剛／柔性連接對導管架平臺振動特性影響研究

范 曉，段夢蘭，庹 鑫，侯金林，劉 洋，譚雙妮，楊 磊

（1．中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249；2．中海油研究總院，北京 100027）①

剛／柔性連接對導管架平臺振動特性影響研究

范 曉1，段夢蘭1，庹 鑫1，侯金林2，劉 洋1，譚雙妮1，楊 磊1

（1．中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249；2．中海油研究總院，北京 100027）①

海上油田二次開發(fā)時通常采取加密井網(wǎng)綜合調(diào)整的措施，在工程上經(jīng)常會在老平臺旁建新的導管架平臺。為滿足設備和資源的共享，新老平臺有剛、柔2種連接方式，即平臺短距離直接連接或棧橋連接。分析了2種連接方式對新老平臺整體振動特性的影響，得到不同情況下適宜的連接方式，并借助SACS軟件進行工程實例驗證。

導管架平臺；剛性連接；柔性連接；振動特性

我國大部分近海油田已進入開發(fā)的中后期，為提高采收率往往會對老油田進行二次開發(fā)。加密井網(wǎng)綜合調(diào)整是行之有效的二次開發(fā)措施，加密井網(wǎng)一般會在油田上新建導管架平臺，為滿足設備和資源的共享一般會將新舊導管架平臺連接，而連接的方式主要分為剛性連接（即平臺短距離直接連接）和柔性連接（即棧橋連接）2種方式。

導管架平臺在海上長期處于復雜的載荷環(huán)境下，由外載引起的平臺振動是危害工作人員健康和平臺安全的重要因素。現(xiàn)階段，新老平臺間的連接形式往往由具體功能的需求來確定，很少研究連接形式對振動特性帶來的影響。

1 剛／柔性連接形式特點

1．1 剛性連接

為實現(xiàn)模塊鉆機在新建平臺與老平臺間的往復滑移，以滿足新老平臺鉆完井及修井的需要，并大幅度降低投資開發(fā)成本，新舊平臺連接多選擇剛性連接形式即海上平臺短距離直接連接。剛性連接形式在設計時需要考慮的因素較多，海上的作業(yè)難度高，對模塊鉆機的改造工作量較大。剛性連接形式的設計有3方面的要點：

1） 模塊鉆機改造設計。其中包括了多模塊之間所連接的管線、儀表纜、動力纜和服務臂的結(jié)構(gòu)改造；同時，為了滿足鉆井作業(yè)的需要，應在新老平臺間建立臨時管堆場和貓道。

2） 定位導向樁系統(tǒng)設計。為了保證新老平臺各個方向軸線處在同一水平面上，新老平臺導管架部分需要利用定位導向樁系統(tǒng)連接過渡。

3） 組塊滑道梁設計。常規(guī)的模塊鉆機滑軌使用T型梁，而組塊部分的主梁往往為工字梁，在設計時應滿足新滑軌梁腹板與新組塊滑道梁腹板在垂直方向的一致性。

圖1為平臺短距離連接技術(shù)在綏中36-1一期及旅大5-2油田調(diào)整工程開發(fā)項目中的成功應用［1］。

圖1 渤海油田兩平臺間剛性連接形式

1．2 柔性連接

柔性連接即為棧橋連接形式，具體連接方式為在新老平臺間搭建棧橋，為保證棧橋的水平自由度，棧橋與平臺的鏈接采取一端焊接一段銷接的方式。

棧橋連接形式最大程度地保持了老平臺的力學性能，新增平臺只會向老平臺傳遞垂向的載荷，水平向的載荷可忽略不計。這樣，在新老平臺共同工作時老平臺不會因為新平臺的影響而發(fā)生危險。柔性連接設計難度小，改造量小，但新老平臺間不能進行原有設備的共享，二次開發(fā)成本較高。兩平臺棧橋連接如圖2所示。

圖2 兩平臺間棧橋連接示意

2 連接形式對平臺振動特性的影響

導管架平臺的動力平衡方程可表達為

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；x（t）為隨時間變化的節(jié)點位移矢量；˙x（t）為隨時間變化的節(jié)點速度矢量；¨x為隨時間變化的節(jié)點加速度矢量；F（t）為隨時間變化的節(jié)點上的外載荷矢量。

其中，質(zhì)量矩陣表示模型的質(zhì)量分布。在一般計算方法中，質(zhì)量矩陣即將構(gòu)建的自身質(zhì)量、構(gòu)建內(nèi)部可能有的質(zhì)量以及一些附加質(zhì)量堆聚在各個結(jié)點或幾個關(guān)鍵結(jié)點上。一般省去單元的轉(zhuǎn)動慣量和非主振方向的質(zhì)量。這樣，質(zhì)量矩陣M是一個對角陣。平臺上任意的細長構(gòu)件在i振動方向上的附加質(zhì)量力與流體密度、浸水部分體積、桿件與i方向夾角、i方向相對加速度有關(guān)。平臺結(jié)構(gòu)的剛度矩陣一般是考慮剪切的影響，決定性因素是構(gòu)建的幾何特性。阻尼矩陣一般考慮為粘性阻尼，以阻尼比來表示。

在自由振動時，阻尼項可忽略不計，平臺結(jié)構(gòu)的動力學方程可簡化為［2］

式中：ω為結(jié)構(gòu)的固有振動頻率。

剛、柔性連接形式即通過改變導管架平臺質(zhì)量矩陣與剛度矩陣來改變平臺的振動特性［3］。在實際工程計算中，剛、柔性連接對原平臺剛度矩陣影響遠小于對質(zhì)量矩陣的影響。

由上述分析可推出結(jié)論：剛性連接后原平臺質(zhì)量大幅增加，平臺固有振動頻率降低，加大平臺結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載作用下的響應幅值，降低導管架平臺的安全性。柔性連接后由于僅向原平臺傳遞縱向載荷，原平臺質(zhì)量變化較小，對原平臺振動特性影響較小。

3 算例

3．1 目標平臺情況概述

選取BZ34-1CEPA中心平臺為本次計算目標平臺。渤中34-1油田位于渤海中部海域，北緯39°～41°的區(qū)域內(nèi)。緊鄰南部的渤中34-2／4油田，距東北的渤中28-1油氣田約22 km，屬于渤中34油田群，水深約為20 m。渤中BZ34-1CEPA中心平臺是1座集鉆修井、生產(chǎn)及生活為一體的12腿、12樁的綜合平臺，其樁腿為浮拖法安裝，8腿主樁＋4腿輔樁（支撐隔水套管）；共有2個井口區(qū)、40個井槽。平臺布置有3臺Solar70的透平發(fā)電機組，負責提供油田群所需電力，并處理油田群的物流。平臺設計壽命為20 a。

計劃在CEPA平臺北側(cè)新增4腿井口平臺WHPD，下文將詳細分析剛、柔性連接對CEPA平臺振動特性影響，本次計算采用SACS通用有限元計算程序。

3．2 原平臺在位振動特性與結(jié)構(gòu)強度分析

根據(jù)目標平臺所處的海域參數(shù)和平臺設計之初的q-z曲線、t-z曲線、p-y曲線及詳細的設計圖紙、歷次改造文件、平臺結(jié)構(gòu)具體檢測結(jié)果，利用SACS軟件對平臺結(jié)構(gòu)、樁基礎、設備質(zhì)量分布、載荷分布整體建模，如圖3所示。

圖3 BZ34-1CEPA平臺整體模型

BZ34-1CEPA平臺結(jié)構(gòu)調(diào)整、評估、校核參照以下規(guī)范和標準：

1） API RP 2A Recommended Practice for Planning，Designing，and Constructing Fixed Offshore Platforms-21stEdition WSD，2000．

2） AWS D1．1／D1．1M Structural Welding Code-Steel，2002．

3） AISC Specification for Structural Steel Buildings—Allowable Stress Design and Plastic Design，1995．

4） DNV DNV（Det Norske Veritas）CN 30．5，2000；DNV（Det Norske Veritas）Guideline No．14，1998．

渤中BZ34-1CEPA導管架主要節(jié)點沖剪校核考慮軸向、彎曲應力組合，利用相互作用的2個方程進行節(jié)點沖剪校核。主要管節(jié)點處尺寸為?60 cm× 1．5 cm的加強段，屈服應力為355 MPa。

在極端風浪、極端冰條件下，按照API RP 2AWSD規(guī)定的基本許用應力，并增加到1．33倍，進行結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件的應力校核。

考慮BZ34-1CEPA平臺正常在位時可能遇到的工況組合，對其進行平臺在位振動特性與結(jié)構(gòu)強度分析。提取模型前6階陣型，如表1所示。

表1 BZ34-1CEPA平臺前6階自振頻率

導管架平臺的整體校核通常進行在位、地震、疲勞、樁基礎4個方面的校核［4］。主要標準為各處桿件、節(jié)點、樁基礎的UC值（UNITY CHECK）是否大于1，若UC值均小于1則滿足規(guī)范要求［5］。

BZ34-1CEPA平臺的主要校核結(jié)果為：在位分析中，平臺桿件、節(jié)點沖剪均滿足規(guī)范要求，其中最危險桿件為F04L-F05T，其UC值為0．93，最危險節(jié)點為L0FF，其UC值為0．97；地震分析中平臺樁基礎、桿件、節(jié)點沖剪均滿足規(guī)范要求，其中樁基礎為主要校核指標，樁基礎校核西南角主樁為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．53，強度校核UC值達到0．95；選取A平臺導管架上各管節(jié)點進行疲勞校核，可得最不利節(jié)點為F028，從2012年可繼續(xù)服役49 a至2061年；樁基礎分析中，西南角主樁為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．60，強度校核UC值達到0．63［6］。

3.3 剛性連接后CEPA平臺在位振動特性與結(jié)構(gòu)強度分析

進行剛性連接即甲板直接連接后，CEPA-WHPD平臺整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CEPA-WHPD平臺剛性連接整體模型

考慮CEPA-WHPD平臺剛性連接后正常在位時可能遇到的工況組合，對其進行平臺在位振動特性與結(jié)構(gòu)強度分析。提取模型前6階陣型，如表2所示。

表2 CEPA-WHPD平臺剛性連接前6階自振頻率

CEPA-WHPD平臺剛性連接后的主要校核結(jié)果［7］為：在位分析中，最危險桿件仍然為F04LF05T，其UC值為0．98，最危險節(jié)點仍然為L0FF，其UC值為1．01；地震分析中，樁基礎校核西南角主樁仍然為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．43，強度校核UC值達到0．99；選取A平臺導管架上各管節(jié)點進行疲勞校核，可得最不利節(jié)點仍然為F028，從2012年可繼續(xù)服役33 a至2045年；樁基礎分析中，西南角主樁仍然為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．47，強度校核UC值達到0．88。

由上述分析可知：新老平臺進行剛性連接后固有振動頻率降低，強度校核中各項結(jié)果UC值均有所升高，接近或超過規(guī)范要求的臨界值。

3.4 柔性連接后CEPA平臺在位振動特性與結(jié)構(gòu)強度分析

進行柔性連接即棧橋連接后，CEPA-WHPD平臺整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CEPA-WHPD平臺柔性連接整體模型

考慮CEPA-WHPD平臺柔性連接后正常在位時所可能遇到的工況組合，對其進行平臺在位振動特性與結(jié)構(gòu)強度分析［8］。提取模型前6階陣型，如表3所示。

表3 CEPA-WHPD平臺柔性連接前6階自振頻率

CEPA-WHPD平臺柔性連接后的主要校核結(jié)果［9］為：在位分析中，最危險桿件仍然為F04LF05T，其UC值為0．94，最危險節(jié)點仍然為L0FF，其UC值為0．97；地震分析中，樁基礎校核西南角主樁仍然為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．51，強度校核UC值達到0．96；選取A平臺導管架上各管節(jié)點進行疲勞校核，可得最不利節(jié)點仍然為F028，從2012年可繼續(xù)服役47 a至2059年；樁基礎分析中，西南角主樁仍然為最危險的樁，該樁的樁基承載能力安全系數(shù)為1．59，強度校核UC值達到0．65。

由上述分析可知：新老平臺進行柔性連接后，對平臺振動特性與強度校核影響較小。

4 結(jié)論

1） 剛性連接可大幅降低油田二次開發(fā)成本，但海上施工難度高且對原平臺改造較大；柔性連接海上施工相對簡單，對原平臺改造較小但大幅提高了二次開發(fā)成本。

2） 剛性連接對平臺力學性能影響較大，新老導管架平臺進行剛性連接后，平臺固有振動頻率降低，平臺各項強度校核UC值升高。

3） 柔性連接對平臺力學性能影響較小，對平臺固有振動頻率影響幾乎可以忽略不計。

4） 對于有些校核值已經(jīng)處于臨界狀態(tài)的平臺，二次開發(fā)時應進行柔性連接，以保證平臺的安全性；對于所有校核值均留有一定余量的平臺，二次開發(fā)時可進行剛性連接，降低開發(fā)成本，提高資源利用率。

［1］劉孔忠，夏美玉，夏松林，等．兩平臺間短距離模塊鉆機直接滑移共享技術(shù)開發(fā)與應用［J］．中國海上油氣，2010，22（5）：333-337．

［2］中國船級社．海上固定平臺入級與建造規(guī)范［S］．1994．

［3］穆頃，張建勇．LD10-1油田井口平臺加掛井槽技術(shù)研究［J］．船舶，2012，23（3）：1-5．

［4］李愛群，高振世．工程結(jié)構(gòu)抗震與防災［M］．南京：東南大學出版社，2003：56-58．

［5］Jinping Ou，Li Q S．Vibration control of steel jacket offshore platform structures with damping isolation systems［J］．Engineering Structures，2007，29（7）：1525-1538．

［6］API．Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design［S］．2000，144-150．

［7］Rujian Ma，Haiting Zhang．Study on the anti-vibration devices for a model jacket platform［J］．Marine Structures，2010，23（4）：434-443．

［8］Golafshani A A，Gholizad A．Friction damper for vibration control in offshore steel jacket platforms［J］．Journal of Constructional Steel Research，2009，65（1）：180-187．

［9］Patil K C，Jangid R S．Passive control of offshore jacket platforms［J］．Ocean Engineering，2005，32（16）：1933-1949．

Vibration Characteristics of Jacket Platforms Influenced by Rigid and Flexible Connections

FAN Xiao1，DUAN Meng-lan1，TUO Xin1，HOU Jin-lin2，LIU Yang1，TAN Shuang-ni1，YANG Lei1
（1．College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Increasing the number of wellheads and comprehensive adjustment always use in redevelopment of offshore oilfield．The new platform always was built beside the old jacket platform in redevelopment of offshore oilfield．There are two ways to connect the old and new platform to meet the sharing of equipment and resources．Researching was carried out for the vibration characteristics of jacket platforms influenced by rigid and flexible connection to prove the conclusions with SACS．

jacket platforms；rigid connection；flexible connection；vibration characteristics

TE951

A

1001-3482（2014）05-0001-04

2013-11-27

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目“基于振動檢測的現(xiàn)役海洋平臺結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)研究”（2008AA09701-3）

范 曉（1989-），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事海洋油氣工程研究，E-mail：fanxiao32＠163．com。