固定平臺(tái)樁腿強(qiáng)度分析

王 榕

（中國船級社青島分社，山東 青島 266071）

0 引 言

淺海領(lǐng)域的采油主要借助于海上固定平臺(tái)，這種固定平臺(tái)尤其以我國渤海灣數(shù)量眾多，由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式，在建造或營運(yùn)檢驗(yàn)過程中，平臺(tái)的強(qiáng)度校核對平臺(tái)安全評價(jià)尤為重要。特別是平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)形式對平臺(tái)的強(qiáng)度影響，其主要有兩種形式：1) 非灌漿型的樁腿，海上安裝周期短，工程進(jìn)度快；2) 灌漿樁腿，需要在海上打樁后向樁與腿之間的環(huán)形區(qū)域灌注水泥，海上操作復(fù)雜，安裝周期長，費(fèi)用較大。

考慮到分析和計(jì)算這兩種樁腿安裝形式對平臺(tái)設(shè)計(jì)和海上安裝具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。故以勝利淺海某中心固定平臺(tái)為例，利用專用于海洋結(jié)構(gòu)工程的靜動(dòng)力結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)的計(jì)算軟件，對海上固定平臺(tái)樁腿上述兩種形式進(jìn)行強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)位移的計(jì)算和比較，并得出初步結(jié)論。此結(jié)果對設(shè)計(jì)、施工和檢驗(yàn)工作具有參考價(jià)值。

1 平臺(tái)數(shù)據(jù)

1.1 主要參數(shù)

以勝利埕島油田某新建中心平臺(tái)為例。該中心平臺(tái)由生活動(dòng)力平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)組成，選取生活動(dòng)力平臺(tái)進(jìn)行分析計(jì)算。

生活動(dòng)力平臺(tái)采用4腿導(dǎo)管架形式，導(dǎo)管架4個(gè)面的斜度均為10：1。導(dǎo)管架頂標(biāo)高5.5m,底標(biāo)高-13.7m，工作點(diǎn)標(biāo)高7.0 m。主導(dǎo)管采用φ1532×28鋼管， 成矩形布置，在標(biāo)高4.5m、-3.0m和-12.2m處設(shè)加強(qiáng)段，采用φ1566×45鋼管，加強(qiáng)段設(shè)水平拉筋及水平斜拉筋，分別采用φ700×25鋼管和φ500×19鋼管，管節(jié)點(diǎn)在密集區(qū)加強(qiáng)，分別采用φ1000×38鋼管和φ700×32鋼管。導(dǎo)管架內(nèi)置消防泵護(hù)管4根，采用φ944×22鋼管，在標(biāo)高4.5m和-3.0m處設(shè)與導(dǎo)管架水平連接構(gòu)件，分別采用φ500×19鋼管和φ325×14鋼管。導(dǎo)管架上設(shè)靠船構(gòu)件、登船平臺(tái)等附屬構(gòu)件。生活平臺(tái)導(dǎo)管架見圖1。

圖1 生活動(dòng)力平臺(tái)導(dǎo)管架A立面

1.2 工作環(huán)境參數(shù)

1.2.1 水深

取平臺(tái)所在位置處黃海平均海平面的水深12.2m作為計(jì)算條件。

1.2.2 波浪

海區(qū)以風(fēng)浪為主，涌浪次之。夏季盛行SE浪，秋季主要為NE浪，春季浪向紊亂。波浪、海流數(shù)據(jù)以50a重現(xiàn)期為計(jì)算依據(jù)。校核高水位最大可能波高6.83m；對應(yīng)波浪周期8.6s；設(shè)計(jì)高水位最大可能波高5.0m；對應(yīng)波浪周期8.6s。

1.2.3 海流

海區(qū)潮流的運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)流，50a重現(xiàn)期漲潮最大實(shí)測流速：表層 167cm/s；中層 92cm/s；底層79cm/s。落潮最大實(shí)測流速：表層167cm/s；中層81cm/s；底層73cm/s。

1.2.4 風(fēng)

按50a重現(xiàn)期1min平均風(fēng)速30.5m/s。

1.2.5 海冰

設(shè)計(jì)冰厚（50a一遇）0.45 m；抗壓強(qiáng)度2244kPa；流冰速度0.52～1.03m/s。

1.2.6 海生物

平均海平面以下的構(gòu)件考慮10cm厚的海生物附著。

1.2.7 地質(zhì)資料

采用國家海洋局第一海洋研究所《埕島油田某中心平臺(tái)地形測量及地質(zhì)勘察成果報(bào)告》。

2 載荷計(jì)算

2.1 風(fēng)載荷

作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載采用SY/T 10030-2004中2.3.2.c節(jié)中的風(fēng)力計(jì)算公式：

式中：F——風(fēng)力；ρ——空氣的密度；u——形狀系數(shù)；A——物體面積。

假定風(fēng)速沿結(jié)構(gòu)物高度不變。極端波浪工況采用50a重現(xiàn)期的1min平均風(fēng)速；極端冰工況采用20a重現(xiàn)期的 1min平均風(fēng)速。形狀系數(shù)的取值按 SY/T 10030-2004中的規(guī)定確定：梁 1.5；建筑物的側(cè)面1.5；圓柱形構(gòu)件0.5；平臺(tái)總投影面積1.0。

2.2 冰載荷

作用于樁腿上的冰力采用SY/T10031-2000中公式5.27計(jì)算：

式中：F——作用于樁腿上的冰力；Pe——單位面積冰壓力；D——冰接觸區(qū)域結(jié)構(gòu)的寬度或直徑；t——冰的厚度。其中Pe取值為2244kPa，D為樁腿的直徑，t=0.45 m 。

2.3 載荷工況組合

荷載組合按SY/T 10030-2004中建議的做法進(jìn)行，平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最惡劣影響的荷載條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。荷載條件應(yīng)包括適當(dāng)?shù)墓潭ê奢d和活荷載。分別考慮了工作波浪條件、極端波浪條件、極端冰、地震載荷等工況。其中，地震載荷根據(jù)實(shí)際的地震與地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)地震水平加速度為0.15G，X、Y方向系數(shù)為1.0，Z方向系數(shù)為0.5，根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)，X、Y方向土類型為B型，Z方向土類型為C型，地震響應(yīng)譜選用API標(biāo)準(zhǔn)譜，各階模態(tài)響應(yīng)組合用CQC法對平臺(tái)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。正常工作條件下，根據(jù)不同的來流方向、不同的吊機(jī)載荷方向，進(jìn)行模擬計(jì)算分析。冰載工況為在正常作業(yè)工況下加上冰載荷進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)分析軟件

所有結(jié)構(gòu)分析工作都使用SACS軟件進(jìn)行，該系統(tǒng)功能齊全，方法先進(jìn)，便于使用。

3.2 生活平臺(tái)模型建立

根據(jù)風(fēng)、浪、流及冰載荷與平臺(tái)所成的不同夾角進(jìn)行了組合，對平臺(tái)的導(dǎo)管架底部樁腿處采取了固定約束。冰工況中考慮了相應(yīng)的風(fēng)、流載荷，并考慮了冰的遮蔽效應(yīng)。三維模型見圖2。

圖2 生活動(dòng)力平臺(tái)三維模型

3.3 生活平臺(tái)計(jì)算結(jié)果

3.3.1 特定節(jié)點(diǎn)比較

選取101L、201L、303L、3003四個(gè)節(jié)點(diǎn)，對灌漿樁腿的內(nèi)部采取設(shè)計(jì)方提供的1.8t/ m3的泥漿密度進(jìn)行填充，非灌漿平臺(tái)采用1.0t/ m3的海水進(jìn)行填充。比較兩者位移的大小（見表1）。

表1 灌漿樁腿與非灌漿樁腿節(jié)點(diǎn)位移

可見灌漿樁腿與非灌漿樁腿在正常作業(yè)工況下，位移都比較小。在冰載工況下，位移稍大，但都在安全范圍內(nèi)。非灌漿樁腿較灌漿樁腿整體位移偏大，非灌漿樁腿的節(jié)點(diǎn)位移較灌漿樁腿的節(jié)點(diǎn)位移大30%～80%左右，可見灌漿樁腿較之非灌漿樁腿在抵抗節(jié)點(diǎn)位移方面有著較好的優(yōu)勢。由于節(jié)點(diǎn)位移影響著平臺(tái)的晃動(dòng)，所以灌漿樁腿平臺(tái)較之非灌漿樁腿平臺(tái)晃動(dòng)較小，工作環(huán)境較舒適。

3.3.2 桿件安全系數(shù)比較

將樁腿部分在各種工況中所受的最大應(yīng)力，在灌漿樁腿和非灌漿樁腿作一比較，其中樁腿部分采用DH36高強(qiáng)度鋼，其屈服強(qiáng)度為355N/mm2（見表2）。

表2 樁腿所受應(yīng)力值比較

可見，水面下的樁腿受力明顯大于水面上的樁腿，非灌漿樁腿應(yīng)力值略大于灌漿樁腿的應(yīng)力值，但兩者差距較小，均不超過355N/mm2?？梢姽酀{樁腿較之非灌漿樁腿在強(qiáng)度上沒有起到特別重要的作用。

3.4 冰載計(jì)算結(jié)果分析

對下部基礎(chǔ)在兩種冰力下的所有桿件UC值進(jìn)行比較，其中，50a一遇的單樁冰載為2000kN，100a一遇的單樁冰載為3000kN（見表3）。

表3 兩種冰力下桿件UC值比較

分析上表可知，樁腿強(qiáng)度可以很好的應(yīng)對50a一遇的冰載，當(dāng)單樁冰載為100a一遇的狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已處于不滿足要求的臨界點(diǎn)，且構(gòu)件集中于H12和H24兩組中，尤其是H12組中的構(gòu)件，按照木桶原理，只要對H12組中的構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，便可以提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

4 結(jié) 語

通過對勝利埕島油田某中心固定平臺(tái)進(jìn)行各種工況組合下的模擬計(jì)算，分析比較了灌漿樁腿和非灌漿樁腿的優(yōu)劣，分析所得數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

1）在相同工況下，比較相同節(jié)點(diǎn)在是否為灌漿形式下的位移，可見非灌漿樁腿的節(jié)點(diǎn)位移較灌漿樁腿的節(jié)點(diǎn)位移大30%～80%左右；

2）比較灌漿樁腿和非灌漿樁腿部分所受的應(yīng)力大小，灌漿樁腿所受應(yīng)力略小于非灌漿樁腿，其作用并不明顯；

3）灌漿樁腿平臺(tái)較之非灌漿樁腿平臺(tái)晃動(dòng)較小，灌漿樁腿平臺(tái)人員舒適度更好；

4）當(dāng)單樁冰力采用100a一遇工況時(shí)，生產(chǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大應(yīng)力值，集中于H12和H24兩組構(gòu)件中，且H12構(gòu)件組最大UC值達(dá)到0.99，所以只需要提高H12組中構(gòu)件的強(qiáng)度，即-7.0～-12.2m的φ500×16的水平斜拉筋便可以抵御100a一遇的冰載荷，使得生產(chǎn)平臺(tái)整體強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)新的層面。

[1] 國家海洋局第一海洋研究所. 《埕島油田某中心平臺(tái)地形測量及地質(zhì)勘察成果報(bào)告》[R]. 2009.

[2] 中國船級社. 淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2004.

[3] 中國石油天然氣總公司. 淺海環(huán)境條件與荷載技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：石油工業(yè)出版社，1995.

[4] 唐友剛. 高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2002.

[5] API RP 2A-WSD 21stEdition. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing fixed Offshore Platforms Working Stress Design[S]. 2000.