三樁筒型基礎平臺的結(jié)構和拖航穩(wěn)性分析與應用

付小麗,萬 軍,曲兆光

(1.中國石油集團海洋工程有限公司,天津 300280;2.中海石油(中國）有限公司天津分公司,天津 300452）

三樁筒型基礎平臺的結(jié)構和拖航穩(wěn)性分析與應用

付小麗1,萬 軍2,曲兆光2

(1.中國石油集團海洋工程有限公司,天津 300280;2.中海石油(中國）有限公司天津分公司,天津 300452）

以渤海灣應用的典型三樁筒型基礎為例,通過結(jié)構靜力分析和拖航穩(wěn)性分析,推導出結(jié)構浮運重量與吃水對應關系,為結(jié)構設計和浮運施工方案提供理論依據(jù)。現(xiàn)場施工證明了計算分析的正確性,并對渤海近年該典型結(jié)構海上成功應用實例進行介紹,以期開闊工程技術人員海上簡易平臺設計思路,為極淺海海洋工程技術提供有益參考。

三樁筒型基礎;火炬樁;靜力平衡;初穩(wěn)性

我國渤海灣極淺海的邊際油田屬于陸相油藏,油藏儲量分散、地質(zhì)復雜,并且渤海海洋氣候環(huán)境多變,開發(fā)難度非常大,若采用常規(guī)開發(fā)模式,投資大、風險高、經(jīng)濟收益低。隨著工程技術水平的提高和新技術的應用,許多以前難以開發(fā)的小型邊際油田逐步得以開發(fā)利用。筒型基礎技術就是眾多新技術成功應用于邊際油田開發(fā)的典型實例。

根據(jù)不同工程使用要求和工程地質(zhì)條件,筒型基礎可分為單筒結(jié)構、三筒結(jié)構、四筒結(jié)構等。如圖1所示,渤海灣極淺海區(qū)域人工島所使用的火炬樁,由于其獨立于島外,島體整體布局不受影響。該火炬樁為三樁筒型基礎結(jié)構。

圖1 人工島火炬樁布置示意Fig.1 Man-made island suction pipe foundation

本文以火炬樁筒型基礎為例,對結(jié)構、拖航穩(wěn)性、座底穩(wěn)性進行了計算分析。筒基結(jié)構一般由三個直徑為2.5～9 m、高3～10 m的筒型結(jié)構組成,各筒之間由空間鋼架結(jié)構或箱型結(jié)構連接,構成三角形基礎結(jié)構。該基礎在拖航過程中,筒基內(nèi)氣體提供一定的浮力。如果筒基結(jié)構自身浮力不能滿足結(jié)構浮運吃水要求,可額外增加筒基內(nèi)氣體壓力或浮筒,以滿足筒型基礎結(jié)構浮運吃水和穩(wěn)性要求。該基礎可采用海上漂浮拖航和負壓下沉技術進行海上拖航和海底貫入施工。

為了保證筒型基礎的結(jié)構強度和拖航就位時安全可靠,我們采用海洋工程分析軟件進行結(jié)構強度和剛度校核、采用船舶穩(wěn)性原理進行穩(wěn)性分析、采用等體積壓縮原理和浮體靜力平衡原理計算結(jié)構重量和吃水的關系,從而為工程設計與施工提供可靠理論依據(jù)。

1 結(jié)構分析

1.1 結(jié)構模型建立

以火炬樁結(jié)構為例,筒基用空間鋼架結(jié)構連接,根據(jù)結(jié)構特性,通過剛度和質(zhì)量的等效處理,用等尺寸圓形截面的梁單元對結(jié)構進行模擬簡化,將筒基模擬成強構件單元。

有限元模型如圖2所示,確定其基本的有限元力學模型,模型共33個節(jié)點,77個三維梁單元。計算時綜合考慮浮體結(jié)構在拖航和座底就位后受環(huán)境荷載和上部設備載荷作用的影響。

圖2 有限元結(jié)構模型Fig.2 Finity element structure model

1.2 計算結(jié)果與分析

根據(jù)《海上固定平臺設計與建造技術規(guī)范》[1]、《鋼結(jié)構設計規(guī)范》[2]和《Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design》[3]AISC S335規(guī)定,承受拉壓和彎曲荷載的構件,其強度σ按式(1）計算:式中:N為構件所受內(nèi)力;A為構件截面積;M為構件所受彎距;W為構件剖面模數(shù)。

結(jié)構選用屈服強度為235～250 MPa的材料,其結(jié)構許用應力[σ]值141～150 MPa,結(jié)構構件計算結(jié)果見表1和表2。

表1 計算結(jié)構最大名義應力值Tab.1 Structure maximum nominal stress calculation

表2 計算結(jié)構最大內(nèi)力值Tab.2 Structure maximum internal force calculation

從表1中計算結(jié)果可知,結(jié)構上所有節(jié)點構件的名義應力值小于材料的許用應力,主要節(jié)點沖剪應力滿足規(guī)范要求。由表2中計算結(jié)果可知,構件內(nèi)力值都很小,火炬樁結(jié)構強度儲備大,筒型基礎結(jié)構上各點的位移變形值都在允許范圍之內(nèi),最大位移發(fā)生在結(jié)構的中心處,在結(jié)構剛度、穩(wěn)性滿足規(guī)范要求的情況下,該結(jié)構材料尺寸可根據(jù)計算結(jié)果和規(guī)范有關要求適當減小,以降低材料成本,這里不再詳述。

2 穩(wěn)性分析

我們根據(jù)《船舶靜力學》[4]中穩(wěn)性計算理論進行穩(wěn)性計算,按照《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》[5]對其進行底座穩(wěn)性分析。

2.1 重心計算

在分析結(jié)構初穩(wěn)性之前,我們首先要確定浮體的重心位置,根據(jù)結(jié)構的重量分布和結(jié)構尺寸,整個浮體結(jié)構的重心Z的豎坐標按式(2）計算:

式中:G為筒基總重量;gi為筒基各部分的重量;Zi為與gi相對應的重心豎坐標。

2.2 穩(wěn)性分析

2.2.1 初穩(wěn)性

根據(jù)船舶理論,初穩(wěn)性也稱小傾角穩(wěn)性,即傾角小于5°或上甲板邊緣開始入水前的穩(wěn)性。我們假設筒基上部為甲板,按照船舶等體積傾斜原理分析初穩(wěn)性,以傾覆力矩最大方向來計算初穩(wěn)性,即在小角度傾斜時,恢復力矩與初穩(wěn)性高度或傾斜角均可近似成線性關系,此時的恢復力矩也是最小值。如果該方向初穩(wěn)性是穩(wěn)定的,如圖3所示,則浮體結(jié)構對于其它任何方向的傾斜都是穩(wěn)定的,如式(3）。恢復力矩亦同,如式(4）。

式中:h0為初穩(wěn)心高度;r為初穩(wěn)性半徑;a為浮心與重心間距。

式中:K為穩(wěn)性衡準數(shù);M恢為恢復力矩;M傾為傾覆力矩。

由計算可知,兩參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

圖3 穩(wěn)性示意Fig.3 Sketch map of stability

2.2.2 座底穩(wěn)性

當結(jié)構拖航就位時,考慮海床地質(zhì)條件影響以及風、浪、流荷載和浮力的作用,座底穩(wěn)性計算如式(5）。

式中:Wo為減去浮力后的結(jié)構重量;Yo為Wo對傾覆軸的水平距離;Mzq為作用在結(jié)構上傾覆力矩的總和。

由計算可知,結(jié)構座底穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。“移動規(guī)范”要求,作業(yè)工況時 Kzq≥于1.5;自存工況時Kzq≥1.3。

3 拖航吃水分析

該結(jié)構拖航時,筒基倒扣在水中,浮力來源于筒內(nèi)被壓縮空氣,筒內(nèi)氣體高度可按等體積氣體壓縮原理來計算,然后再根據(jù)浮體靜力平衡原理計算筒基的吃水。

3.1 靜力平衡原理和計算公式

以在入水前和入水后的單筒內(nèi)氣壓變化為例,分析和計算筒基的重量與吃水的關系,其原理如圖4,計算式如式(6）～式(8）。

式中:P0為標準大氣壓;H0為浮筒高度;P1為浮筒內(nèi)壓縮氣體壓強;H1為浮筒內(nèi)壓縮氣體高度;Δh為浮筒內(nèi)外水高度差;r為海水密度;T為浮體吃水。

圖4 吃水分析原理Fig.4 Schematic diagram of draft analysis

3.2 結(jié)構重量與吃水關系

由式(6）～式(8）推導出結(jié)構重量與吃水關系式(9）:

式中:W為筒基重量;S為筒基截面面積;其余參數(shù)同上。

根據(jù)式(9）,計算并繪制出不同筒基重量與吃水關系的理論計算值,并做出關系曲線,見圖5。

在實際拖航中,筒基重量5t,實際吃水測量值為1.29 m。從圖中我們可看出,理論計算和實際吃水值結(jié)果相吻合。此分析適用于筒基平臺結(jié)構重量不大的情況。如果平臺結(jié)構重量大于筒基提供的浮力,可采用增加浮筒方式或增加筒基內(nèi)氣壓的方式來解決。

圖5 重量與吃水關系Fig.5 Relationship between weight and draft

4 應用

由于三樁筒型基礎結(jié)構簡單、適應性強、造價低、施工方便,無需大型配套海上施工資源,已被廣泛應用。例如火炬燃燒器、靠船設施、護管護纜平臺、無人井口平臺等。

4.1 火炬樁

較早運用此結(jié)構的張巨河人工島火炬樁位于張巨河人工島西北100 m處,該地區(qū)屬于不規(guī)則半日潮,水深一般在0～3 m左右。該結(jié)構由三個直徑為2.5 m、高3 m的筒型結(jié)構組成,各筒之間由空間鋼架結(jié)構連接構成等邊三角形基礎結(jié)構(圖6）。這種結(jié)構形式施工快速有效,不需大型工程設備。在下沉就位后采用負壓貫入技術,將筒內(nèi)空氣和水排空,在重力作用下貫入土層,通過調(diào)節(jié)各筒排水排氣量,調(diào)整下沉姿態(tài)和速度,使結(jié)構均勻下沉,再通過清淤將結(jié)構均勻貫入到設計深度。該方法快速簡單,不需大型施工機具和打樁,施工費用低,很好地解決了不同水深運移和施工定位的難題。

圖6 火炬樁三維模型Fig.6 3D model of burner boom pile

4.2 系纜平臺

系纜平臺應用在渤海遼東灣,該地區(qū)水深一般在5～7 m。該結(jié)構由三個直徑為4 m、高5 m的筒型結(jié)構組成,在各筒基上部用空間圓管鋼架結(jié)構構成等邊三角形基礎結(jié)構(圖7）。上部主柱直徑1.5 m。基礎上部平臺設置系纜機構,供船只靠泊系纜用,平臺上部通過棧橋與其它平臺連接。

圖7 系纜平臺三維模型Fig.7 3D model of dolphin platform drawing

4.3 無人井口平臺

無人井口平臺應用在渤海遼東灣,是渤海第一座采用筒型基礎結(jié)構形式的無人井口平臺。該地區(qū)水深一般在5～7 m。該結(jié)構由2個直徑約為6 m、高7.5 m和1個直徑約為7 m、高7.5 m的筒型結(jié)構組成,各筒之間由三角形的鋼制箱型梁結(jié)構連接構成(圖8）。主柱直徑約1.6 m,但主柱沒有布置在結(jié)構中心,而是位于直徑較大的一個筒基結(jié)構上。主柱裝有抗冰結(jié)構,上部平臺甲板上可放置修井機進行修井作業(yè)。

圖8 無人井口平臺三維模型Fig.8 3D model of unmanned well platform

5 結(jié)束語

通過以上理論計算分析和工程實例的成功應用,可以總結(jié)出以下結(jié)論:

(1）與單樁結(jié)構相比,三樁筒型基礎結(jié)構優(yōu)點是在泥面處的結(jié)構剛性更好,可以承受更大的環(huán)境荷載,更適應渤海極淺海淤泥層較厚的地基條件。

(2）三樁筒型基礎結(jié)構形式簡單,施工方便,不需要大型海上施工機具設備和打樁設備,適應性強,可重復使用;同時由于是獨立的火炬系統(tǒng),使得平臺總體布置不受其影響,設計更靈活,因此其綜合經(jīng)濟效益更好。

(3）拖航時,需要注意筒體內(nèi)氣體壓力值應滿足浮體靜力平衡條件,以防在拖航中發(fā)生漏氣可能性,選擇理想氣候窗進行海上施工作業(yè)。

(4）在上述實例中,因火炬樁結(jié)構重量輕,筒體自身可提供足夠的浮力;如果結(jié)構重量過大,筒體自身不能提供足夠的浮力,則采用增加浮筒方式滿足拖航吃水要求。

(5）由冰荷載引起的結(jié)構振動問題,目前還沒有好的辦法解決。

[1]中國船級社.海上固定平臺入級與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2005:32-34.

[2]張啟文,夏志斌,黃友明,等.鋼結(jié)構設計規(guī)范(GB50017—2003）[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003:17-22.

[3]James M Fisher,Roger E Ferch,Hansraj G Ashar,etc.Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design[R].American Chicago,Illinois,American Institute of Steel Construction,INC.(AISC）S360 2005:400-405.

[4]盛振邦,楊尚榮,陳雪深.船舶靜力學[M].上海:上海交通大學出版社,1992:19-35.

[5]中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2005:131-140.

Analysis and application of three-suction pipe foundation platform structure and towing stability

Fu Xiaoli1,Wan Jun2,Qu Zhaoguang2

(1.CN PC Of fshore Engineering Company Ltd.,Tianjin 300280;2.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin 300452）

Taking the typical three-suction pipe foundation applied in Bohai Bay as an example,its structure towing stability,and foundation stability was calculated and analyzed.Based on it,the correspondence relationship between structure’s floating weight and draft was derived,and provided a theoretical basisfor the structural design and construction plan of floating.Meanwhile,the successful application instances of this typical structure in Bohai Bay in recent years are introduced in order to expand design ideas of minimum platforms and provide useful information for the application of offshore engineering technology in extreme shallow water.

three-suction pipe foundation;burner boom pile;static balance;stability

P752

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.100

1008-2336(2011）01-0100-05

2010-10-18;改回日期:2010-12-23

付小麗,女,1971年生,鉆井工程師,1994年畢業(yè)于西南石油大學海洋石油工程專業(yè),現(xiàn)從事海上鉆井專業(yè)工作。E-mail:fuxl.cpoe@cnpc.com.cn。