渤海灣海域中心平臺組塊結構設計差異性分析與標準化建設

張 興，宋崢嶸，王曉蕾，文 宇，王珂楠，饒云松

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

渤海油田是我國最大的海上油田，自2010年首次突破年產3 000×104t油氣當量以來，至今已連續11年穩產在3 000×104t以上，為保障國家能源安全和踐行國家能源戰略做出了重要貢獻[1-2]。一直以來，我國原油對外依存度較高的趨勢并未緩解，且逐年上升，嚴重威脅我國能源安全[3]。海上采油平臺用于海上油田的采油開發，建造周期長、投資成本高。海上平臺設計、建造、安裝的標準化，可最大限度地節約建造周期和降本增效，從而可為我國油氣增儲上產貢獻力量。

海上平臺組塊結構設計中，在保證結構安全的前提下，結構重/操作重占比是衡量結構設計是否經濟的重要指標。根據2018年統計數據，渤海遼東灣海域以吊裝方案設計的中心平臺共5座，其中近年來設計的中心平臺結構重占比在0.3左右，早期設計的中心平臺結構重占比最低為0.23。為找到新、老平臺結構重占比存在差異的原因，選擇了設計年份、結構重占比均相差較大的A、B兩座中心平臺，從設計方案、環境參數、計算方法上進行差異性分析，探究了結構重占比存在巨大差異的原因，以期為海上中心平臺標準化建設提供支撐。

1 差異性對比

1.1 基本設計參數對比

A、B平臺均位于渤海海域，水深分別是31 m和30.4 m。A平臺投產年份為2002年，組塊面積約7 700 m2，結構重（凈料）約19 600 kN，組塊結構重/操作重占比為0.23。B平臺投產年份為2013年，組塊面積約11 000 m2，結構重約45 080 kN，組塊結構重/操作重占比為0.33。

1.2 平臺功能性對比

表1對比了A、B平臺的工藝系統，由該表可知在油水系統方面，B平臺原油系統設計能力更強；在處理級數和設備上，B平臺處理級數和設備更多，且動設備均有備用。

表1 A、B平臺工藝系統對比

1.3 設計方案對比

由于B平臺的功能性更強、設備更多，A、B平臺的總圖布置有明顯區別。如圖1所示，A平臺上層甲板的設備主要布置在軸線以外，吊裝重心基本位于組塊的形心處。B平臺上層甲板布置了大量設備，若以主軸吊裝會存在設備遮擋吊繩和吊裝偏心問題。因此，B平臺增加了2.1輔軸和4.1輔軸。從立面圖（見圖2）上看，相比于A平臺15 m的吊裝跨距（東西方向），B平臺東、西部組塊的吊裝跨距增加至29 m和26 m。此外，B平臺的主立柱規格也高于A平臺，A平臺主立柱規格為1 220 cm×38 cm，B平臺主立柱規格為2 134 cm×70 cm。

圖1 A、B平臺上部組塊總圖布置

圖2 A、B平臺組塊立面結構

圖3對比了A、B平臺組塊結構重占比分布情況，B平臺立柱結構重占比遠高于A平臺，說明B平臺增加的輔軸和立柱可能是造成B平臺結構重占比增加的原因之一。

圖3 A、B平臺組塊結構重占比分布

1.4 主計算方法對比

海上平臺組塊結構設計需同時滿足靜力、地震、裝船、拖航、吊裝等各個工況的要求[4]。UC（Unit Check）值是判斷桿件和節點的結構設計是否合理的重要參數[5-6]。UC值等于實際應力與許用應力的比值，UC值大于1說明桿件和節點已超出規范要求。由于A、B平臺的設計時間相差10年以上，結構設計的標準和計算方法可能存在差異。經對比，在靜力工況下，A、B平臺桿件和節點的UC值均小于1；在地震工況下、A、B平臺均滿足大震不倒、小震不壞的要求；在裝船工況下，B平臺考慮了裝船時25 mm的強制位移，A平臺未考慮強制位移的影響；在拖航工況下，A、B平臺桿件的UC值均小于1；在吊裝工況下，A、B平臺在1.35吊裝系數下所有桿件的UC值均小于1，在2.00吊裝系數下與吊點直接相連的桿件UC值均小于1。綜上，裝船工況計算方法的差異可能會對結構重產生影響。

1.5 UC值控制對比

圖4對比了A、B平臺在靜力、地震、裝船、拖航、2.00系數下吊裝工況的UC值控制，圖中紅色部分為A平臺的UC值控制分布，藍色部分為B平臺。在靜力、地震、裝船、西部組塊吊裝、拖航工況下，B平臺組塊的UC值控制相對保守，UC值控制在0～0.2區間；A平臺桿件UC值控制在0.2～0.6區間。值得注意的是，B平臺東部組塊在吊裝工況下的UC值控制明顯偏大，UC值大于1的桿件比例遠高于其他工況，說明東部組塊的吊裝工況為B平臺的控制工況。

圖4 A、B組塊UC值控制對比

1.6 渤海海域環境變化對比

環境參數如風、波浪、流、冰等也是海上平臺結構設計的重要基礎條件[7-8]。表2對比了1998年和2012年渤海遼東灣海域環境參數，若按B平臺的環境參數作為A平臺的設計參考，A平臺當時的服役環境會變得相對惡劣，對結構設計來講可能會產生影響。

表2 渤海海域環境參數對比

2 討論

2.1 設計方案對結構重的影響與標準化建議

在設計方案上，A、B平臺結構重占比存在差異的主要原因在于B平臺上層甲板布置了大量設備，導致存在設備遮擋吊繩和吊裝偏心問題。為滿足海上吊裝作業需求，B平臺增加了2個輔軸和4個主立柱。僅立柱的重量兩平臺相差約7 840 kN。同時，由于B平臺東部組塊吊裝重量和跨距較大，吊裝工況成為B組塊最終控制工況，導致B組塊主結構梁規格增加。如表3所示，B組塊各層甲板主結構梁規格均高于A組塊，一定程度上也導致了結構重占比增加。因此，對于標準化結構設計，要盡量控制好重心分布，將吊點設置在主軸上，合理控制吊裝跨距。

表3 A、B組塊主結構梁規格與重量對比

2.2 計算方法對結構重的影響與標準化建議

在計算方法上，裝船工況下A平臺未考慮25 mm的強制位移。通過計算，即使A平臺考慮了25 mm的強制位移后，也僅有6根桿件的UC值發生變化，且均小于1，最大增幅僅為3.43%，詳見表4。因此，A、B平臺組塊結構設計時計算方法的差異并不是B平臺組塊結構重占比增加的主要原因。在UC值控制上，有精細化設計需求時，可以做得更加細致。但對于標準化設計，需要考慮采辦、建造的需求，應選用標準化規格，以保證材料的通用性，可以適當降低UC控制水平換取采辦及建造周期，對設計、采辦、建造、安裝總包起到積極作用。

表4 A平臺組塊強制位移工況下西部組塊桿件UC值統計

2.3 環境參數變化對結構重的影響與標準化建議

對于風、波浪、流、冰等環境參數的變化，把B平臺的環境參數作為設計標準對A平臺進行校核，發現在靜力工況下，桿件的UC值僅有微弱變化，如圖5所示，說明渤海海域常規的環境變化不是平臺結構重占比增加的主要原因。對于標準化工作來說，近年來渤海海域雖然環境更加惡劣，但對組塊結構設計無明顯影響。在設計平臺的環境選擇上，在未知具體環境參數的條件下，組塊結構設計可選用相對苛刻的環境參數。

圖5 A平臺靜力工況下桿件的UC值分布

3 結論與展望

通過對渤海海域結構重占比差距較大的A、B平臺進行差異性分析，發現結構重占比存在較大差距的主要原因在于設計方案不同；B平臺存在吊裝偏心和設備遮擋吊繩問題，需增加輔軸和立柱；吊裝跨距的增加導致B平臺主結構梁規格增加；渤海海域常規環境變化、計算方法上的差異不是引起B平臺結構重占比增加的主要原因。在平臺結構設計上，應根據平臺實際需求，合理規劃總體布置，盡量將吊點設置在主軸上，以便合理減少吊裝跨距。海上平臺標準化建設的目的在于最大限度地降本增效，減少海上平臺設計、建造、安裝周期。在設計階段，應選用規格標準化的材料，可適當降低UC值，從而控制保證材料的通用性。雖然可能造成原料成本增加，但大幅度縮減了設計、建造、安裝的周期，從而在整體上更具經濟性。