70 m水深主樁式導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其技術(shù)特點(diǎn)

郭洪升

（中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028）

1 概述

海洋石油開發(fā)工程中固定式導(dǎo)管架平臺是應(yīng)用較為普遍的一種結(jié)構(gòu)型式。在淺水區(qū)域一般采用主樁式結(jié)構(gòu)，即樁由導(dǎo)管架主腿內(nèi)打入。當(dāng)水深超過60 m時(shí)，通常采用裙樁式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)；而在某些海域，如果海況及工程地質(zhì)等條件允許，也可以考慮采用主樁式導(dǎo)管架 （見圖1）。主樁式結(jié)構(gòu)型式相對于裙樁式結(jié)構(gòu)而言，一方面可以減輕導(dǎo)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(xiàng)目70 m水深主樁式導(dǎo)管架平臺的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法及特殊設(shè)計(jì)技術(shù)，旨在為類似平臺的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

圖1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式

2 環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及作用荷載

本文所研究平臺位于70m水深海域，土質(zhì)主要為黏土，海況溫和，其風(fēng)浪流等主要環(huán)境數(shù)據(jù)見表1。

表1 環(huán)境數(shù)據(jù)

該平臺為四腿四樁固定導(dǎo)管架，主樁式結(jié)構(gòu)。上部組塊在位質(zhì)量約為3 600 t，導(dǎo)管架在位質(zhì)量約為1 800 t，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 主樁式導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)模型

導(dǎo)管架平臺在服役期間，會(huì)受到各種荷載的作用：固定荷載包括平臺本身結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備干重以及浮力等；活荷載包括各種移動(dòng)荷載及設(shè)備操作荷載等；環(huán)境荷載主要是風(fēng)、浪、流及地震所產(chǎn)生的相關(guān)作用力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需將各種荷載根據(jù)API RP 2A規(guī)范的要求進(jìn)行組合，并進(jìn)行各工況下的計(jì)算分析。

3 平臺結(jié)構(gòu)計(jì)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(shè)計(jì)等。

3.1.1 靜力分析

靜力分析中，需要對結(jié)構(gòu)在一年一遇及百年一遇環(huán)境荷載作用下的強(qiáng)度進(jìn)行校核。由于該平臺自振周期接近3 s，因此應(yīng)考慮波浪動(dòng)力因素的影響。工程上可以采用兩種方法得到動(dòng)力放大系數(shù)DAF，一種是用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法，另一種是用頻域或時(shí)域方法。在準(zhǔn)靜態(tài)方法中，通過計(jì)算平臺自振特性并根據(jù)以下公式可求解動(dòng)力放大系數(shù)：

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(jì)算出平臺前兩階自振周期Tp1、Tp2，分別求出相應(yīng)的DAF1及DAF2，并根據(jù)不同波浪方向θ計(jì)算出相應(yīng)的動(dòng)力放大系數(shù)：

由動(dòng)力響應(yīng)分析方法可求出平臺的動(dòng)力響應(yīng)值，而動(dòng)力放大系數(shù)DAF=動(dòng)力響應(yīng)值/靜力值。求出的動(dòng)力放大系數(shù)可作為組合系數(shù)，將波浪荷載與其他荷載組合成相應(yīng)的工況進(jìn)行計(jì)算分析。

進(jìn)行樁基校核時(shí)，除上部組塊已知荷載外，還需要考慮兩個(gè)因素：一是業(yè)主將來有可能對平臺進(jìn)行改造，因此可根據(jù)業(yè)主的具體要求考慮5%～10%額外的上部組塊重量作為預(yù)留；另一個(gè)是考慮將來施工或作業(yè)期間有可能發(fā)生上部組塊的重心偏移，偏心范圍可視為一個(gè)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(jì)算可采用施加力偶的方式使重心產(chǎn)生偏移。

平臺除滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的要求外，還應(yīng)滿足位移方面的要求：一年一遇操作工況下，平臺最大側(cè)向位移應(yīng)小于H/200，其中H為最高層甲板頂標(biāo)高至泥面的垂向距離。功能性荷載 （不包括意外荷載及環(huán)境荷載）作用下的樁頭最大位移應(yīng)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(yīng)考慮P-delta效應(yīng)。

3.1.2 地震分析

根據(jù)API RP 2A WSD （2007）的要求，需要根據(jù)強(qiáng)度水平地震加速度 （SLE）的取值對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震工況下的強(qiáng)度校核。為便于工程使用，本文結(jié)合API相關(guān)規(guī)定，總結(jié)了地震譜疲勞的計(jì)算分析流程，如圖3所示。

圖3 地震分析流程

由于本項(xiàng)目平臺所在海域強(qiáng)度水平地震加速度為0.09 g<0.10 g，因此可不進(jìn)行韌性水平校核，而直接用韌性水平地震加速度0.16 g進(jìn)行強(qiáng)度水平校核；同時(shí)，節(jié)點(diǎn)沖剪校核可采用實(shí)際計(jì)算荷載，而不必采用桿件的拉伸屈服應(yīng)力及壓縮屈曲應(yīng)力。

地震分析中，地震力的選取是應(yīng)該注意的一個(gè)問題。在進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，地震力應(yīng)取1.0倍靜荷載與1.0倍動(dòng)荷載的組合，并對桿件強(qiáng)度及節(jié)點(diǎn)沖剪進(jìn)行校核；而在對樁基礎(chǔ)進(jìn)行單樁應(yīng)力校核時(shí)，根據(jù)API RP 2A LRFD公式，地震力應(yīng)為 （1/1.0）×（1.1×靜荷載+0.9×動(dòng)荷載），這時(shí)應(yīng)再次求解動(dòng)力響應(yīng)，并根據(jù)求得的樁頭力進(jìn)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(yè)主提供合適的可用于疲勞校核的波浪參數(shù) （具體的波高、波周期），但這種參數(shù)往往很難得到。因此在實(shí)際工程中，一般做法是根據(jù)平臺作業(yè)海域的波浪周期聯(lián)合概率分布，進(jìn)行詳細(xì)譜疲勞分析。用于計(jì)算的波浪分布是從大量波浪數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)出來的，因此更接近實(shí)際波浪分布，疲勞分析結(jié)果也更加準(zhǔn)確合理。

疲勞分析中，傳遞函數(shù)的確定對于最終結(jié)果是否準(zhǔn)確有重要影響。在選擇周期時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）周期的選取范圍可參考波浪周期聯(lián)合分布中的波浪周期范圍。

（2）應(yīng)選取傳遞函數(shù)的波峰及波谷點(diǎn)對應(yīng)的周期值。

（4）生成的傳遞函數(shù)曲線應(yīng)光順。

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

表2 疲勞壽命安全系數(shù)

本項(xiàng)目根據(jù)API規(guī)范的要求結(jié)合導(dǎo)管架不同部位檢修的難易程度，確定了相應(yīng)的安全系數(shù)，如圖4所示。

圖4 不同部位的安全系數(shù)

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(xiàng)目中使用小車 （TRAILER）對導(dǎo)管架進(jìn)行裝船，如圖5、6所示。與傳統(tǒng)的滑移裝船方式相比，這種方式有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是由于可節(jié)約滑靴建造等輔助施工機(jī)具的人工成本，從而降低施工費(fèi)用和縮短工期；二是可節(jié)約裝船過程時(shí)間，因此在國外項(xiàng)目中得到廣泛使用。

第九次：1964年“中華人民共和國糧食部軍用糧定額支票”（面粉、大米、粗糧、馬料各“伍拾斤”“壹佰斤”“壹仟斤”“伍仟斤”版）。

圖5 本項(xiàng)目中的裝船分析方案示意

圖6 小車 （TRAILER）在結(jié)構(gòu)裝船中的應(yīng)用

使用小車 （TRAILER）進(jìn)行裝船時(shí)，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩方面內(nèi)容的校核：一是結(jié)構(gòu)在水平荷載及垂向荷載作用下的強(qiáng)度校核；二是結(jié)構(gòu)在裝船過程中的穩(wěn)性校核，即是否會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)傾覆。

3.2.2 拖航分析

拖航分析主要是校核導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在海上運(yùn)輸過程中的強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮最不利的條件，即將結(jié)構(gòu)放在船尾，使之承受最大的縱搖力。運(yùn)輸過程中船舶運(yùn)動(dòng)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(jì)。如果沒有詳細(xì)的駁船運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可取橫搖角為±20°，縱搖角為±12.5°，垂蕩±0.2 g，并考慮各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)之間組合對結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)實(shí)際施工過程，具體計(jì)算過程可分為以下三個(gè)步驟：

（1）導(dǎo)管架在剛裝上船時(shí)，僅垂向固定，沒有斜向固定支撐，此時(shí)只受重力作用。

（2）連接所有拖航中的綁扎固定，計(jì)算結(jié)構(gòu)在拖航過程中所受到的風(fēng)力及慣性力。

（3）將第1步及第2步的力進(jìn)行組合，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2.3 扶正分析

本項(xiàng)目進(jìn)行導(dǎo)管架施工時(shí)，首先需將導(dǎo)管架水平吊裝入水，然后進(jìn)行扶正。根據(jù)導(dǎo)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(jìn)行扶正，該方案具有以下特點(diǎn)：

（1）與裙樁式導(dǎo)管架相比，主樁式導(dǎo)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(shè)置輔助浮筒，以調(diào)整導(dǎo)管架在扶正過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（2）在扶正過程中，主鉤連接4個(gè)水平吊裝吊點(diǎn)，副鉤與導(dǎo)管架頂部4個(gè)扶正吊點(diǎn)相連，通過依次調(diào)節(jié)主鉤和副鉤的高度，完成導(dǎo)管架的扶正過程。

經(jīng)過計(jì)算得到的穩(wěn)性高度GM＞1.0 m，泥面間隙＞3.0 m，滿足相關(guān)規(guī)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(dǎo)管架強(qiáng)度也滿足設(shè)計(jì)規(guī)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(qiáng)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(xiàng)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(shè)計(jì)荷載，因此無需采用裙樁的結(jié)構(gòu)型式。本項(xiàng)目中樁直徑為1524mm，入泥為95m，樁的總長度達(dá)到170 m左右。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)浮吊的吊裝能力以及自由站立分析的計(jì)算結(jié)果，對樁進(jìn)行了合理的分段；并通過可打入性分析計(jì)算，確定樁可以打入到設(shè)計(jì)入泥深度。由于樁從主腿內(nèi)打入，因此只需進(jìn)行水上打樁作業(yè)，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(shí)不需要進(jìn)行復(fù)雜的裙樁套筒設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更簡單。

4 特殊設(shè)計(jì)技術(shù)

4.1 密封裝置設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中導(dǎo)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(jié)構(gòu)浮力，導(dǎo)管架主腿需要進(jìn)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(shí)需進(jìn)行密封性試驗(yàn)，其成本較高，單價(jià)為2萬美元左右。為降低成本，導(dǎo)管架主腿頂部采用了鋼結(jié)構(gòu)密封，如圖7、8所示，并在導(dǎo)管架扶正就位之后、打樁之前進(jìn)行割除。

4.2 登船平臺及靠船護(hù)舷的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中導(dǎo)管架登船平臺的設(shè)計(jì)主要有以下特點(diǎn)：

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(diào)。為補(bǔ)償導(dǎo)管架安裝時(shí)由于水深測量或施工過程中可能產(chǎn)生的標(biāo)高誤差，登船平臺設(shè)計(jì)為安裝高度可調(diào)節(jié)的形式。

（2）分三部分組合安裝。為實(shí)現(xiàn)登船平臺的安裝高度可調(diào)，并便于導(dǎo)管架的運(yùn)輸和安裝作業(yè)，登船平臺整體結(jié)構(gòu)分三個(gè)部分：下部支撐結(jié)構(gòu) （直接焊接在導(dǎo)管架腿上，并提供安裝導(dǎo)向）、上部支撐結(jié)構(gòu) （底部及側(cè)面的管段留有安裝裕量，實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)）、外側(cè)登船平臺 （設(shè)置護(hù)舷、登船直梯及走道）。

（3）采用壓縮型護(hù)舷和剪切型護(hù)舷組合的設(shè)計(jì)形式。本項(xiàng)目中采用壓縮型護(hù)舷和剪切型護(hù)舷組合的形式，如圖9所示，根據(jù)平臺操作要求，護(hù)舷與導(dǎo)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(yè)的一側(cè)兩個(gè)防撞護(hù)舷設(shè)計(jì)為螺栓連接，待鉆井作業(yè)完成后安裝，避免與鉆井平臺之間發(fā)生干擾。

4.3 臨時(shí)鉆井甲板設(shè)計(jì)

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

5 結(jié)束語

在海洋石油開發(fā)中，雖然中淺水固定導(dǎo)管架平臺的設(shè)計(jì)技術(shù)比較成熟，但如何在保證平臺安全的前提下結(jié)合具體的環(huán)境條件、作業(yè)條件及施工條件進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始終是設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文通過對國外某70 m水深主樁式導(dǎo)管架平臺在位分析及施工分析中不同于常規(guī)設(shè)計(jì)的內(nèi)容介紹，可為國內(nèi)類似平臺的設(shè)計(jì)提供參考。

圖9 平臺護(hù)舷

圖10 臨時(shí)鉆井甲板

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