較深水導管架隔水套管懸掛平臺的研制及工程應用

李　凱，于文太，魏佳廣，劉吉林，邵亮亮，王　楊.海洋石油工程股份有限公司，天津30045.中海油安全技術服務有限公司，天津300456

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較深水導管架隔水套管懸掛平臺的研制及工程應用

李凱1，于文太1，魏佳廣1，劉吉林1，邵亮亮1，王楊2
1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452
2.中海油安全技術服務有限公司，天津300456

摘要：由于受到導管架平臺頂水平層強度、作業水深、吊高、隔水套管強度、自由站立等因素的限制，東方1- 1WHPF導管架首節隔水套管不能直接入泥，需懸掛在導管架上進行首節和第二節隔水套管的組對焊接工作，而導管架頂水平層強度不足，使得海上工程進度受阻，因此需根據其結構特點設計隔水套管懸掛平臺，以提高導管架頂水平層強度。通過對東方1- 1項目WHPF導管架隔水套管的力學分析及根據導管架EL.+7.5 m水平層強度及結構特點，設計了安裝在導管架平臺上的隔水套管懸掛平臺，并利用ANSYS軟件對其進行三維建模，分別對預掛2、3、4根φ 762 mm（4節）隔水套管的懸掛平臺進行結構強度分析，確定了合理的設計、安裝、使用方案。工程應用表明，導管架平臺安裝了隔水套管懸掛平臺后，解決了平臺水平層懸掛強度不足的問題，懸掛的隔水套管數量增加到了4根，明顯地提高了隔水套管安裝作業效率，節約了船天數。

關鍵詞：導管架；隔水套管；安裝；懸掛平臺；數值模擬

1　問題的提出及分析

東方1- 1WHPF較深水導管架隔水套管的安裝，由于首節甚至第二節隔水套管長度不夠，不能入泥，需要預掛在導管架的頂水平層上進行施工，因此首先需要研究在不同的環境條件下導管架頂層甲板的強度情況［1- 2］。

在首節隔水套管的安裝過程中，如果頂水平層受自身強度的限制不能夠滿足較大數量的隔水套管預掛要求，將會嚴重影響作業效率。通過采用結構加強等方式，可使頂水平層強度滿足預掛足夠數量隔水套管的要求。

利用有限元軟件分析導管架EL. + 7 500 mm層結構強度，并對EL. + 7 500 mm層懸掛直徑762 mm隔水套管的情況進行數值模擬，考慮隔水套管第一、二節同時懸掛，且分別懸掛1、2、3、4根隔水套管的情況，并考慮各個方向的風、浪、流等海況條件的約束［3- 4］（風速24.1 m/s；浪的最大波高9.9 m，最大波周期8.7 s；流的表面、中層、底層流速分別為118.7、102、78.7 cm/s）。

導管架隔水套管的懸掛結構模型見圖1，其計算的邊界條件見圖2。

圖1　東方1- 1WHPF導管架結構模型

圖2　邊界條件

計算結果表明：當懸掛1根隔水套管時，承載隔水套管的水平桿件剪切應力超值；當懸掛2根隔水套管時，所有桿件應力比值UC值均＞1（Unity Check，即單元應力校核值，為工作應力與許用應力之比）；當懸掛3根隔水套管時，EL.+ 7 500 mm水平層的主梁桿件應力超值。因此，導管架EL. + 7 500 mm水平層井口區強度不滿足懸掛1根隔水套管的要求（考慮沖剪力），有必要設計獨立的隔水套管懸掛平臺，以承擔所有的懸掛載荷并轉移載荷至導管架腿，即主要用于克服水平面的環境載荷。

為解決生產項目中出現的實際問題，提高隔水套管的安裝作業效率，計劃在EL.+ 7 500 mm水平層上方設計制作一個專門用于懸掛隔水套管的平臺，強度至少要能夠滿足4根首節和第二節隔水套管懸掛載荷的要求。

2　懸掛平臺的設計、安裝及使用

根據導管架EL.+ 7 500 mm水平層井口區強度不滿足懸掛1根隔水套管（考慮沖剪力）的特點，設計了EL.+ 9 300 mm井口預掛平臺（可預掛4根隔水套管），并考慮避讓泵護管、灌漿管道接頭及法蘭等其他干涉物。隔水套管預掛平臺的設計及制作見圖3、圖4。

圖3　懸掛平臺結構示意

懸掛平臺設計思路：懸掛平臺以H1200×400型鋼作為主結構桿件搭接在導管架頂水平層上，型鋼還可起到X、Y方向的定位作用；懸掛平臺井口區采取每個井口放置4塊16 mm×548 mm筋板的布置及懸掛形式，以懸掛隔水套管，并起到支撐限位作用；另外，考慮到導管架井口區的結構干涉，設計了如圖3所示的結構形式，可保證懸掛平臺的操作方便和順利安裝。

懸掛平臺的安裝及使用方法：利用浮吊資源吊裝懸掛平臺到導管架頂水平層，并在設計位置就位。隔水套管的安裝可按以下順序操作：隔水套管插入懸掛平臺的井口區→EL. + 7 500 mm井口區→EL. - 1 100 mm井口區→EL.- 3 500 mm井口區→EL.- 50 000 mm井口區→防沉板，而后預掛在懸掛平臺層上進行第二節或第三節隔水套管的接長。設計的懸掛平臺結構簡單，施工難度低，便于連接操作，可為項目節省大量的費用。

圖4　懸掛平臺的局部結構示意

3　懸掛平臺的計算分析

按照最危險的工況，對在懸掛平臺同側同時懸掛4根隔水套管（包含第一、二節）的情況進行強度分析，所受的載荷主要包括懸掛平臺重力和4根隔水套管重力。

隔水套管規格：第一節φ762 mm×25 mm× 50 m，質量22.7 t；第二節φ762 mm×25 mm× 40.5 m，質量18.4 t。吊索質量7 t。每根隔水套管的支撐載荷為471 380 N。

為抵抗懸掛平臺所受的剪切力，隔水套管懸掛點設置了剛性梁，設計載荷包括懸掛隔水套管和索具的重力48.1×9.8 = 471.38（kN）（即剛性梁所受的載荷F），剛性梁的厚度16 mm，高度548 mm，受剪切力作用的面積A = 548×16 = 8 768（mm2），剛性梁所受的剪切應力σ=F/A=53.76 MPa≤0.4 FY= 142 MPa，FY為材料的屈服強度。上述對剛性梁的懸掛分析表明，剛性梁能滿足懸掛隔水套管的強度要求。

4　懸掛平臺的有限元分析

懸掛平臺實際所受的載荷為壓力、剪力、彎矩等沖擊載荷，利用ANSYS軟件對其進行三維建模，分別對預掛2、3、4根φ762 mm（4節）隔水套管的懸掛平臺進行結構強度分析。根據隔水套管組合建立計算模型，上端邊界橫向約束位移，軸向自由伸縮但承擔井口載荷，利用SOLID45單元模擬土層部分，定義材料為DP模型，SHELL43模擬各層套管結構，定義材料為理想彈塑性［5- 6］，邊界條件見圖5。有限元分析結果見圖6～8。

圖5　導管架和隔水套管懸掛平臺分析模型

圖6　懸掛平臺主結構應力云圖/MPa

有限元分析結果表明：

（1）懸掛平臺所有桿件和節點的UC值均＜1，滿足強度要求。

（2）隔水套管懸掛平臺的主要結構應力值不超過0.6 FY（213 MPa），某些局部應力值超過了0.6 FY，但小于FY（355 MPa）；EL. + 7 500 mm水平層①軸某些管狀桿件的局部應力值超過了0.6 FY，但也不超過FY，主要原因是管道壁厚只有13 mm。

圖7　EL.+ 7 500 mm水平層管道梁支撐結構應力云圖/MPa

圖8　懸掛平臺剛性梁局部應力云圖/MPa

（3）針對懸掛平臺結構形式進行了兩種工況的模擬：按與導管架接觸形式分為剛性梁環形接觸和非環形接觸。從分析結果可以看出剛性梁環形接觸結構對降低局部應力和撓度起著重要的作用，而且提高了安全余量。總之，懸掛平臺可以承受4根隔水套管同時懸掛的工況。

5　工程應用

東方1- 1氣田位于南海北部灣鶯歌海海域，距海南省鶯歌海鎮約100 km，距東方縣113 km。油田海域水深63.5 m，導管架規格30 m×26 m×71 m，質量約為2 683 t；四腿八裙樁，鋼樁長度115.5 m，直徑2 134 mm，入泥93 m；隔水套管為φ762 mm （16根×4節），第一根隔水套管長70 m，質量16 t，入泥70 m；利用龍喜D100錘打樁、藍鯨號海上安裝懸掛平臺和隔水套管。

東方1- 1項目WHPF導管架+ 7.5 m水平層預掛強度僅能承受一根隔水套管的一、二節預掛重力，為此需增強水平層預掛強度，專門設計了隔水套管預掛平臺，預掛平臺規格為14.8 m×15.6 m×1.8 m，質量約為45 t，見圖9。

圖9　預掛平臺加工制作

導管架平臺安裝了隔水套管懸掛平臺后，解決了平臺水平層懸掛強度不足的問題，懸掛的隔水套管數量增加到4根，明顯提高了作業效率，節約了船天數。

6　結束語

在導管架平臺的海上安裝過程中，由于水深、吊高、隔水套管強度、自由站立等原因的限制，施工進度會受到嚴重的影響。因此應根據平臺結構的具體形式、施工現場的情況、現有的設備技術等條件有針對性地采取一些改進措施。

通過在東方1- 1WHPF導管架平臺上設計、安裝隔水套管預掛平臺，解決了該導管架平臺在隔水套管安裝過程中，因平臺預掛首根隔水套管強度不足，而顯著降低隔水套管作業效率的問題。本項目研制的隔水套管預掛平臺的成功應用，大大提升了海上平臺隔水套管的安裝進度，顯著減少船舶待機等的施工時間，對提高海上工程施工效率等具有重要的現實意義。

參考文獻

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Development and Engineering Application of Suspension Platform in Deepwater Jacket for Hanging Riser

LIKai1，YU Wentai1，WEIJiaguang1，LIU Jilin1，SHAO Liangliang1，WANG Yang2
1. COOEC Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China
2. CNOOC Safety &Technology Services Co.，Ltd.，Tianjin 300456，China

Abstract：Owing to the limits of top horizontal layer strength of DF1- 1 WHPF jacket platform，its operation water depth，hoisting height，riser strength and free standing，the first riser segment could not penetrate into soil. It needed to enhance the top horizontal layer strength of the jacket，so that the first riser segment could hang in the jacket and weld with the second riser segment. Based on the mechanical analysis of WHPF jacket and structural characteristic of the EL.+7. 5 m layer of the jacket，the suspension platform installed in the jacket for hanging riser was designed and its 3D model was established with ANSYS software. The structural strength analyses of the suspension platform hanging 2，3 and 4 risers of φ 762 mm respectively were conducted and rational schemes of design，installation and application were determined. The engineering application shows that the suspension platform has enough strength and can hang 4 risers，and the efficiency of installing riser is raised greatly.

Keywords：jacket；riser；installation；suspension platform；numericalsimulation

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.004

作者簡介：

李凱（1985-），男，天津人，工程師，2008年畢業于天津大學海洋工程專業，現主要從事海洋石油平臺等設施安裝設計及相關技術研究工作。Email：likai@mail.cooec.com.cn

收稿日期：2015- 11- 25；修回日期：2016- 01- 03