渤海地區(qū)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)境條件選取分析

于春潔，王麗勤，吳 非，沈曉鵬

（中海油研究總院，北京 100027）

渤海地區(qū)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)境條件選取分析

于春潔，王麗勤，吳 非，沈曉鵬

（中海油研究總院，北京 100027）

隨著平臺的使用年限增長，環(huán)境條件隨著海洋環(huán)境的變化而變得日益惡劣，對于渤海地區(qū)，提出了是否采用100年一遇環(huán)境條件替換50年一遇環(huán)境條件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。經(jīng)過對渤海地區(qū)的部分中心平臺和井口平臺50年/100年環(huán)境條件對比分析，提出了對于渤海地區(qū)海上平臺結(jié)構(gòu)采用100年一遇環(huán)境條件替換50年一遇環(huán)境條件。

渤海；平臺結(jié)構(gòu)；設(shè)計環(huán)境條件；50年一遇；100年一遇

1966年12月，我國設(shè)計制造了用于渤海海域的混凝土樁基鋼架固定式1號鉆井平臺，標志著中國海洋石油工程建設(shè)的起步。經(jīng)過幾十年的努力，中海油采取請進來、走出去的方式，引進國際標準和規(guī)范，經(jīng)歷探索、起步、對外合作、自主創(chuàng)新等幾個階段，在渤海海域開發(fā)了近50個油氣田，設(shè)計建造安裝了100多座平臺。

平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計也經(jīng)過了對外合作與自主設(shè)計的過程。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的規(guī)范主要是API規(guī)范《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦做法—工作應(yīng)力設(shè)計法》[1]，API規(guī)范主要是基于美國的海域的相關(guān)條件，并給出了美國海域相關(guān)設(shè)計參數(shù)的參考。規(guī)范中建議美國海域設(shè)計環(huán)境條件采用100年一遇。在國內(nèi)根據(jù)不同的海域采用不同的標準，渤海屬于內(nèi)海，設(shè)計環(huán)境條件[2]采用50年一遇，在中國其他海域采用100年一遇。經(jīng)過40多年的檢驗，海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計安全可靠。

近年來，隨著平臺的使用年限增長，中心平臺的設(shè)計壽命達到25年～30年，很多中心平臺、井口平臺也在延壽使用，渤海區(qū)域50年一遇的環(huán)境條件對平臺的設(shè)計已不合適[3]。同時渤海區(qū)域的環(huán)境條件隨著海洋環(huán)境的變化而變得日益惡劣，特別是海上颶風(fēng)來臨頻繁，API規(guī)范于2007年發(fā)布了增補3，考慮了颶風(fēng)過后的海上結(jié)構(gòu)物損壞。國內(nèi)也采用了API的最新標準。基于以上考慮，對于渤海地區(qū)，提出了是否采用100年一遇環(huán)境條件替換50年一遇環(huán)境條件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

基于以上考慮，選取了渤海地區(qū)的部分中心平臺和井口平臺，包括渤中34-1 CEPA平臺、墾利油田群的渤中35-2 CEPA平臺、渤中35-2 WHPA平臺、錦州25-1S CEP平臺、綏中36-1 CEPO平臺、錦州9-3E WHPA平臺以及秦皇島32-6 II調(diào)整的CEPI平臺和WHPH平臺進行了50年/100年對比分析研究，利用SCAS對現(xiàn)有模型進行計算，不改變原模型文件，將環(huán)境條件由50年一遇替換為100年一遇，對環(huán)境條件、樁、桿件UC、節(jié)點UC進行比較，根據(jù)計算結(jié)果估算對結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)對比分析，渤海海域50年一遇環(huán)境條件和100年一遇環(huán)境條件對于渤海海域不同的井口平臺和中心平臺影響趨勢是一致的，這里選取渤中34-1 CEPA平臺、墾利油田群的渤中35-2 CEPA平臺和渤中35-2 WHPB平臺進行具體介紹。

1 渤中34-1 CEPA采用50年/100年一遇環(huán)境條件對比分析

渤中34-1油田所在海域位于渤海灣南部海域，南緊鄰渤中34-2/4油田約3 km，西北距渤中25-1油田35 km，東北距渤中28-1油氣田22 km，屬于渤中34油田群，水深約為20 m。

1.1 環(huán)境條件

50年一遇和100年一遇環(huán)境條件的平臺設(shè)計水位見表1，風(fēng)、波浪、流見表2，冰設(shè)計參數(shù)見表3。

1.2 渤中34-1 CEPA中心平臺結(jié)構(gòu)

渤中34-1 CEPA是一座中心平臺，設(shè)計水深為19.7 m。平臺頂層甲板設(shè)有100人生活樓、HXJ180鉆修井機、電站、原油處理設(shè)施等。該平臺上設(shè)有兩個井口區(qū)，每區(qū)20口井槽，隔水導(dǎo)管直徑508 mm，隔水導(dǎo)管入土深度37 m。

表1 渤中34-1 CEPA平臺設(shè)計水位

表2 渤中34-1 CEPA平臺風(fēng)、波浪、流設(shè)計參數(shù)

表3 渤中34-1 CEPA平臺冰設(shè)計參數(shù)

甲板組塊海上安裝采用浮拖法，施工船舶使用“海洋石油221”，導(dǎo)管架和甲板組塊按照該施工方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。中心平臺CEPA為12腿12主樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，腿柱垂直；其中8根樁直徑1 829 mm，樁入土深度78 m，樁頂標高為EL.(+)7.0 m，上接LMU(樁腿對接裝置)；LMU頂標高EL.(+)10.35 m，上接甲板組塊腿柱，承受甲板組塊荷載；另4根樁直徑1 219 mm，僅與導(dǎo)管架連接以支撐隔水套管（不與甲板組塊連接），樁頂標高EL.(+)7.0 m，樁入土深度43 m。按照浮拖法施工方案的要求，導(dǎo)管架“A”和“B”軸間距設(shè)計為40 m。導(dǎo)管架頂標高為EL.(+)6.0 m，平面幾何尺寸為（14 m＋14 m＋12 m）× 40 m。導(dǎo)管架槽口寬度40 m, 浮拖駁船可以通過。導(dǎo)管架共有三個水平層，各水平層的標高分別為：EL.(+)5.0 m、EL.(-)8.0 m、EL.(-)19.7 m。

甲板結(jié)構(gòu)采用由梁柱板和斜撐構(gòu)成的空間剛架。分為三層，標高分別為EL.(+)28.0 m、EL.(+)22.0 m、EL.(+)14.0 m。上部操作重13 000 t左右。

1.3 采用50年一遇和100年一遇環(huán)境條件對比分析

對渤中34-1CEPA中心平臺結(jié)構(gòu)分別進行了50年一遇環(huán)境條件和100年一遇環(huán)境條件靜力計算，并對計算結(jié)果進行了比較[1,4]。計算結(jié)果顯示，50年一遇甲板上浪為9.45 m，100年一遇為9.84 m，比50年一遇浪高0.39 m。50年一遇風(fēng)、波浪、流最大力為18 733 kN，冰力為21 730 kN；100年一遇風(fēng)、波浪、流最大力為21 824 kN，冰力為24 033 kN，比50年一遇分別大16.5%、大10.6%。由此引起的樁頭力分別為28 319 kN（50年一遇）和28 808 kN（100年一遇），100年一遇樁頭力增加1.73%，樁UC值由0.581增大到0.616，增加了0.035。樁在極端風(fēng)暴工況下的50年安全系數(shù)為1.97，100年安全系數(shù)為1.94。

對渤中34-1 CEPA不同環(huán)境條件的桿件UC值進行了比較，EL.(+)5 000 mm水平層桿件最大增加0.09，平均增加0.028。EL.(-)8 000 mm水平層桿件最大增加0.05，平均增加0.027。EL.(-) 19 700 mm水平層桿件最大增加0.05，平均增加0.03。主腿桿件最大增加0.02，平均增加0.007。斜撐桿件最大增加0.07，平均增加0.039。甲板組塊桿件UC沒有變化。對平臺節(jié)點UC值進行了比較，最大增加0.099，平均增加0.07。

1.4 結(jié) 論

對渤中34-1 CEPA平臺采用50年一遇和100年一遇環(huán)境條件對比的分析，得到以下結(jié)論：

（1）上部組塊：對上部組塊桿件無影響，甲板上浪增大0.39 m。

（2）環(huán)境條件： 波流力增大16.5%，冰力增大10.6%。

（3）樁 ：樁頭力增大1.73%，樁UC增大0.035。

（4）導(dǎo)管架：水平層桿件UC最大增大0.09，平均增大0.03；主腿UC最大增大0.02，平均增大0.007；X撐UC最大增大0.07，平均增大0.039。

（5）節(jié)點：主腿UC基本不變，其它節(jié)點平均增大0.07 。

（6）渤中34-1 CEPA平臺采用50年一遇環(huán)境條件導(dǎo)管架質(zhì)量約1 700 t，樁質(zhì)量約2 200 t。采用100年一遇環(huán)境條件對于結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點有影響，但是影響較小，不改變原導(dǎo)管架設(shè)計。對于樁，由于是操作條件控制，極端條件的改變對樁的安全系數(shù)影響不大，對于樁的UC有較小影響。因此，采用100年一遇環(huán)境條件導(dǎo)管架質(zhì)量、樁質(zhì)量不變。計算的甲板上浪高出0.39 m。

2 墾利油田群渤中35-2 CEPA、WHPB采用50/100年一遇環(huán)境條件對比分析

墾利3-2油田位于渤海海域南部，北距渤中34-1油田17 km，西北距天津市塘沽190 km。以墾利3-2油田為中心，渤中34-6/7油田、渤中29-4油田南區(qū)和渤中35-2油田分別距離墾利3-2油田約8 km、31 km和30 km。這些油田所在海域的平均水深為20 m左右。

2.1 環(huán)境條件

渤中35-2的50年一遇和100年一遇環(huán)境條件的平臺設(shè)計水位見表4，風(fēng)、波浪、流見表5，冰設(shè)計參數(shù)見表6。

表4 渤中35-2平臺設(shè)計水位

表5 渤中35-2平臺風(fēng)、波浪、流設(shè)計參數(shù)

表6 渤中35-2平臺冰設(shè)計參數(shù)

2.2 平臺結(jié)構(gòu)

2.2.1 渤中35-2 CEPA中心平臺結(jié)構(gòu)

渤中35-2 CEPA是一座中心平臺，平臺設(shè)計水深為19.4 m。平臺頂層甲板設(shè)有90人生活樓、電站、原油處理設(shè)施等。

甲板組塊海上安裝采用浮托法，施工船舶使用“海洋石油221”，導(dǎo)管架和甲板組塊按照該施工方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。BZ35-2 CEPA為8腿8主樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，腿柱垂直； 8根樁直徑為2 438 mm，樁入土深度為107 m，樁頂標高為EL.(+)6.5 m，上接LMU(樁腿對接裝置)；LMU頂標高EL.(+)10.5 m，上接甲板組塊腿柱。根據(jù)浮托法施工方案的要求，導(dǎo)管架“A”和“B”軸間距設(shè)計為40 m。導(dǎo)管架工作點平面尺寸為（14 m＋14 m＋14 m）× 40 m。導(dǎo)管架槽口寬度40 m, 浮托駁船可以通過。導(dǎo)管架共有三個水平層，各水平層的標高分別為：EL.(+)4.5 m、EL.(-)10.5 m、EL.(-)19.4 m。

甲板結(jié)構(gòu)采用由梁柱板和斜撐構(gòu)成的空間剛架。分為四層，標高分別為EL.(+)32.0 m、EL.(+)23.5 m、EL.(+)15.5 m、EL.(+)11.5 m。上部操作重（海洋平臺上部組塊在操作工況下的質(zhì)量）17 500 t左右。

2.2.2 渤中35-2井口平臺結(jié)構(gòu)

渤中35-2 WHPB為井口平臺，甲板設(shè)有生產(chǎn)管匯、HXJ135修井機、電氣房間和開閉排等設(shè)施，還設(shè)有30人生活樓。平臺設(shè)計水深為19.5 m。

該平臺上設(shè)有20個井槽，隔水導(dǎo)管直徑為610 mm，入泥深度為50 m左右。

采用四腿四主樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式，4根主樁，樁直徑為1 829 mm，入泥深度為85 m。在“B”軸，兩腿分別以10∶1沿“X”軸單斜，在“A”軸，兩腿分別以10 ∶1沿“X”軸和“Y”軸雙斜。導(dǎo)管架頂標高為EL.(+)8.5 m，工作點標高為EL.(+)9.5 m，導(dǎo)管架工作點平面尺寸為18 m × 20 m。共有三個水平層，各水平層的標高分別為：EL.(+)6.0 m、EL.(-)3.0 m、EL.(-)19.5 m。

甲板結(jié)構(gòu)采用由梁柱板和斜撐構(gòu)成的空間剛架。分為四層，標高分別為：EL.(+)29.5 m、EL.(+)21.0 m、EL.(+)16.5 m、EL.(+)11.5 m。上部操作重5 300 t左右。

2.3 采用50年一遇和100年一遇環(huán)境條件對比分析

2.3.1 渤中35-2 CEPA

對渤中35-2 CEPA中心平臺結(jié)構(gòu)進行了50年一遇環(huán)境條件和100年一遇環(huán)境條件靜力計算，并對計算結(jié)果進行了比較[1,4]。計算結(jié)果顯示，50年一遇甲板上浪為10.89 m，100年一遇為11.30 m，比50年一遇甲板上浪高0.41 m。50年一遇風(fēng)、波浪、流最大力為14 317 kN，冰力為12 781 kN；100年一遇風(fēng)、波浪、流最大力為15 349 kN，冰力為14 209 kN，比50年一遇分別大7.2%、11.17%。由此引起的樁頭力分別為34 068 kN（50年一遇）和34 726 kN（100年一遇），100年一遇樁頭力增加1.93%，樁UC值由0.397增大到0.419，增加了0.022。樁在極端風(fēng)暴工況下的50年安全系數(shù)為1.85，100年安全系數(shù)為1.81。

對渤中35-2 CEPA不同環(huán)境條件的桿件UC值進行了比較，EL.(+)4 500 mm水平層桿件最大增加0.02，平均增加0.02。EL.(-)10 500 mm水平層桿件最大增加0.04，平均增加0.023。EL.(-) 19 400 mm水平層桿件最大增加0.03，平均增加0.016。主腿桿件最大增加0.02，平均增加0.012。斜撐桿件最大增加0.03，平均增加0.018。甲板組塊桿件UC最大增加0.02，平均增加0.004。對平臺節(jié)點UC值進行了比較，最大增加0.04，平均增加0.013。

2.3.2 渤中35-2 WHPB

對渤中35-2 WHPB井口平臺進行了50年一遇環(huán)境條件和100年一遇環(huán)境條件靜力計算，并對計算結(jié)果進行了比較[1,4]。計算結(jié)果顯示，50年一遇甲板上浪為10.89 m，100年一遇為11.30 m，比50年一遇環(huán)境條件甲板上浪高0.41 m。50年一遇風(fēng)、波浪、流最大力為11 396 kN，冰力為5 316 kN；100年一遇風(fēng)、波浪、流最大力為12 348 kN，冰力為5 897 kN，比50年一遇分別大8.7%、10.9%。由此引起的樁頭力分別為24 120 kN（50年一遇）和24 640 kN（100年一遇），100年一遇樁頭力增加2.16%，樁UC值由0.538增大到0.568，增加了0.03。樁在極端風(fēng)暴工況下的50年安全系數(shù)為2.32，100年安全系數(shù)為2.28。

對渤中35-2 WHPB不同環(huán)境條件的對桿件UC值進行了比較，EL.(+)6 000 mm水平層桿件最大增加0.04，平均增加約0.02。EL.(-)3 000 mm水平層桿件最大增加0.07，平均增加0.028。EL.(-)19 500 mm水平層桿件最大增加0.04，平均增加0.017。主腿桿件最大增加0.02，平均增加0.007。斜撐桿件最大增加0.07，平均增加0.035。甲板組塊桿件UC最大增加0.02，平均增加0.003。對平臺節(jié)點UC值進行了比較，最大增大0.05，平均增加0.019。

2.4 結(jié) 論

對墾利油田群渤中35-2 CEPA中心平臺采用50年一遇和100年一遇環(huán)境條件對比的分析：

（1）上部組塊：對上部組塊桿件受力基本無影響，計算的甲板上浪高出0.41 m。

（2）環(huán)境荷載：風(fēng)波流力增大7.2%，冰力增大11.17%。

（3）樁 ：樁頭力增大1.93%，樁UC增大0.022。極端工況安全系數(shù)由1.85變化到1.81。

（4）導(dǎo)管架桿件：水平層桿件UC最大增大0.04，平均增大0.02，主腿UC最大0.02,平均增大0.013，斜撐UC最大增大0.03,平均增大0.02。

（5）導(dǎo)管架節(jié)點：主腿UC變化不明顯，其它節(jié)點UC最大增大0.04，平均增大0.012。

（6）渤中35-2 CEPA中心平臺采用50年一遇環(huán)境條件導(dǎo)管架質(zhì)量約1 800 t，樁質(zhì)量約3 410 t。采用100年一遇環(huán)境條件對于結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點有影響，但是影響較小，不改變原導(dǎo)管架設(shè)計。對于樁，由于是操作條件控制，極端條件的改變對樁的安全系數(shù)影響不大，對于樁的UC有較小影響。因此，采用100年一遇環(huán)境條件導(dǎo)管架質(zhì)量、樁質(zhì)量不變。計算的甲板上浪高出0.41 m。

對墾利地區(qū)井口平臺采用50年一遇和100年一遇環(huán)境條件對比的分析：

（1）上部組塊：對上部組塊桿件受力基本無影響，計算的甲板上浪高出0.41 m。

（2）環(huán)境荷載：風(fēng)波流力增大8.7%，冰力增大10.9%。

（3）樁 ：樁頭力增大2.16%，樁UC增大0.03。極端工況安全系數(shù)由2.32變化到2.28。

（4）導(dǎo)管架桿件：水平層桿件UC最大增大0.07,平均增大0.02，主腿UC最大增大0.02,平均增大0.007，斜撐UC最大增大0.07,平均增大0.035。

（5）導(dǎo)管架節(jié)點：主腿UC變化不明顯，其它節(jié)點UC最大增大0.05。

（6）渤中35-2WHPB井口平臺采用50年一遇環(huán)境條件導(dǎo)管架質(zhì)量約880 t，樁質(zhì)量約1 078 t。采用100年一遇環(huán)境條件對于結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點有影響，但是影響較小，不改變原導(dǎo)管架設(shè)計。對于樁，由于是操作條件控制，極端條件的改變對樁的安全系數(shù)影響不大，對于樁的UC有較小影響。因此，采用100年一遇環(huán)境條件導(dǎo)管架的質(zhì)量、樁的質(zhì)量不變。計算的甲板上浪高出0.41 m。

3 結(jié)論及建議

對于渤海地區(qū)平臺結(jié)構(gòu)采用100年一遇環(huán)境條件替換50年一遇環(huán)境條件，對上部組塊桿件影響很小，對于甲板底標高有影響，最小影響0.26 m，最大影響0.55 m。同時需要考慮對鉆井船鉆井氣隙升高的影響。

對于導(dǎo)管架桿件UC值平臺桿件最大變化0.14，18個桿件變化在0.06以上，其它均在0.05以下；導(dǎo)管架節(jié)點UC只有渤中34-1導(dǎo)管架變化比較大，最大增加0.099，其它平臺變化在0.04以下；CEP平臺樁的安全系數(shù)由操作工況控制，UC值變化0.03左右。采用100年一遇環(huán)境條件不影響原導(dǎo)管架設(shè)計，導(dǎo)管架的質(zhì)量、樁的質(zhì)量不變。

同時，對于中心平臺的設(shè)計壽命達到25～30年，很多中心平臺、井口平臺也在延壽使用，渤海區(qū)域采用100年一遇的環(huán)境條件對平臺的設(shè)計更合適。如果平臺設(shè)計采用100年一遇環(huán)境條件，與海管設(shè)計采用的環(huán)境條件一致。

建議渤海地區(qū)平臺結(jié)構(gòu)采用100年一遇環(huán)境條件進行設(shè)計。

建議對Q/HS 3003—2002《渤海海域鋼質(zhì)固定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定》進行修訂。

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

[2] 董勝，樊敦秋，郝小麗.海洋平臺設(shè)計中的風(fēng)浪參數(shù)選取標準[J].中國造船，2005，46（1）：8-13.

[3] 朱金龍.海洋環(huán)境條件對石油開發(fā)的影響[J].中國海洋平臺，1997，12（1）：35-40+5.

[4] AISC. Specification for Structural Steel Buildings—Allowable Stress Design[M]. Washington D.C. America, 2010.

Environmental Condition Selection for Offshore Platform Structure Design in Bohai Sea

YU Chunjie, WANG Liqin, WU Fei, SHEN Xiaopeng
（CNOOC Research Institute,Beijing100027,China）

With the increasing in life of platform service, the environmental conditions for platform service become disadvantage due to the change in sea conditions in Bohai Sea. It is proposed that in Bohai Sea, the environmental condition for offshore platform structure design should be 100 year return period rather than 50 year return period. Through comparison analysis on the 50 year/100 year return period environmental condition for structure design of partial center platform and wellhead platform in the Bohai Sea, it is proposed that 100 year return period should be used to replace 50 year return period in the offshore platform structure design in Bohai Sea.

Bohai Sea; platform structure; design environmental condition; 50 year return period; 100 year return period

TE54

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.02.106

1008-2336（2014）02-0106-05

2013-09-27；改回日期：2013-11-28

于春潔，女，1973年生，高級工程師，碩士，海洋工程專業(yè)，主要從事海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及海上油氣田設(shè)計項目管理工作。E-mail：yuchj@cnooc.com.cn。