海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略探討

陳田輝

摘 要：海洋平臺(tái)是為開(kāi)發(fā)海洋資源而建立的海上生產(chǎn)場(chǎng)所，加強(qiáng)海洋平臺(tái)的建設(shè)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)海洋油氣的安全開(kāi)發(fā)、緩解資源匱乏具有重要意義。本文結(jié)合海洋平臺(tái)的相關(guān)理論，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略進(jìn)行探討，旨在對(duì)促進(jìn)海上安全生產(chǎn)有所幫助。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；策略

1.海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn)分析

自然資源是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的動(dòng)力，海洋中蘊(yùn)藏著豐富的金屬礦產(chǎn)和油氣資源，研究表明，海洋中的自然資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于陸地，高效、科學(xué)地開(kāi)發(fā)海洋資源、進(jìn)行海上生產(chǎn)為緩解能源緊缺的現(xiàn)狀開(kāi)辟了道路。海洋平臺(tái)是為進(jìn)行海洋資源的開(kāi)發(fā)和保護(hù)而建立的海上生產(chǎn)場(chǎng)所，按照功能可以將其劃分為鉆井平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)、儲(chǔ)油平臺(tái)等。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，鉆井平臺(tái)主要包括坐底式、自升式和半潛式三種。坐底式鉆井平臺(tái)是一種可以移動(dòng)的平臺(tái)，由本體和下體兩部分組成，是早期應(yīng)用于淺水區(qū)的一種作業(yè)平臺(tái)，根據(jù)工作情況本體和下體分別發(fā)揮不同的作用。自升式鉆井平臺(tái)可以自動(dòng)升降，由一個(gè)上層平臺(tái)和幾個(gè)可以升降的樁組成，能夠滿足移動(dòng)位置時(shí)浮性及穩(wěn)性的要求，移位較為靈活方便，目前應(yīng)用較為廣泛。半潛式鉆井平臺(tái)大部分浮體沉沒(méi)于水中，可移動(dòng)、較穩(wěn)定，這對(duì)海上安全生產(chǎn)具有重要意義。除鉆井平臺(tái)外，生產(chǎn)平臺(tái)也是在海上油氣開(kāi)發(fā)中非常重要的一種設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)采油、貯存、油氣處理等功能，可分為重力式采油平臺(tái)、導(dǎo)管架式采油平臺(tái)等。經(jīng)目前勘探研究發(fā)現(xiàn)，海洋中蘊(yùn)含有大量的油氣資源，加強(qiáng)海洋平臺(tái)的建設(shè)和研究對(duì)促進(jìn)資源的開(kāi)發(fā)、改善我國(guó)資源匱乏的局面，進(jìn)而提升我國(guó)的綜合實(shí)力和國(guó)際地位具有非常重要的意義。

2.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的策略

2.1加強(qiáng)平臺(tái)的極限承載能力及特殊結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析

海洋平臺(tái)的穩(wěn)定、安全主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，要做到科學(xué)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要加強(qiáng)平臺(tái)極限承載能力和特殊結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度分析。在對(duì)海洋平臺(tái)的極限承載能力進(jìn)行估計(jì)和計(jì)算的過(guò)程中，必須考慮平臺(tái)工作時(shí)間、持久載荷、瞬時(shí)載荷的影響，這樣才能求得科學(xué)的極限承載能力。海洋平臺(tái)在結(jié)構(gòu)上通常具有較大的柔度和較小的剛度，因而在工作環(huán)境較為惡劣的情況下（如惡劣天氣、較大海浪沖擊等）會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌等事故，因此海洋平臺(tái)的極限承載能力能夠有效反映平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。除了要考慮平臺(tái)最大承載能力外，還要考慮平臺(tái)特殊部位的受力情況，因?yàn)槠脚_(tái)不同結(jié)構(gòu)位置的承載載荷具有較大差異，比如在樁柱處受力較大，在結(jié)構(gòu)連接固定部位受力不均勻等。在正常工作環(huán)境下，海洋平臺(tái)滿載并且達(dá)到預(yù)定指標(biāo)時(shí)的工作狀態(tài)稱為正常作業(yè)工況，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限載荷及特殊結(jié)點(diǎn)的承載設(shè)計(jì)值必須高于正常作業(yè)工況下的承載能力。此外，大型打樁及整平裝置工作時(shí)所引起的附加力和彎矩對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定工作所造成的影響也是不容忽視的。加強(qiáng)海洋平臺(tái)極限承載能力和特殊結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有對(duì)平臺(tái)進(jìn)行正確的受力分析及載荷預(yù)測(cè)，才能在平臺(tái)設(shè)計(jì)中選出合適的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而提高平臺(tái)的穩(wěn)定性。

2.2利用平臺(tái)有限元分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化

有限元模型分析方法是在海洋平臺(tái)模型建立中常用的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)的受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行模擬，對(duì)海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要作用。在平臺(tái)自存、升降以及正常的工作狀況下，樁腿結(jié)構(gòu)所受載荷與波浪力的大小及入射角度有關(guān)，在計(jì)算時(shí)需要采用相位角試算方法找到最不利的波浪載荷。首先要建立與載荷相關(guān)的有限元模型，根據(jù)平臺(tái)建設(shè)的要求選擇樁腿的布置及結(jié)構(gòu)尺寸，利用相關(guān)軟件模擬海洋波浪及風(fēng)載作用時(shí)的平臺(tái)狀態(tài)，進(jìn)而選出最佳的布置方案。其次，在模型中按照一定的順序輸入載荷方向及大小對(duì)其進(jìn)行試算，并計(jì)算特殊結(jié)點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的受力，進(jìn)而選擇適應(yīng)結(jié)構(gòu)要求的建材。海洋平臺(tái)通常是在經(jīng)過(guò)預(yù)壓后的地基土上建設(shè)的，其承載力能夠滿足支撐平臺(tái)的要求，故而在利用有限元法進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)通常不考慮海底基礎(chǔ)的影響，將樁靴下半部功能結(jié)點(diǎn)作為鉸支進(jìn)行受力分析，以此來(lái)作為平臺(tái)計(jì)算模型的邊界條件。利用平臺(tái)有限元分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是基于計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)模型建立和運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及受力分析，對(duì)特殊結(jié)點(diǎn)及特殊工作環(huán)境下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)也能進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.3考慮環(huán)境因素的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)的工作環(huán)境通常是復(fù)雜多變的，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過(guò)程中必須考慮環(huán)境因素的影響。平臺(tái)所受的環(huán)境載荷主要有波浪載荷、風(fēng)載荷、海流載荷等，其對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、安全性評(píng)價(jià)都有很大的影響。在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，波浪載荷是對(duì)平臺(tái)強(qiáng)度影響最大的一個(gè)方面，主要作用于平臺(tái)水面及水下樁腿處，根據(jù)平臺(tái)所處位置海浪特征正確估算載荷大小，進(jìn)而進(jìn)行科學(xué)的強(qiáng)度分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。利用設(shè)計(jì)波的高階波理論能夠引入海流的影響并對(duì)波浪力的非線性成分進(jìn)行處理，進(jìn)而更加貼近實(shí)際海洋環(huán)境下的工作狀態(tài)。在平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)平臺(tái)工作水深選擇不同的波浪理論計(jì)算波浪載荷的大小。海流載荷是海洋中不同類型水體的合成流動(dòng)對(duì)平臺(tái)的作用力，海流的運(yùn)動(dòng)速度通常比較緩慢，對(duì)平臺(tái)的作用也比較穩(wěn)定，可以考慮為一個(gè)定載荷。此外，在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還必須考慮風(fēng)載荷的影響，主要是根據(jù)風(fēng)力和風(fēng)向的大小進(jìn)行載荷分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.總結(jié)

加強(qiáng)海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是海上安全生產(chǎn)的保障，對(duì)促進(jìn)海上油氣資源的開(kāi)發(fā)具有重要意義。海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過(guò)有限元模型分析方法實(shí)現(xiàn)，在保障安全的基礎(chǔ)上提高效益，這也是海洋石油鉆井和開(kāi)發(fā)的主要研究方向之一。

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