海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化策略探討

陳田輝

摘 要：海洋平臺是為開發(fā)海洋資源而建立的海上生產(chǎn)場所，加強(qiáng)海洋平臺的建設(shè)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對海洋油氣的安全開發(fā)、緩解資源匱乏具有重要意義。本文結(jié)合海洋平臺的相關(guān)理論，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略進(jìn)行探討，旨在對促進(jìn)海上安全生產(chǎn)有所幫助。

關(guān)鍵詞：海洋平臺；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；策略

1.海洋平臺的結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn)分析

自然資源是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的動力，海洋中蘊(yùn)藏著豐富的金屬礦產(chǎn)和油氣資源，研究表明，海洋中的自然資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于陸地，高效、科學(xué)地開發(fā)海洋資源、進(jìn)行海上生產(chǎn)為緩解能源緊缺的現(xiàn)狀開辟了道路。海洋平臺是為進(jìn)行海洋資源的開發(fā)和保護(hù)而建立的海上生產(chǎn)場所，按照功能可以將其劃分為鉆井平臺、生產(chǎn)平臺、儲油平臺等。從結(jié)構(gòu)上來看，鉆井平臺主要包括坐底式、自升式和半潛式三種。坐底式鉆井平臺是一種可以移動的平臺，由本體和下體兩部分組成，是早期應(yīng)用于淺水區(qū)的一種作業(yè)平臺，根據(jù)工作情況本體和下體分別發(fā)揮不同的作用。自升式鉆井平臺可以自動升降，由一個上層平臺和幾個可以升降的樁組成，能夠滿足移動位置時浮性及穩(wěn)性的要求，移位較為靈活方便，目前應(yīng)用較為廣泛。半潛式鉆井平臺大部分浮體沉沒于水中，可移動、較穩(wěn)定，這對海上安全生產(chǎn)具有重要意義。除鉆井平臺外，生產(chǎn)平臺也是在海上油氣開發(fā)中非常重要的一種設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)采油、貯存、油氣處理等功能，可分為重力式采油平臺、導(dǎo)管架式采油平臺等。經(jīng)目前勘探研究發(fā)現(xiàn)，海洋中蘊(yùn)含有大量的油氣資源，加強(qiáng)海洋平臺的建設(shè)和研究對促進(jìn)資源的開發(fā)、改善我國資源匱乏的局面，進(jìn)而提升我國的綜合實(shí)力和國際地位具有非常重要的意義。

2.海洋平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化的策略

2.1加強(qiáng)平臺的極限承載能力及特殊結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析

海洋平臺的穩(wěn)定、安全主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性，要做到科學(xué)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要加強(qiáng)平臺極限承載能力和特殊結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度分析。在對海洋平臺的極限承載能力進(jìn)行估計和計算的過程中，必須考慮平臺工作時間、持久載荷、瞬時載荷的影響，這樣才能求得科學(xué)的極限承載能力。海洋平臺在結(jié)構(gòu)上通常具有較大的柔度和較小的剛度，因而在工作環(huán)境較為惡劣的情況下（如惡劣天氣、較大海浪沖擊等）會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌等事故，因此海洋平臺的極限承載能力能夠有效反映平臺結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。除了要考慮平臺最大承載能力外，還要考慮平臺特殊部位的受力情況，因?yàn)槠脚_不同結(jié)構(gòu)位置的承載載荷具有較大差異，比如在樁柱處受力較大，在結(jié)構(gòu)連接固定部位受力不均勻等。在正常工作環(huán)境下，海洋平臺滿載并且達(dá)到預(yù)定指標(biāo)時的工作狀態(tài)稱為正常作業(yè)工況，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的極限載荷及特殊結(jié)點(diǎn)的承載設(shè)計值必須高于正常作業(yè)工況下的承載能力。此外，大型打樁及整平裝置工作時所引起的附加力和彎矩對平臺穩(wěn)定工作所造成的影響也是不容忽視的。加強(qiáng)海洋平臺極限承載能力和特殊結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，只有對平臺進(jìn)行正確的受力分析及載荷預(yù)測，才能在平臺設(shè)計中選出合適的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而提高平臺的穩(wěn)定性。

2.2利用平臺有限元分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化

有限元模型分析方法是在海洋平臺模型建立中常用的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)的受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)行模擬，對海洋平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要作用。在平臺自存、升降以及正常的工作狀況下，樁腿結(jié)構(gòu)所受載荷與波浪力的大小及入射角度有關(guān)，在計算時需要采用相位角試算方法找到最不利的波浪載荷。首先要建立與載荷相關(guān)的有限元模型，根據(jù)平臺建設(shè)的要求選擇樁腿的布置及結(jié)構(gòu)尺寸，利用相關(guān)軟件模擬海洋波浪及風(fēng)載作用時的平臺狀態(tài)，進(jìn)而選出最佳的布置方案。其次，在模型中按照一定的順序輸入載荷方向及大小對其進(jìn)行試算，并計算特殊結(jié)點(diǎn)上所對應(yīng)的受力，進(jìn)而選擇適應(yīng)結(jié)構(gòu)要求的建材。海洋平臺通常是在經(jīng)過預(yù)壓后的地基土上建設(shè)的，其承載力能夠滿足支撐平臺的要求，故而在利用有限元法進(jìn)行分析計算時通常不考慮海底基礎(chǔ)的影響，將樁靴下半部功能結(jié)點(diǎn)作為鉸支進(jìn)行受力分析，以此來作為平臺計算模型的邊界條件。利用平臺有限元分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是基于計算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的，通過模型建立和運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)平臺的結(jié)構(gòu)及受力分析，對特殊結(jié)點(diǎn)及特殊工作環(huán)境下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)也能進(jìn)行模擬計算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化。

2.3考慮環(huán)境因素的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

海洋平臺的工作環(huán)境通常是復(fù)雜多變的，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的過程中必須考慮環(huán)境因素的影響。平臺所受的環(huán)境載荷主要有波浪載荷、風(fēng)載荷、海流載荷等，其對平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、安全性評價都有很大的影響。在海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中，波浪載荷是對平臺強(qiáng)度影響最大的一個方面，主要作用于平臺水面及水下樁腿處，根據(jù)平臺所處位置海浪特征正確估算載荷大小，進(jìn)而進(jìn)行科學(xué)的強(qiáng)度分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。利用設(shè)計波的高階波理論能夠引入海流的影響并對波浪力的非線性成分進(jìn)行處理，進(jìn)而更加貼近實(shí)際海洋環(huán)境下的工作狀態(tài)。在平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)平臺工作水深選擇不同的波浪理論計算波浪載荷的大小。海流載荷是海洋中不同類型水體的合成流動對平臺的作用力，海流的運(yùn)動速度通常比較緩慢，對平臺的作用也比較穩(wěn)定，可以考慮為一個定載荷。此外，在平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中還必須考慮風(fēng)載荷的影響，主要是根據(jù)風(fēng)力和風(fēng)向的大小進(jìn)行載荷分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.總結(jié)

加強(qiáng)海洋平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是海上安全生產(chǎn)的保障，對促進(jìn)海上油氣資源的開發(fā)具有重要意義。海洋平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以通過有限元模型分析方法實(shí)現(xiàn)，在保障安全的基礎(chǔ)上提高效益，這也是海洋石油鉆井和開發(fā)的主要研究方向之一。

參考文獻(xiàn)

[1]劉登輝，高靜坤.海洋平臺總體設(shè)計的優(yōu)化技術(shù)突破[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（11）.

[2]甘進(jìn).海上多功工作平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[C].武漢理工大學(xué)，2012（05）.

[3]謝維維，秦立成.波浪載荷作用下的導(dǎo)管架海洋平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].中國水運(yùn)，2013（07）.