淺談海上采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫新濤（太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心，天津?yàn)I海新區(qū)300457）

淺談海上采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫新濤（太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心，天津?yàn)I海新區(qū)300457）

對(duì)于我國(guó)的海洋生產(chǎn)行業(yè)而言，海上采油平臺(tái)有著重要地位，是海洋生產(chǎn)過(guò)程中的主要組成部分，其設(shè)計(jì)安全不但涉及經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還會(huì)影響著海洋環(huán)境、操作人員生命安全以及平臺(tái)的管理效果。本文主要針對(duì)海上采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

海上；采油；平臺(tái)；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1 引言

在各類(lèi)能源中，石油的應(yīng)用極為廣泛，石油開(kāi)采近年來(lái)逐漸從陸地轉(zhuǎn)移至海洋上，因此做好海上采油的相關(guān)研究具有必要性。為了保證海上采油工作順利的進(jìn)行，需加強(qiáng)海上采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，以確保采油工作的安全、順利進(jìn)行。

2 海上采油平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及思想分析

當(dāng)前，我國(guó)陸地的石油資源逐漸不能滿足社會(huì)需求，加強(qiáng)海上石油開(kāi)采勢(shì)在必行。但是，海洋和陸地不同，其環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，存在諸多不確定因素，所以必須要做好海上采油平臺(tái)的構(gòu)建，制定合理的設(shè)計(jì)方案，確保海上采油工作順利的開(kāi)展。

2.1 海上采油平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

平臺(tái)設(shè)計(jì)常用的設(shè)計(jì)方法有以下幾種：①母型設(shè)計(jì)，此種方法是仿照母型平臺(tái)的設(shè)計(jì)，選取已建成并成功投入使用的平臺(tái)作為母型設(shè)計(jì)；②規(guī)范設(shè)計(jì)，此種方法是根據(jù)各國(guó)的船舶檢驗(yàn)局或者相關(guān)規(guī)范要求做好設(shè)計(jì)工作；③根據(jù)強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，此種方法主要是建立在結(jié)構(gòu)力學(xué)以及有限元方法等理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際平臺(tái)結(jié)構(gòu)的情況按照既定環(huán)境條件以及設(shè)計(jì)要求做好平臺(tái)強(qiáng)度的計(jì)算。按照不同設(shè)計(jì)階段以及工程的相關(guān)要求，選取恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法，或采用幾種設(shè)計(jì)方法相結(jié)合。

2.2 海上采油平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想

2.2.1 強(qiáng)度校核優(yōu)化結(jié)構(gòu)

本平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)一般構(gòu)件的所用鋼板、型鋼和支柱斜撐均用CCS-AH32船用高強(qiáng)度鋼，對(duì)于高應(yīng)力區(qū)的較厚鋼板，則采用DH36的船用高強(qiáng)度鋼。使用高強(qiáng)度鋼，板厚和構(gòu)建的尺寸均有所建好，所以板、構(gòu)件的問(wèn)題性也逐漸突出。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)于受壓的鋼板、梁、縱骨、支柱和斜撐的穩(wěn)定性均需進(jìn)行計(jì)算校核。結(jié)構(gòu)的縱骨、梁、支柱以及斜撐等構(gòu)件的臨界應(yīng)力需要具有安全儲(chǔ)備，保證滿足平臺(tái)的規(guī)范要求。由于甲板所采用的是縱骨架式結(jié)構(gòu)，板縱向受壓穩(wěn)定性較強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。但是板橫向的受壓臨界應(yīng)力較少，穩(wěn)定性較差，存在失穩(wěn)的可能性。要想保證甲板橫向受壓的穩(wěn)定性得以提升，加強(qiáng)平臺(tái)的強(qiáng)度，在兩根強(qiáng)橫梁間中間肋位上，進(jìn)行橫向加強(qiáng)筋設(shè)置，從而起到縮小甲板的板格、增大板格的橫向受壓臨界應(yīng)力的作用，以加強(qiáng)板橫向的穩(wěn)定性。

2.2.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要矛盾是強(qiáng)度和重量控制的矛盾，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)都是圍繞解決這一對(duì)主要矛盾而展開(kāi)的。

（1）設(shè)計(jì)方法

平臺(tái)結(jié)構(gòu)的采用規(guī)范設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算互相結(jié)合的方法，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)建尺寸要先根據(jù)平臺(tái)規(guī)范和海船規(guī)范的要求進(jìn)行選取，其次按照強(qiáng)度計(jì)算確定內(nèi)力分布規(guī)律，對(duì)構(gòu)件的尺寸進(jìn)行必要的調(diào)整修改，適當(dāng)加強(qiáng)應(yīng)力過(guò)大的構(gòu)件，對(duì)應(yīng)力較小的構(gòu)件作相應(yīng)的減弱，從而最后確定構(gòu)件尺寸，確定構(gòu)件尺寸的過(guò)程既是強(qiáng)度校核的過(guò)程，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐步優(yōu)化的過(guò)程。

（2）用高強(qiáng)度低合金鋼

例如在港海一號(hào)自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為既減輕平臺(tái)自重又不削弱平臺(tái)的強(qiáng)度，平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)采用船用高強(qiáng)度低合金鋼，是一個(gè)好的選擇，大量試驗(yàn)資料表明，高強(qiáng)度鋼的抗脆性，抗破壞性，耐疲勞性，耐海水腐蝕性能，加工工藝性能，焊接工藝性能均不低于普通強(qiáng)度鋼，其耐海洋大氣銹蝕性能則明顯優(yōu)于普通強(qiáng)度鋼，低合金鋼在海洋大氣中的腐蝕速度還不到低碳鋼的1/3，采用高強(qiáng)度低合金鋼對(duì)于降低銹蝕速度，延長(zhǎng)平臺(tái)壽命是有益的，這對(duì)升離海面作業(yè)的自升式鉆井平臺(tái)尤為合適。

（3）疲勞壽命分析

目前在技術(shù)發(fā)展的前沿陣地，首先需要加強(qiáng)解決平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及抗疲勞性的問(wèn)題。特別是平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，一定要確保其符合基本疲勞壽命分析。近年來(lái)，高強(qiáng)度鋼在我國(guó)的船體結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，船體結(jié)構(gòu)的疲勞破壞問(wèn)題日漸突出。由于平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，我國(guó)疲勞壽命計(jì)算長(zhǎng)期以經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，但是其精度根本無(wú)法滿足現(xiàn)代平臺(tái)工程的需要。近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)軟硬件的性能隨之提高，促進(jìn)計(jì)算平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)所受到的波浪誘導(dǎo)荷載、船體響應(yīng)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、疲勞校核點(diǎn)應(yīng)力集中計(jì)算等均成為可能。

3 根據(jù)實(shí)例分析海上采油平臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.1 工程實(shí)例

近年來(lái)，上海市外高橋造船有限公司深入的研究了自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化措施，不但能夠利用船級(jí)社規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核同時(shí)確定平臺(tái)主體構(gòu)件的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，而且能夠通過(guò)有限單元法對(duì)平臺(tái)的架構(gòu)強(qiáng)度、指導(dǎo)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法進(jìn)行校核，按照實(shí)際工況進(jìn)行特定荷載的施加，研究邊界條件，確定自升式平臺(tái)在不同工況下的主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而保證能夠設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度要求的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，以確保平臺(tái)主體的安全性。除了平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)，通過(guò)相關(guān)研究還實(shí)現(xiàn)了按照不同的環(huán)境條件以及作業(yè)參數(shù)，借助有限元分析方法進(jìn)行環(huán)境荷載的計(jì)算，對(duì)樁腿和樁靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)并校核，同時(shí)按照船級(jí)社以及SNAME規(guī)范對(duì)平臺(tái)單根樁腿剛度以及抗傾穩(wěn)性進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)自升式鉆井平臺(tái)站立穩(wěn)定性進(jìn)行分析，形成自升平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能力。

研究成果應(yīng)用于公司在建的JU2000E型以及CJ46型的自升式鉆井平臺(tái)，設(shè)計(jì)建造自升式鉆井平臺(tái)能夠完全滿足船級(jí)社要求，同時(shí)在確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，減少船體的本身重量，很大程度上加大自升式平臺(tái)可變載荷，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化應(yīng)用結(jié)果受到多方船東的好評(píng)及肯定，提供的結(jié)構(gòu)減重以及優(yōu)化的方案，有效的降低平臺(tái)的建造成本，確保平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2 各種工況下的平臺(tái)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的靜力分析

平臺(tái)強(qiáng)度關(guān)系到平臺(tái)在組合載荷的作用下，材料能否滿足強(qiáng)度要求，不至發(fā)生屈曲和疲勞破壞的危險(xiǎn)。在評(píng)估平臺(tái)總強(qiáng)度時(shí)考慮了總的功能載荷和可變載荷、設(shè)計(jì)環(huán)境載荷、慣性力和P-Delta效應(yīng)，分作業(yè)工況和風(fēng)暴自存工況，根據(jù)SNAME采用幾何剛度法計(jì)算P-Delta效應(yīng)，并且在不同作用水深下利用有限元模型分別計(jì)算環(huán)境載荷和慣性矩，分析了齒條的受力情況，校核了平臺(tái)樁腿的屈服強(qiáng)度，并且對(duì)樁腿和樁靴在預(yù)壓載的各個(gè)工況下強(qiáng)度進(jìn)行了分析，保證了平臺(tái)作業(yè)的安全性。

平臺(tái)剛度的分析是振動(dòng)理論以及穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，按照ABS MODU 2015以及SNAME計(jì)算公式，將樁腿的泥下3米一端用作簡(jiǎn)支，另一端和主船體的剛固連接；在樁腿上施加載荷，除去軸向的重力以及水平環(huán)境載荷外，還需考慮預(yù)壓載工況下的二階重力效應(yīng)對(duì)樁腿影響效果；按照SNAME公式的要求，考慮10%齒條剖面面積增量效應(yīng)，對(duì)三種不同的作業(yè)水深、單個(gè)樁腿剛度進(jìn)行計(jì)算，以確保整個(gè)平臺(tái)的安全性。

平臺(tái)的穩(wěn)定性分析主要是分析在預(yù)壓載時(shí)自升式鉆井平臺(tái)的樁腿穩(wěn)定性分析，環(huán)境荷載的向量角為120°，對(duì)向量角載荷作用下平臺(tái)進(jìn)行研究，對(duì)目標(biāo)自升式鉆井平臺(tái)抗傾覆穩(wěn)性進(jìn)行分析，從而在環(huán)境荷載的影響進(jìn)行平臺(tái)的安全評(píng)估，確定平臺(tái)在設(shè)計(jì)環(huán)境荷載以及功能荷載綜合工況下可以安全的工作（具體平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的有限模型如圖1所示）。

圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析有限元模型示意圖

3.3 具體施工方案

鋼平臺(tái)的施工場(chǎng)地一般有三個(gè)場(chǎng)地：陸上的鋼結(jié)構(gòu)加工車(chē)間、岸邊的組對(duì)場(chǎng)地以及海上工地。①陸上的鋼結(jié)構(gòu)加工車(chē)間。陸上鋼結(jié)構(gòu)加工車(chē)間主要進(jìn)行鋼板號(hào)料和切割；鋼管樁以及鋼管分段卷制以及焊接接長(zhǎng)和坡口加工。②岸邊的組對(duì)場(chǎng)地。岸邊的組對(duì)場(chǎng)地需要滿足鋼結(jié)構(gòu)的組對(duì)焊接以及上船要求。在岸邊的預(yù)制廠需要進(jìn)行鋼管樁的二次接長(zhǎng)、導(dǎo)管架的焊接和上部甲板的分模塊焊接。滿足運(yùn)輸船的運(yùn)輸能力和鋼樁自身穩(wěn)定性的前提下，需要盡可能的增加鋼樁的分段長(zhǎng)度。③海上工地。此外，還需做好導(dǎo)管架的整體預(yù)制工作。上部甲板的組塊組裝需要按照船舶運(yùn)輸?shù)哪芰桶渡稀⒑Ｉ系跹b的能力等，將上部的甲板分成若干個(gè)單元模塊，繼而實(shí)施組裝。多個(gè)導(dǎo)管架以及鋼樁根據(jù)計(jì)劃的順序借助駁船運(yùn)輸至施工的現(xiàn)場(chǎng)（具體平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖2）。

3.4 防腐涂裝設(shè)計(jì)

圖2 海上采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

由于海上采油平臺(tái)在海上進(jìn)行工作，海洋環(huán)境對(duì)于鋼材的腐蝕嚴(yán)重，為了保證其使用壽命，必須進(jìn)行防腐涂裝設(shè)計(jì)，從而保證海洋環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)的安全。海上采油平臺(tái)導(dǎo)管架和海管防腐一般采用涂裝和陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)的方法，其中陰極保護(hù)分為犧牲陽(yáng)極法和外加電流法兩種方法，其中犧牲陽(yáng)極法的加工設(shè)計(jì)文件一般包括陽(yáng)極結(jié)構(gòu)圖、陽(yáng)極布置圖、陽(yáng)極采辦料單、陽(yáng)極施工料單等。編制涂裝方案時(shí)，要充分了解各專(zhuān)業(yè)工作量、施工特點(diǎn)、工序、工期。涂料采辦料單用于采辦涂料，施工料單用于領(lǐng)料。涂料用量不僅與涂裝面積有關(guān)，而且與施工方法、后期修補(bǔ)工作量等因素有關(guān)，因此計(jì)算涂料用量時(shí)不僅要考慮涂裝面積，還要根據(jù)涂裝方案、現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度、結(jié)構(gòu)形式、涂裝方法等綜合因素確定涂料的用量。涂料由施工人員直接到涂料供應(yīng)商庫(kù)房領(lǐng)取，未開(kāi)封的涂料可以退庫(kù)，從而較好地避免了涂料采辦量不準(zhǔn)確和施工浪費(fèi)的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，在海上采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而有效保證海上采油工作能夠順利的開(kāi)展。在進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)選擇的過(guò)程中，需根據(jù)海域制定合理的設(shè)計(jì)方案，從而有效提升采油效率，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供石油資源，以促進(jìn)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。

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TE92

A

2095-2066（2016）05-0220-02

2016-1-20

孫新濤（1981-），男，工程師，碩士，主要從事船舶海工設(shè)計(jì)工作。