剛／柔性連接對導管架平臺振動特性影響研究

范 曉，段夢蘭，庹 鑫，侯金林，劉 洋，譚雙妮，楊 磊

（1．中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249；2．中海油研究總院，北京 100027）①

剛／柔性連接對導管架平臺振動特性影響研究

范 曉1，段夢蘭1，庹 鑫1，侯金林2，劉 洋1，譚雙妮1，楊 磊1

（1．中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249；2．中海油研究總院，北京 100027）①

海上油田二次開發時通常采取加密井網綜合調整的措施，在工程上經常會在老平臺旁建新的導管架平臺。為滿足設備和資源的共享，新老平臺有剛、柔2種連接方式，即平臺短距離直接連接或棧橋連接。分析了2種連接方式對新老平臺整體振動特性的影響，得到不同情況下適宜的連接方式，并借助SACS軟件進行工程實例驗證。

導管架平臺；剛性連接；柔性連接；振動特性

我國大部分近海油田已進入開發的中后期，為提高采收率往往會對老油田進行二次開發。加密井網綜合調整是行之有效的二次開發措施，加密井網一般會在油田上新建導管架平臺，為滿足設備和資源的共享一般會將新舊導管架平臺連接，而連接的方式主要分為剛性連接（即平臺短距離直接連接）和柔性連接（即棧橋連接）2種方式。

導管架平臺在海上長期處于復雜的載荷環境下，由外載引起的平臺振動是危害工作人員健康和平臺安全的重要因素。現階段，新老平臺間的連接形式往往由具體功能的需求來確定，很少研究連接形式對振動特性帶來的影響。

1 剛／柔性連接形式特點

1．1 剛性連接

為實現模塊鉆機在新建平臺與老平臺間的往復滑移，以滿足新老平臺鉆完井及修井的需要，并大幅度降低投資開發成本，新舊平臺連接多選擇剛性連接形式即海上平臺短距離直接連接。剛性連接形式在設計時需要考慮的因素較多，海上的作業難度高，對模塊鉆機的改造工作量較大。剛性連接形式的設計有3方面的要點：

1） 模塊鉆機改造設計。其中包括了多模塊之間所連接的管線、儀表纜、動力纜和服務臂的結構改造；同時，為了滿足鉆井作業的需要，應在新老平臺間建立臨時管堆場和貓道。

2） 定位導向樁系統設計。為了保證新老平臺各個方向軸線處在同一水平面上，新老平臺導管架部分需要利用定位導向樁系統連接過渡。

3） 組塊滑道梁設計。常規的模塊鉆機滑軌使用T型梁，而組塊部分的主梁往往為工字梁，在設計時應滿足新滑軌梁腹板與新組塊滑道梁腹板在垂直方向的一致性。

圖1為平臺短距離連接技術在綏中36-1一期及旅大5-2油田調整工程開發項目中的成功應用［1］。

圖1 渤海油田兩平臺間剛性連接形式

1．2 柔性連接

柔性連接即為棧橋連接形式，具體連接方式為在新老平臺間搭建棧橋，為保證棧橋的水平自由度，棧橋與平臺的鏈接采取一端焊接一段銷接的方式。

棧橋連接形式最大程度地保持了老平臺的力學性能，新增平臺只會向老平臺傳遞垂向的載荷，水平向的載荷可忽略不計。這樣，在新老平臺共同工作時老平臺不會因為新平臺的影響而發生危險。柔性連接設計難度小，改造量小，但新老平臺間不能進行原有設備的共享，二次開發成本較高。兩平臺棧橋連接如圖2所示。

圖2 兩平臺間棧橋連接示意

2 連接形式對平臺振動特性的影響

導管架平臺的動力平衡方程可表達為

式中：M為質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；x（t）為隨時間變化的節點位移矢量；˙x（t）為隨時間變化的節點速度矢量；¨x為隨時間變化的節點加速度矢量；F（t）為隨時間變化的節點上的外載荷矢量。

其中，質量矩陣表示模型的質量分布。在一般計算方法中，質量矩陣即將構建的自身質量、構建內部可能有的質量以及一些附加質量堆聚在各個結點或幾個關鍵結點上。一般省去單元的轉動慣量和非主振方向的質量。這樣，質量矩陣M是一個對角陣。平臺上任意的細長構件在i振動方向上的附加質量力與流體密度、浸水部分體積、桿件與i方向夾角、i方向相對加速度有關。平臺結構的剛度矩陣一般是考慮剪切的影響，決定性因素是構建的幾何特性。阻尼矩陣一般考慮為粘性阻尼，以阻尼比來表示。

在自由振動時，阻尼項可忽略不計，平臺結構的動力學方程可簡化為［2］

式中：ω為結構的固有振動頻率。

剛、柔性連接形式即通過改變導管架平臺質量矩陣與剛度矩陣來改變平臺的振動特性［3］。在實際工程計算中，剛、柔性連接對原平臺剛度矩陣影響遠小于對質量矩陣的影響。

由上述分析可推出結論：剛性連接后原平臺質量大幅增加，平臺固有振動頻率降低，加大平臺結構在環境荷載作用下的響應幅值，降低導管架平臺的安全性。柔性連接后由于僅向原平臺傳遞縱向載荷，原平臺質量變化較小，對原平臺振動特性影響較小。

3 算例

3．1 目標平臺情況概述

選取BZ34-1CEPA中心平臺為本次計算目標平臺。渤中34-1油田位于渤海中部海域，北緯39°～41°的區域內。緊鄰南部的渤中34-2／4油田，距東北的渤中28-1油氣田約22 km，屬于渤中34油田群，水深約為20 m。渤中BZ34-1CEPA中心平臺是1座集鉆修井、生產及生活為一體的12腿、12樁的綜合平臺，其樁腿為浮拖法安裝，8腿主樁＋4腿輔樁（支撐隔水套管）；共有2個井口區、40個井槽。平臺布置有3臺Solar70的透平發電機組，負責提供油田群所需電力，并處理油田群的物流。平臺設計壽命為20 a。

計劃在CEPA平臺北側新增4腿井口平臺WHPD，下文將詳細分析剛、柔性連接對CEPA平臺振動特性影響，本次計算采用SACS通用有限元計算程序。

3．2 原平臺在位振動特性與結構強度分析

根據目標平臺所處的海域參數和平臺設計之初的q-z曲線、t-z曲線、p-y曲線及詳細的設計圖紙、歷次改造文件、平臺結構具體檢測結果，利用SACS軟件對平臺結構、樁基礎、設備質量分布、載荷分布整體建模，如圖3所示。

圖3 BZ34-1CEPA平臺整體模型

BZ34-1CEPA平臺結構調整、評估、校核參照以下規范和標準：

1） API RP 2A Recommended Practice for Planning，Designing，and Constructing Fixed Offshore Platforms-21stEdition WSD，2000．

2） AWS D1．1／D1．1M Structural Welding Code-Steel，2002．

3） AISC Specification for Structural Steel Buildings—Allowable Stress Design and Plastic Design，1995．

4） DNV DNV（Det Norske Veritas）CN 30．5，2000；DNV（Det Norske Veritas）Guideline No．14，1998．

渤中BZ34-1CEPA導管架主要節點沖剪校核考慮軸向、彎曲應力組合，利用相互作用的2個方程進行節點沖剪校核。主要管節點處尺寸為?60 cm× 1．5 cm的加強段，屈服應力為355 MPa。

在極端風浪、極端冰條件下，按照API RP 2AWSD規定的基本許用應力，并增加到1．33倍，進行結構所有構件的應力校核。

考慮BZ34-1CEPA平臺正常在位時可能遇到的工況組合，對其進行平臺在位振動特性與結構強度分析。提取模型前6階陣型，如表1所示。

表1 BZ34-1CEPA平臺前6階自振頻率

導管架平臺的整體校核通常進行在位、地震、疲勞、樁基礎4個方面的校核［4］。主要標準為各處桿件、節點、樁基礎的UC值（UNITY CHECK）是否大于1，若UC值均小于1則滿足規范要求［5］。

BZ34-1CEPA平臺的主要校核結果為：在位分析中，平臺桿件、節點沖剪均滿足規范要求，其中最危險桿件為F04L-F05T，其UC值為0．93，最危險節點為L0FF，其UC值為0．97；地震分析中平臺樁基礎、桿件、節點沖剪均滿足規范要求，其中樁基礎為主要校核指標，樁基礎校核西南角主樁為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數為1．53，強度校核UC值達到0．95；選取A平臺導管架上各管節點進行疲勞校核，可得最不利節點為F028，從2012年可繼續服役49 a至2061年；樁基礎分析中，西南角主樁為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數為1．60，強度校核UC值達到0．63［6］。

3.3 剛性連接后CEPA平臺在位振動特性與結構強度分析

進行剛性連接即甲板直接連接后，CEPA-WHPD平臺整體結構如圖4所示。

圖4 CEPA-WHPD平臺剛性連接整體模型

考慮CEPA-WHPD平臺剛性連接后正常在位時可能遇到的工況組合，對其進行平臺在位振動特性與結構強度分析。提取模型前6階陣型，如表2所示。

表2 CEPA-WHPD平臺剛性連接前6階自振頻率

CEPA-WHPD平臺剛性連接后的主要校核結果［7］為：在位分析中，最危險桿件仍然為F04LF05T，其UC值為0．98，最危險節點仍然為L0FF，其UC值為1．01；地震分析中，樁基礎校核西南角主樁仍然為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數為1．43，強度校核UC值達到0．99；選取A平臺導管架上各管節點進行疲勞校核，可得最不利節點仍然為F028，從2012年可繼續服役33 a至2045年；樁基礎分析中，西南角主樁仍然為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數為1．47，強度校核UC值達到0．88。

由上述分析可知：新老平臺進行剛性連接后固有振動頻率降低，強度校核中各項結果UC值均有所升高，接近或超過規范要求的臨界值。

3.4 柔性連接后CEPA平臺在位振動特性與結構強度分析

進行柔性連接即棧橋連接后，CEPA-WHPD平臺整體結構如圖5所示。

圖5 CEPA-WHPD平臺柔性連接整體模型

考慮CEPA-WHPD平臺柔性連接后正常在位時所可能遇到的工況組合，對其進行平臺在位振動特性與結構強度分析［8］。提取模型前6階陣型，如表3所示。

表3 CEPA-WHPD平臺柔性連接前6階自振頻率

CEPA-WHPD平臺柔性連接后的主要校核結果［9］為：在位分析中，最危險桿件仍然為F04LF05T，其UC值為0．94，最危險節點仍然為L0FF，其UC值為0．97；地震分析中，樁基礎校核西南角主樁仍然為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數為1．51，強度校核UC值達到0．96；選取A平臺導管架上各管節點進行疲勞校核，可得最不利節點仍然為F028，從2012年可繼續服役47 a至2059年；樁基礎分析中，西南角主樁仍然為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數為1．59，強度校核UC值達到0．65。

由上述分析可知：新老平臺進行柔性連接后，對平臺振動特性與強度校核影響較小。

4 結論

1） 剛性連接可大幅降低油田二次開發成本，但海上施工難度高且對原平臺改造較大；柔性連接海上施工相對簡單，對原平臺改造較小但大幅提高了二次開發成本。

2） 剛性連接對平臺力學性能影響較大，新老導管架平臺進行剛性連接后，平臺固有振動頻率降低，平臺各項強度校核UC值升高。

3） 柔性連接對平臺力學性能影響較小，對平臺固有振動頻率影響幾乎可以忽略不計。

4） 對于有些校核值已經處于臨界狀態的平臺，二次開發時應進行柔性連接，以保證平臺的安全性；對于所有校核值均留有一定余量的平臺，二次開發時可進行剛性連接，降低開發成本，提高資源利用率。

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Vibration Characteristics of Jacket Platforms Influenced by Rigid and Flexible Connections

FAN Xiao1，DUAN Meng-lan1，TUO Xin1，HOU Jin-lin2，LIU Yang1，TAN Shuang-ni1，YANG Lei1
（1．College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Increasing the number of wellheads and comprehensive adjustment always use in redevelopment of offshore oilfield．The new platform always was built beside the old jacket platform in redevelopment of offshore oilfield．There are two ways to connect the old and new platform to meet the sharing of equipment and resources．Researching was carried out for the vibration characteristics of jacket platforms influenced by rigid and flexible connection to prove the conclusions with SACS．

jacket platforms；rigid connection；flexible connection；vibration characteristics

TE951

A

1001-3482（2014）05-0001-04

2013-11-27

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目“基于振動檢測的現役海洋平臺結構安全評估技術研究”（2008AA09701-3）

范 曉（1989-），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事海洋油氣工程研究，E-mail：fanxiao32＠163．com。