。3)當位于弦桿同一側的腹桿軸力在垂直于弦桿長度方向能自相平衡時,節點劃分為K形或N形節點。(對于有些K形節點,根據腹桿軸力垂直分量的平衡方式劃分節點類型的原則,斜腹桿軸力的50%由豎腹桿平衡,另50%由弦桿橫截面剪力所平衡,因此劃分為部分K形節點、部分Y形節點。

3 導管架結構的優點

在海洋開發中,導管架平臺被廣泛的采用,主要是由于導管架平臺具有如下特點:

1)平臺的支撐結構——導管架是以圓鋼管為主要構件的鋼結構,因此結構受力狀態較好。由于圓鋼管的截面為各向同性,便于加工成型,結構制造方便。此外,圓鋼管呈封閉截面,與海水接觸面積相對較小,有利于防腐;在施工中,還可以利用浮力,減輕結構在海水中重量。

2)由于樁是通過導管架導管或裙筒打入海床,因此在比較惡劣的海洋環境中,樁打的準、打的直。該種結構適于水深、浪高、風大的海域。

3)打樁作業可以大大簡化,只要把導管架定位于指定地點,立即就可以進行打樁作業。這種結構形式是解決海上打樁定位和施工期間穩定樁基的有效方法。同時,導管架作為樁基的一部分,可以保證平臺結構的整體穩定性。

4)平臺可以在陸上分塊預制,海上組裝,既能保證施工質量,又可以縮短海上吊裝與組裝時間,節省投資。

5)導管架平臺設計、制造及安裝技術成熟、實踐經驗多,適用性強。

4 工程應用意義及前景展望

4.1 石油平臺

到目前為止,在油氣工業中,導管架平臺的應用是比較普遍的,我國的油氣資源十分豐富,石油資源的開發有著非常廣闊的前景。1966年我國依靠自己的技術力量在渤海海域成功地安裝了第一座導管架式海洋平臺。近年來隨著近海石油開發的迅速發展,我國的平臺設計、制造和安裝也有了突破性進展。自20世紀60年代以來,已經陸續建造了近百座海上平臺。從渤海、南海以及國外的海上油田開發來看,水深5 m～200 m范圍內,導管架平臺是應用最多的一種平臺形式,約占90%以上。并且海上油田開發實踐證明,這類平臺是比較行之有效的一種結構形式。

而在世界范圍內,自20世紀40年代美國安裝使用了世界上第一座鋼質導管架式平臺(Steol Jaoket offshore Platform)以來,這種結構已經成為中淺海海洋平臺的主要結構形式。隨著海洋石油開發的迅速發展,導管架式海洋平臺被廣泛用于海上油田開發、海上觀光以及海洋科學觀測等方面。

4.2 海上風力發電[5]

目前,海上風力發電場的建設有兩個發展趨勢:1)風電場的建設水深由淺海向深海發展;2)風力發電機的單機容量不斷增大[6-8]。由于導管架平臺的結構特點和風機結構規模的大型化,就決定了在淺海域的各種水深條件下,導管架平臺用于近海風力發電是比較合適甚至是最好的選擇,比較合適的基礎形式有三腳架式和導管架式兩種。三腳架式基礎類似單樁結構,只是采用了標準的三腿支撐結構,相對于由鋼管焊接而成的導管架式基礎。

風力機組的塔筒構件是高聳結構物,風力機組在工作時,上部結構受到的載荷非常大,因此要求其下部基礎結構的整體剛度比較大,能抗較大的傾覆力矩,因此,在近海50 m以內的水深范圍,固定式基礎更能滿足要求。而在固定式平臺當中,腿式平臺和牽索塔平臺是屬于柔性支承,整體剛度不如剛性支承的導管架平臺和重力式平臺;由前面分析可知,在未來的風能開發中,重力式平臺的優勢不如導管架平臺。

5 結語

現代港口的發展趨勢之一就是港口建設深水化與外海化。由于導管架平臺的結構特點,就決定了在淺海域的各種水深條件下,導管架平臺用于建設深水碼頭是比較合適甚至是最好的選擇。還有,深水油碼頭也同樣可以嘗試采用導管架結構。由于油船噸位大,吃水深度要高于普通船只。而導管架結構在深海打樁作業可以大大簡化,同時導管架作為樁基的一部分,可以保證平臺結構的整體穩定性。

[1] 李健民.文昌有天平臺結構設計[J].中國海上油氣(工程),2001,13(1):1-3.

[2] 邵炎林,何炎平,關 宇.構造形式對導管架平臺極限承載力的影響[J].中國海洋平臺,2005(46):253-260.

[3] 武俊憲,牛文金,李 琦.遼河海上稠油熱采井口平臺結構分析[J].中國造船,2005(46):253-260.

[4] 許 濱,申仲翰.海洋導管架平臺的極限強度分析[J].中國海洋平臺,1994,12(3):8-16.

[5] 李才志.近海風力發電導管架平臺結構分析與數值模擬[D].上海:上海海事大學,2008.

[6] 王興國,周 晶,康海貴.基于穩定的導管架海洋平臺的多目標優化設計[J].中國海洋平臺,2001,16(5):5-11.

[7] 陸文發,李林普,高明道.近海導管平臺[M].北京:海洋出版社,1992.

[8] 王興國.導管架海洋平臺結構優化設計研究[D].大連:大連理工大學,2003.