渤海固定平臺的生活模塊標準化設計及應用實例

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津 300459)

0 引 言

渤海海域以往建成的海上固定式油氣生產(chǎn)平臺的住人生活模塊(又稱生活樓)的設計工作均根據(jù)各工程項目自身具體情況(例如：定員人數(shù)、甲板層高、設計環(huán)境條件、直升機型號、平臺上部組塊甲板空間尺寸、生產(chǎn)操作方的需求/建議等)有針對性地開展，結(jié)果造成即便是相同人數(shù)的生活模塊在不同項目平臺上的設計成果也不盡相同，有些項目設計的經(jīng)驗不能充分地用來提高后續(xù)項目的工作效率和設計質(zhì)量。

近年來隨著越來越多規(guī)模近似、住人生活需求相同、整體尺寸相對固化的生活模塊大批量出現(xiàn)，為規(guī)范海上固定平臺的生活模塊設計，使各類不同規(guī)模的生活模塊設計標準化，中海石油(中國)有限公司于2015年10月27日印發(fā)了《海上固定平臺生活樓總體規(guī)劃指南 2015(暫行)》[1](下文簡稱《指南》)。在此基礎(chǔ)上，可根據(jù)操作生產(chǎn)、鉆修井作業(yè)的住宿需求，將定員人數(shù)劃分為幾個明確的等級，為每個定員等級的生活模塊選用《指南》推薦的設施配置和總體布局形式開展工程設計，形成一套標準人數(shù)的生活模塊設計模板/成果文件，直接應用于后續(xù)項目生活模塊的建造，最大限度地節(jié)省生活模塊的設計工期、降低設計成本、提高設計成果質(zhì)量。這將是渤海海上固定平臺接下來的工程設計思路和項目實施趨勢。

1 生活模塊標準化設計意義

渤海海域目前總計有150余座已建固定式海上石油平臺，長期有人值守并進行生產(chǎn)作業(yè)的有近100座。對于有人常駐的平臺，需在平臺上較安全的區(qū)域(一般為上層甲板的上風處)設置生活模塊設施[2]。生活模塊是空間相對獨立的功能模塊，與平臺油/氣生產(chǎn)區(qū)適當隔離，為平臺常駐人員提供住宿餐飲、通信辦公、娛樂健身、衛(wèi)生保潔、緊急救助(大部分生活模塊設有直升機甲板)等功能服務。

生活模塊功能房間設置如下：居住用房、廚房、餐廳、食品庫房、洗衣房、更衣室、吸煙室、廁所、淋浴間、醫(yī)務室、報務室、會議室、辦公室、資料室、健身房、候機室、儲藏室、配電間及應急配電間等。

為保證生活模塊服務于海上油(氣)田的經(jīng)濟有效開發(fā)、實現(xiàn)海上油(氣)田的整體效益最大化，根據(jù)固定式海上石油平臺的功能、生產(chǎn)定員、作業(yè)和維修工作量以及相鄰平臺等生產(chǎn)設施的有關(guān)情況，合理分類，規(guī)范相應的生活模塊定員規(guī)模，推薦劃定7個級別的定員人數(shù)[1](120人、100人、80人、60人、40人、30人、10人)，進行標準化生活模塊設計。

(1) 節(jié)省設計工期。1個80人的生活模塊從基本設計開始至詳細設計結(jié)束，總設計工時估計約2.5萬個(人×小時)。如采用標準化生活模塊設計成果，這一設計過程將直接簡化為：在總體開發(fā)方案(Overall Development Project， ODP)設計結(jié)束后直接將標準化設計成果用于加工設計，從而為工程項目縮短大量設計工期。

(2) 節(jié)省設計費用。根據(jù)第1.1節(jié)設計工時可推算出，1個80人生活模塊的總設計(基本設計+詳細設計)費接近200萬元。

(3) 提高設計質(zhì)量。在推行生活模塊標準化設計過程中將充分考慮設計環(huán)境條件、平臺布置、生產(chǎn)操作人員的實際需求等各方面因素，最大限度地保證后使工程項目應用該生活模塊設計成果的可靠性、嚴謹性，提高生活模塊標準化設計成果的可重復使用率。

2 生活模塊標準化設計的依據(jù)和途徑

2.1 標準化設計的實施依據(jù)

渤海海域固定平臺的常規(guī)生活模塊設計在最近十幾年以來的數(shù)十個海上工程項目中不斷積累設計和使用經(jīng)驗，已基本形成類型化、同質(zhì)化設計。《指南 》[1]對7種不同定員人數(shù)(見表1)的生活模塊進行了標準化布置，同時要求生活模塊在滿足安全生產(chǎn)需要的前提下，其房間布置和相關(guān)配置要盡可能合理、緊湊。關(guān)于在渤海不同油田推行生活模塊標準化設計的可實施性有如下分析。

表1 《指南》對于7種定員人數(shù)生活模塊的推薦設計尺寸

2.1.1 按人數(shù)配置房間

當不同項目的平臺在ODP階段確定了相同的設計定員人數(shù)時，按平臺定員人數(shù)可確定生活模塊相應的標準化規(guī)格、尺寸、層數(shù)，在生活模塊中根據(jù)人員的工種/職務進行分配的居住用房的配置(面積、位置)也相應固定不變，與平臺定員人數(shù)相配套的公共餐廳、廚房、洗衣間、冷庫、廁所、淋浴間、更衣室、吸煙室、醫(yī)務室、報務室、會議室、辦公室、資料室、健身房、候機室、儲藏室、配電間及應急配電間的尺寸和布置(舾裝專業(yè))也能統(tǒng)一確定。

2.1.2 直升機甲板使用要求

渤海常規(guī)平臺(除蓬萊區(qū)域外)的直升機設計參數(shù)近年來早已趨向標準化：攜載12人的“貝爾212”和“西科斯基76C+”兩者中的最大尺寸為18 m，最大起飛質(zhì)量5.306 t。

2.1.3 配管、安全專業(yè)設計

當不同平臺生活模塊的設計定員人數(shù)相同時，正常生活用水(淡水、海水)及污水(黑水、灰水)、消防用水、地漏開排等管線系統(tǒng)(配管、安全專業(yè))的配管接口數(shù)量及尺寸也能統(tǒng)一確定，生活模塊與平臺組塊間的配管預留接口位置原則上也可統(tǒng)一規(guī)劃確定。

2.1.4 電氣、儀表、通信、空調(diào)/暖通專業(yè)需求

當不同平臺生活模塊的設計定員人數(shù)相同時，電氣/照明、儀表、通信、空調(diào)/暖通等專業(yè)的設備設施空間布置需求，以及設備材料質(zhì)量也可統(tǒng)一確定；自帶中央空調(diào)的生活模塊可看作具有獨立功能的設備模塊， 可參照定型成撬設備與平臺組塊的連接原則確定固定的連接接口設計。

2.1.5 結(jié)構(gòu)專業(yè)設計荷載考慮因素

基于各專業(yè)根據(jù)固定人數(shù)設計的標準化結(jié)果，結(jié)構(gòu)專業(yè)對于不同平臺只需考慮不同的外界荷載。由于海浪、海流、海冰作用不到生活模塊上，只有地震參數(shù)、風速這2個環(huán)境因素因平臺場址不同而給生活模塊結(jié)構(gòu)帶來不同的載荷，故標準化生活模塊的結(jié)構(gòu)應根據(jù)渤海海域的最大地震參數(shù)和風速數(shù)據(jù)進行設計[3]，以應對極端狀況。

2.1.6 建造/安裝方式對生活模塊結(jié)構(gòu)設計的影響

除環(huán)境條件外，另一個對生活模塊結(jié)構(gòu)設計影響顯著的因素是生活模塊的建造/安裝方式：一般的井口平臺由于上部組塊采用吊裝方式進行海上安裝，其生活模塊也需單獨進行海上吊裝安裝；而對于大型浮托安裝的中心平臺，其生活模塊一般是在組塊陸地建造期間在組塊上層甲板完成陸地結(jié)構(gòu)安裝后，隨即進行分片建造安裝，在平臺上部組塊出海前生活模塊也完成全部的陸地建造、安裝、連接、調(diào)試工作，生活模塊隨上部組塊一同裝船出海。海上吊裝安裝的生活模塊結(jié)構(gòu)設計考慮工況比隨組塊一體化建造的生活模塊多了裝船和吊裝2種計算工況，相應的結(jié)構(gòu)框架(桿件截面尺寸)也較強。對海上吊裝安裝的生活模塊結(jié)構(gòu)設計需區(qū)別于隨組塊一體化建造、安裝的生活模塊。

綜上所述，當人數(shù)相同時，選取較大的地震參數(shù)和環(huán)境風速極值設計生成的生活模塊標準化設計成果可滿足渤海其他油田平臺的使用要求。

在使用標準化的生活模塊設計成果文件時，需注意的問題如下：

(1) 由于需適應生活模塊設計成果標準化的尺寸，后續(xù)新建項目的平臺組塊需根據(jù)生活模塊的支點跨距、支撐結(jié)構(gòu)要求，進行組塊頂層甲板的結(jié)構(gòu)和總體設計(可能涉及部分組塊梁、柱、斜撐的調(diào)整)。

(2) 由于生活模塊設計環(huán)境氣溫條件取渤海最高、最低的極值，相應的空調(diào)暖通設備的尺寸、功率、質(zhì)量等也偏大。

(3) 生活模塊結(jié)構(gòu)按照最不利的地震、風力作用荷載以及吊裝工況設計的結(jié)果必然導致生活模塊結(jié)構(gòu)用鋼量較大，相關(guān)建造費用增加。

(4) 生活模塊內(nèi)的配管、暖通、舾裝布置空間將隨結(jié)構(gòu)框架的增強而調(diào)整局部布置，以適應結(jié)構(gòu)梁、柱、斜撐尺寸局部增大的影響。

2.2 標準化設計的落實途徑

2.2.1 設計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集

搜集整理以往項目的工程設計資料(數(shù)據(jù)樣本采集自渤西/曹妃甸區(qū)域、渤南區(qū)域、渤中/秦皇島32-6區(qū)域、遼東區(qū)域、蓬萊區(qū)域等5個渤海主要油田區(qū)域)，選取其中具有代表性的渤中34-9 CEPA/WHPB、錦州25-1南CEPF、渤中34-2/4 CEPA、渤中34-1 WHPF、南堡35-2 CEP/WHPB、秦皇島32-6 CEPI/CEPJ、綏中36-1 CEPO，以及蓬萊1/3/8/9項目的CEPB/WHPG/WHPV共13座固定平臺生活模塊的主要設計參數(shù)和環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，匯總列表進行逐項比較。

生活模塊的設計主要參數(shù)包括：定員人數(shù)、房間層數(shù)，直升機甲板尺寸和荷載能力，生活模塊房間和結(jié)構(gòu)框架的主尺寸(長寬高)，生活模塊的底部支點數(shù)、支點跨距，生活模塊所在上部組塊的甲板位置、標高。

生活模塊設計環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：環(huán)境風速，氣溫、空氣濕度，地震參數(shù)，生活模塊所在組塊甲板位置的地震響應加速度。

2.2.2 輸入條件的選擇

通過逐項對比，最終篩選出最大的一組地震參數(shù)(目前經(jīng)比較，渤中34-9油田的地震參數(shù)最大)和環(huán)境風速極值(對比選取渤南區(qū)域和遼東區(qū)域2者風速數(shù)據(jù)中的較大值，渤西海域和渤中海域風速極值均偏小)作為標準化生活模塊的設計基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)。

蓬萊區(qū)域與渤海其他海域生活模塊設計條件差異極為明顯：地震參數(shù)和直升機選型參數(shù)均與渤海其他油田差異很大；生產(chǎn)操作方康菲石油公司對生活模塊的使用要求也異于其他油田。因此，目前標準化生活模塊設計成果僅適用于蓬萊區(qū)域以外的渤海油田區(qū)域。

2.2.3 標準化設計輸入?yún)?shù)的使用及設計成果的關(guān)鍵輸出項

渤中34-9油田開發(fā)項目的詳細設計工作(2017年上半年)正在開展階段。在渤中34-9油田開發(fā)項目80人(CEPA)和40人(WHPB)生活模塊的詳細設計輸入數(shù)據(jù)中，根據(jù)第2.2.2節(jié)確定的標準化生活模塊設計輸入?yún)?shù)，參照《指南》[1]的相關(guān)要求及推薦配置，開展80人(CEPA)和40人(WHPB)生活模塊的標準化設計，生成達到詳細設計深度的標準化設計成果。

在80人(渤中34-9 CEPA)生活模塊的結(jié)構(gòu)計算報告中列出的生活模塊參數(shù)[3]有：操作工況下的支反力，地震條件下的支反力，裝船條件下的支反力，運輸條件下的支反力，安裝條件下的支反力。

以后的新建項目如確認采用渤中34-9項目的生活模塊設計成果，可直接將其支反力數(shù)據(jù)加載至新油田項目平臺上部組塊結(jié)構(gòu)的相應支點處進行結(jié)構(gòu)計算、校核。

設計單位在渤中34-9項目詳細設計結(jié)束時，需提交完整的80人生活模塊(含結(jié)構(gòu)、總體舾裝、機/管/電/儀/通信等各專業(yè))的標準化詳細設計成果(含可編輯版圖紙/文件、結(jié)構(gòu)計算模型，以及應用PDMS軟件生成的3D模型)，以將其作為后續(xù)渤海新建平臺(除蓬萊區(qū)域外)的生活模塊的建造加工設計的直接輸入文件。

3 工程應用實例

正在進行工程設計的曹妃甸6-4 CEPA平臺的80人生活模塊是實際使用(渤中34-9 CEPA)80人生活模塊的標準化設計成果的工程項目。該應用實例詳情如下。

3.1 輸入數(shù)據(jù)比較

標準化生活模塊與曹妃甸6-4油田設計參數(shù)對比(地震、風速)如表2～表5所示,其中：βm為反應譜最大值；T0為反應譜起始點周期值；T1為反應譜第1拐點周期值；Tg為反應譜特征周期；C為標準或規(guī)準反應譜下降段衰減指數(shù)；αmax為地震影響系數(shù)最大值；Amax為海底泥面地震動峰值加速度；K為地震因數(shù)，其值為峰值加速度/重力加速度。在表2和表3中，概率水平的定義是指在下列若干年中達到某一上限數(shù)值的發(fā)生概率，例如，50 a 63%是指在50 a內(nèi)達到該地震值的發(fā)生概率為63%。概率水平與重現(xiàn)期的關(guān)系大略可描述為：50 a 63%約等于重現(xiàn)期50 a，50 a 10%約等于重現(xiàn)期500 a，50 a 2%約等于重現(xiàn)期2 500 a。

表2 標準化生活模塊設計地震參數(shù)

表3 曹妃甸6-4油田生活模塊設計地震參數(shù)

表4 標準化生活模塊設計環(huán)境風速 m/s

表5 曹妃甸6-4油田生活模塊設計環(huán)境風速 m/s

從表2～表5對比可知：曹妃甸6-4油田的地震加速度和環(huán)境風速均小于標準化生活模塊的結(jié)構(gòu)設計輸入條件，后者完全覆蓋了曹妃甸6-4油田的數(shù)據(jù)極值范圍。80人標準化生活模塊的結(jié)構(gòu)強度完全可滿足曹妃甸6-4 CEPA平臺環(huán)境條件要求。

3.2 總體布局

渤中34-9 CEPA生活模塊在組塊頂層甲板的位置與曹妃甸6-4 CEPA生活模塊的對比如圖1和圖2所示。

從2個平臺上層甲板的總體布置可知：2個生活模塊第一層甲板的卸貨區(qū)域均位于右側(cè)，無需進行生活模塊第一層甲板布局調(diào)整，標準化生活模塊總體布局適用于曹妃甸6-4油田CEPA平臺。

圖1 渤中34-9 CEPA平臺詳細設計總圖

圖2 曹妃甸6-4 CEPA平臺ODP總圖

圖3 渤中34-9 CEPA平臺80人 生活模塊結(jié)構(gòu)三維模型

3.3 建造、安裝方式比較

渤中34-9 CEPA生活模塊與曹妃甸6-4 CEPA生活模塊都是在上部組塊陸地建造期間在組塊上層甲板完成陸地結(jié)構(gòu)安裝后隨即進行分片建造安裝，在平臺上部組塊出海前生活模塊完成全部的陸地建造/安裝/連接/調(diào)試工作，隨上部組塊一同裝船出海、整體浮托安裝。生活模塊結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

曹妃甸6-4 CEPA組塊結(jié)構(gòu)專業(yè)計算80人生活模塊支反力，可在渤中34-9 CEPA生活模塊結(jié)構(gòu)專業(yè)的計算報告中找到相關(guān)數(shù)據(jù)，干重/操作重數(shù)據(jù)也可直接使用渤中34-9 CEPA生活模塊質(zhì)量控制報告中的相應數(shù)據(jù)。

從第3.1節(jié)～第3.3節(jié)3個方面的分析可以得出結(jié)論：渤中34-9油田CEPA平臺80人生活模塊標準化設計成果可直接應用于曹妃甸6-4 CEPA平臺設計。

通過使用渤中34-9 CEPA平臺80人生活模塊的設計成果，曹妃甸6-4 CEPA平臺在基本設計和詳細設計階段均可省略該平臺的80人生活模塊的絕大部分相關(guān)設計工作，只需在考慮曹妃甸6-4 CEPA上部組塊與生活模塊的相關(guān)設計界面接口(結(jié)構(gòu)、配管、電氣、儀表、通信)時，按照渤中34-9 CEPA生活模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)設計組塊一邊的專業(yè)界面接口，滿足新開發(fā)油田項目的生活模塊在最短時間內(nèi)開展建造加工設計的時間需求。

該項標準化設計成果的實際應用，預計可節(jié)省曹妃甸6-4油田開發(fā)項目約200萬元左右的設計費(基本設計+詳細設計)和2.5萬個設計工時。

3.4 實際應用中需注意的細節(jié)問題

渤中34-9 CEPA平臺和曹妃甸6-4 CEPA平臺在設計細節(jié)上仍存在差異，需在后續(xù)工作中予以考慮。

(1) 組塊與生活模塊間的結(jié)構(gòu)支撐設計。曹妃甸6-4 CEPA平臺組塊上層甲板生活模塊所處位置的結(jié)構(gòu)形式在基本設計階段需根據(jù)渤中34-9 CEPA生活模塊的下部支點數(shù)量和跨距進行設計，即需根據(jù)渤中34-9 CEPA生活模塊支點位置修改曹妃甸6-4 CEPA組塊相應支撐結(jié)構(gòu)的梁、斜撐等主結(jié)構(gòu)布置形式。

(2) 生活模塊的救生艇登艇甲板設計。渤中34-9 CEPA平臺生活模塊第1層甲板懸掛的2艘60人救生艇與曹妃甸6-4項目的救生艇尺寸(影響生活模塊登艇甲板結(jié)構(gòu)尺寸)以及吊艇架尺寸(影響生活模塊登艇甲板支撐吊艇架處的加強梁位置設計)可能均有所不同，在曹妃甸6-4 CEPA生活模塊的建造加設階段、預制生活模塊的第1層甲板前，其登艇甲板的結(jié)構(gòu)小梁布置需根據(jù)曹妃甸6-4項目的救生艇實際制造尺寸和吊艇架出廠尺寸進行調(diào)整。

4 結(jié)論及建議

海上固定平臺的標準化生活模塊設計工作的實施方式為：將生活模塊的定員人數(shù)限定在7個標準級別中，對相應房間布局進行優(yōu)化配置，選取渤海海域最大的地震參數(shù)(不包括蓬萊區(qū)域)、最大環(huán)境風速極值(對比選取渤南區(qū)域和遼東區(qū)域兩者中較大風速極值)、標準配置的直升機參數(shù)(直徑18 m、起飛質(zhì)量5.306 t，不適用于蓬萊區(qū)域)進行設計輸入。該設計成果可覆蓋渤海全部區(qū)域(除蓬萊區(qū)域外)的固定平臺生活模塊。今后的新建項目可根據(jù)本項目情況在7個標準定員級別中選擇適用的標準化生活模塊設計成果直接應用于建造加工設計。

標準化生活模塊設計的實際應用案例：在進行渤中34-9油田開發(fā)工程項目的生活模塊詳細設計工作時，按照標準化設計選取的設計參數(shù)開展其設計工作，生成的詳細設計成果經(jīng)分析判定后可直接應用于曹妃甸6-4 CEPA平臺80人生活模塊，取得了非常顯著的降本增效成果：降低約200萬元設計費、節(jié)省約2.5萬個設計工時。

鑒于目前階段已生成80人標準化生活模塊設計成果，建議在以后的渤海油田工程建設中，視工程項目的具體實際情況，擇機將其余120人、100人、60人、40人、30人、10人的生活模塊標準化工作確定到具體的項目詳細設計工作范圍中推進實施，生成相應定員人數(shù)級別的標準化生活模塊設計成果，以達到完全涵蓋渤海全部新建平臺的生活模塊設施的目的，大幅減小生活模塊基本設計和詳細設計階段的重復性工作量，進一步提高渤海油田固定平臺的生活模塊設計水平。