70 m水深主樁式導管架平臺結構設計及其技術特點

郭洪升

（中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京 100028）

1 概述

海洋石油開發工程中固定式導管架平臺是應用較為普遍的一種結構型式。在淺水區域一般采用主樁式結構，即樁由導管架主腿內打入。當水深超過60 m時，通常采用裙樁式導管架結構；而在某些海域，如果海況及工程地質等條件允許，也可以考慮采用主樁式導管架 （見圖1）。主樁式結構型式相對于裙樁式結構而言，一方面可以減輕導管架自身的重量，另一方面便于建造施工。

本文介紹了國外某項目70 m水深主樁式導管架平臺的設計理念、設計方法及特殊設計技術，旨在為類似平臺的設計提供借鑒和參考。

圖1 導管架結構型式

2 環境基礎數據及作用荷載

本文所研究平臺位于70m水深海域，土質主要為黏土，海況溫和，其風浪流等主要環境數據見表1。

表1 環境數據

該平臺為四腿四樁固定導管架，主樁式結構。上部組塊在位質量約為3 600 t，導管架在位質量約為1 800 t，其結構模型如圖2所示。

圖2 主樁式導管架平臺結構模型

導管架平臺在服役期間，會受到各種荷載的作用：固定荷載包括平臺本身結構自重、設備干重以及浮力等；活荷載包括各種移動荷載及設備操作荷載等；環境荷載主要是風、浪、流及地震所產生的相關作用力。結構設計時，需將各種荷載根據API RP 2A規范的要求進行組合，并進行各工況下的計算分析。

3 平臺結構計算分析

3.1 在位分析

平臺在位分析包括靜力分析、地震分析、波浪疲勞分析、船撞分析以及局部設計等。

3.1.1 靜力分析

靜力分析中，需要對結構在一年一遇及百年一遇環境荷載作用下的強度進行校核。由于該平臺自振周期接近3 s，因此應考慮波浪動力因素的影響。工程上可以采用兩種方法得到動力放大系數DAF，一種是用準靜態分析方法，另一種是用頻域或時域方法。在準靜態方法中，通過計算平臺自振特性并根據以下公式可求解動力放大系數：

式中Tp——平臺自振周期；

Tz——波浪周期；

β——臨界阻尼，可取2%。

使用SACS軟件的DYNPAC模塊計算出平臺前兩階自振周期Tp1、Tp2，分別求出相應的DAF1及DAF2，并根據不同波浪方向θ計算出相應的動力放大系數：

由動力響應分析方法可求出平臺的動力響應值，而動力放大系數DAF=動力響應值/靜力值。求出的動力放大系數可作為組合系數，將波浪荷載與其他荷載組合成相應的工況進行計算分析。

進行樁基校核時，除上部組塊已知荷載外，還需要考慮兩個因素：一是業主將來有可能對平臺進行改造，因此可根據業主的具體要求考慮5%～10%額外的上部組塊重量作為預留；另一個是考慮將來施工或作業期間有可能發生上部組塊的重心偏移，偏心范圍可視為一個四邊形，四邊形尺寸取10%上部組塊長度及寬度，并且不小于2 m×2 m。具體計算可采用施加力偶的方式使重心產生偏移。

平臺除滿足結構強度方面的要求外，還應滿足位移方面的要求：一年一遇操作工況下，平臺最大側向位移應小于H/200，其中H為最高層甲板頂標高至泥面的垂向距離。功能性荷載 （不包括意外荷載及環境荷載）作用下的樁頭最大位移應小于D/10（其中D為樁徑），且黏土中最大位移為20 cm，砂土中最大位移為10 cm；如果樁頭位移大于D/10，則應考慮P-delta效應。

3.1.2 地震分析

根據API RP 2A WSD （2007）的要求，需要根據強度水平地震加速度 （SLE）的取值對結構進行地震工況下的強度校核。為便于工程使用，本文結合API相關規定，總結了地震譜疲勞的計算分析流程，如圖3所示。

圖3 地震分析流程

由于本項目平臺所在海域強度水平地震加速度為0.09 g<0.10 g，因此可不進行韌性水平校核，而直接用韌性水平地震加速度0.16 g進行強度水平校核；同時，節點沖剪校核可采用實際計算荷載，而不必采用桿件的拉伸屈服應力及壓縮屈曲應力。

地震分析中，地震力的選取是應該注意的一個問題。在進行動力響應分析時，地震力應取1.0倍靜荷載與1.0倍動荷載的組合，并對桿件強度及節點沖剪進行校核；而在對樁基礎進行單樁應力校核時，根據API RP 2A LRFD公式，地震力應為 （1/1.0）×（1.1×靜荷載+0.9×動荷載），這時應再次求解動力響應，并根據求得的樁頭力進行單樁分析。

3.1.3 波浪疲勞分析

波浪疲勞分析方法有兩種：簡化疲勞分析和譜疲勞分析。簡化疲勞分析需要業主提供合適的可用于疲勞校核的波浪參數 （具體的波高、波周期），但這種參數往往很難得到。因此在實際工程中，一般做法是根據平臺作業海域的波浪周期聯合概率分布，進行詳細譜疲勞分析。用于計算的波浪分布是從大量波浪數據中統計出來的，因此更接近實際波浪分布，疲勞分析結果也更加準確合理。

疲勞分析中，傳遞函數的確定對于最終結果是否準確有重要影響。在選擇周期時，應注意以下幾點：

（1）周期的選取范圍可參考波浪周期聯合分布中的波浪周期范圍。

（2）應選取傳遞函數的波峰及波谷點對應的周期值。

（4）生成的傳遞函數曲線應光順。

API RP 2A WSD（2007）根據桿件檢修的難易程度，對有人平臺的疲勞壽命安全系數提出了不同于以往版本的規定，如表2所示：

表2 疲勞壽命安全系數

本項目根據API規范的要求結合導管架不同部位檢修的難易程度，確定了相應的安全系數，如圖4所示。

圖4 不同部位的安全系數

由于其他在位分析如船撞分析、組塊對接分析等與通常做法一致，本文不再贅述。

3.2 施工分析

施工分析包括裝船分析、拖航分析、扶正分析、吊裝分析及樁的安裝分析等。

3.2.1 裝船分析

本項目中使用小車 （TRAILER）對導管架進行裝船，如圖5、6所示。與傳統的滑移裝船方式相比，這種方式有兩個優點：一是由于可節約滑靴建造等輔助施工機具的人工成本，從而降低施工費用和縮短工期；二是可節約裝船過程時間，因此在國外項目中得到廣泛使用。

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圖5 本項目中的裝船分析方案示意

圖6 小車 （TRAILER）在結構裝船中的應用

使用小車 （TRAILER）進行裝船時，需要對結構進行兩方面內容的校核：一是結構在水平荷載及垂向荷載作用下的強度校核；二是結構在裝船過程中的穩性校核，即是否會發生結構傾覆。

3.2.2 拖航分析

拖航分析主要是校核導管架結構在海上運輸過程中的強度是否滿足規范要求。計算時應考慮最不利的條件，即將結構放在船尾，使之承受最大的縱搖力。運輸過程中船舶運動主要考慮橫搖、縱搖及垂蕩，其他如橫蕩、縱蕩及艏搖可以忽略不計。如果沒有詳細的駁船運動參數，可取橫搖角為±20°，縱搖角為±12.5°，垂蕩±0.2 g，并考慮各項運動之間組合對結構的影響。

根據實際施工過程，具體計算過程可分為以下三個步驟：

（1）導管架在剛裝上船時，僅垂向固定，沒有斜向固定支撐，此時只受重力作用。

（2）連接所有拖航中的綁扎固定，計算結構在拖航過程中所受到的風力及慣性力。

（3）將第1步及第2步的力進行組合，校核結構強度。

3.2.3 扶正分析

本項目進行導管架施工時，首先需將導管架水平吊裝入水，然后進行扶正。根據導管架重量及重心位置，并考慮平臺某井口需要回接，確定采用雙鉤單吊進行扶正，該方案具有以下特點：

（1）與裙樁式導管架相比，主樁式導管架儲備浮力小，重心位置偏高。因此，為了滿足儲備浮力要求以及扶正過程中對橫搖角的控制，分別在A軸和B軸設置輔助浮筒，以調整導管架在扶正過程中的運動狀態。

（2）在扶正過程中，主鉤連接4個水平吊裝吊點，副鉤與導管架頂部4個扶正吊點相連，通過依次調節主鉤和副鉤的高度，完成導管架的扶正過程。

經過計算得到的穩性高度GM＞1.0 m，泥面間隙＞3.0 m，滿足相關規范要求；扶正過程中最大吊繩力滿足所使用浮吊的能力要求，且導管架強度也滿足設計規范要求。

3.2.4 樁的安裝分析

樁的安裝分析包括樁的吊裝強度分析、自由站立分析、樁的可打入性分析及打樁疲勞分析等。雖然本項目平臺所在海域水深為70 m，但采用4根主樁就可以承受設計荷載，因此無需采用裙樁的結構型式。本項目中樁直徑為1524mm，入泥為95m，樁的總長度達到170 m左右。在詳細設計階段，根據浮吊的吊裝能力以及自由站立分析的計算結果，對樁進行了合理的分段；并通過可打入性分析計算，確定樁可以打入到設計入泥深度。由于樁從主腿內打入，因此只需進行水上打樁作業，這種方式相對于采用裙樁的水下打樁，大大降低了施工難度；同時不需要進行復雜的裙樁套筒設計，使結構設計更簡單。

4 特殊設計技術

4.1 密封裝置設計

本項目中導管架采用吊裝下水、浮吊輔助扶正的安裝方式，因此為提供扶正過程中的結構浮力，導管架主腿需要進行密封。主腿底部密封采用特制的橡膠裝置，此種裝置出廠時需進行密封性試驗，其成本較高，單價為2萬美元左右。為降低成本，導管架主腿頂部采用了鋼結構密封，如圖7、8所示，并在導管架扶正就位之后、打樁之前進行割除。

4.2 登船平臺及靠船護舷的設計

本項目中導管架登船平臺的設計主要有以下特點：

圖7 主腿底部所采用的密封裝置

圖8 主腿頂部所采用的密封裝置

（1）安裝高度可調。為補償導管架安裝時由于水深測量或施工過程中可能產生的標高誤差，登船平臺設計為安裝高度可調節的形式。

（2）分三部分組合安裝。為實現登船平臺的安裝高度可調，并便于導管架的運輸和安裝作業，登船平臺整體結構分三個部分：下部支撐結構 （直接焊接在導管架腿上，并提供安裝導向）、上部支撐結構 （底部及側面的管段留有安裝裕量，實現高度調節）、外側登船平臺 （設置護舷、登船直梯及走道）。

（3）采用壓縮型護舷和剪切型護舷組合的設計形式。本項目中采用壓縮型護舷和剪切型護舷組合的形式，如圖9所示，根據平臺操作要求，護舷與導管架腿之間采用焊接或螺栓兩種連接形式。有鉆井平臺作業的一側兩個防撞護舷設計為螺栓連接，待鉆井作業完成后安裝，避免與鉆井平臺之間發生干擾。

4.3 臨時鉆井甲板設計

由于上部組塊的建造周期較長，為縮短施工工期從而實現提前鉆井，本項目采用了臨時鉆井甲板（如圖10所示），與導管架同時建造施工。

5 結束語

在海洋石油開發中，雖然中淺水固定導管架平臺的設計技術比較成熟，但如何在保證平臺安全的前提下結合具體的環境條件、作業條件及施工條件進行經濟合理的結構設計始終是設計人員重點關注的問題。本文通過對國外某70 m水深主樁式導管架平臺在位分析及施工分析中不同于常規設計的內容介紹，可為國內類似平臺的設計提供參考。

圖9 平臺護舷

圖10 臨時鉆井甲板

[1]API RP 2A-WSD 2007，Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design[S].