固定式海洋平臺(tái)底層甲板高度計(jì)算方法

王春霞，李亞菲，王戰(zhàn)勇

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固定式海洋平臺(tái)底層甲板高度計(jì)算方法

王春霞，李亞菲，王戰(zhàn)勇

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

依據(jù)API RP 2A-WSD、ISO 19902-2007、海上固定平臺(tái)安全規(guī)則以及殼牌DEP標(biāo)準(zhǔn)的推薦做法，總結(jié)了依據(jù)海洋環(huán)境條件確定固定式海洋平臺(tái)底層甲板高度的準(zhǔn)則和計(jì)算方法。對(duì)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、潮汐、空氣間隙、最大波峰高程等參數(shù)的定義、選取、計(jì)算方法進(jìn)行了描述。結(jié)合具體工程實(shí)例的環(huán)境參數(shù)，詳細(xì)說(shuō)明了各參數(shù)計(jì)算過程，為總體設(shè)計(jì)中底層甲板高度的估算或精確計(jì)算提供參考。

甲板高度；最大波峰高程；重現(xiàn)期；空氣間隙

海上油田的生產(chǎn)一般以固定設(shè)施為基地。固定設(shè)施是指建立在海上的固定建筑物。固定設(shè)施的工作年限較長(zhǎng)，在使用期內(nèi)不能移動(dòng)，所以固定設(shè)施的安全性和可靠性非常重要，它要承受在使用期內(nèi)改海域可能出現(xiàn)的最大環(huán)境載荷，而且要在最惡劣的環(huán)境條件下能夠生存和繼續(xù)工作，否則將造成嚴(yán)重的人員傷亡、設(shè)備損失、油田停產(chǎn)、與環(huán)境污染等危害事件。海上固定平臺(tái)設(shè)施有各種各樣，按其結(jié)構(gòu)形式可分為樁基式平臺(tái)、重力式平臺(tái)、人工島、和順應(yīng)塔石平臺(tái)；按其用途可分為井口平臺(tái)、生產(chǎn)處理平臺(tái)等。樁基式固定設(shè)施一般指樁基式固定平臺(tái)，通常為鋼制固定平臺(tái)，是目前海上油氣生產(chǎn)中應(yīng)用最多的一種機(jī)構(gòu)形式，主要由三大部分組成：導(dǎo)管架、樁、和甲板組塊[1]。

甲板高程是平臺(tái)規(guī)劃中非常重要的尺度，它對(duì)決定支撐結(jié)構(gòu)的輪廓尺度有重要影響。在波浪沖擊平臺(tái)下甲板和設(shè)備時(shí)，將產(chǎn)生大的作用力和傾覆力矩， 因此甲板高程應(yīng)提供在設(shè)計(jì)波浪波峰以上有主夠的間距，平臺(tái)已被設(shè)計(jì)成能抵抗這些力的除外。另外，應(yīng)考慮提供一個(gè)空氣間隙，以容許大于設(shè)計(jì)波的波浪通過。

1 底層甲板高度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

目前海洋石油工程界計(jì)算固定海洋平臺(tái)底層甲板高度是基于的API RP 2A-WSD[4]的推薦做法，一般應(yīng)該采用100年重現(xiàn)期的指導(dǎo)性波高，以及合適的波浪理論及波陡計(jì)算出風(fēng)暴水位以上的波峰高程，包括指導(dǎo)性風(fēng)暴潮在內(nèi)?？紤]到不可預(yù)見的平臺(tái)沉降、水深的不確定性及極端波浪的可能性，為了避免波浪沖擊甲板，在確定底層甲板梁的最小標(biāo)高時(shí)，應(yīng)在波峰高程之上增加至少1.5 m的安全裕量或空氣間隙。

常規(guī)的國(guó)內(nèi)項(xiàng)目一般按照海上固定平臺(tái)安全規(guī)則[3]的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)最下層甲板高程的設(shè)計(jì)要求是保證平臺(tái)最下層甲板處于設(shè)計(jì)環(huán)境條件時(shí)潮汐與波浪最不利情況下的最大波峰高程以上，并留有至少1.5 m的間隙。

ISO 19902-2007[5]規(guī)定在設(shè)計(jì)波峰高度和甲板最低點(diǎn)（梁、設(shè)備、固定設(shè)施）之間要留有安全間隙或空氣間隙，從而異常波峰不會(huì)對(duì)甲板造成沖擊，如果甲板高度不夠，波浪的作用力完全控制著結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。選擇的甲板高度要使波浪作用的頻率與結(jié)構(gòu)的目標(biāo)失效率一致。

對(duì)于甲板高度的計(jì)算ISO 19902-2007[5]給出兩種推薦做法。第一種方法是在有足夠準(zhǔn)確全面的海洋氣象參數(shù)時(shí)，利用獲得的長(zhǎng)期表面高度數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性條件，采用合理的推理過程得出各種不同層次的組合，來(lái)預(yù)測(cè)相對(duì)于甲板的最大表面高度。這種情況下，得出是接近結(jié)構(gòu)目標(biāo)失效率的高度值，從而不需要增加額外的空氣間隙。但是對(duì)于這種方法，ISO 沒有給出具體的計(jì)算理論和公式。

第二種方法是在沒有準(zhǔn)確全面的環(huán)境參數(shù)時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和判斷，采用下面的公式（1）或（2）估算平均海平面高度以上的甲板高度。

假設(shè)異常波浪高峰和風(fēng)浪涌不同時(shí)出現(xiàn)，即不考慮風(fēng)浪涌的作用，采用公式（1）計(jì)算甲板高度；

假設(shè)異常波浪高峰和風(fēng)浪涌同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，即，采用公式（2）計(jì)算甲板高度；

其中：—異常波峰高度；

—極端風(fēng)浪涌；

—相對(duì)于平均海平面的最大潮標(biāo)高；

—結(jié)構(gòu)使用壽命期內(nèi)預(yù)計(jì)沉降及海平面上升之和。

在深水和中水海域，a 的值可采用百年一遇的極端波浪峰值高度進(jìn)行近似，如式（3）、（4），

海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第一冊(cè)[2]也提供了在總體設(shè)計(jì)初期估算底層甲板高度的方法，提出采用2/3百年一遇的波高作為波峰高程，最終結(jié)果應(yīng)與結(jié)構(gòu)專業(yè)依據(jù)環(huán)境條件計(jì)算結(jié)果一致。估算公式如式（5），

—底部甲板梁高。

有冰海域的平臺(tái)，確定甲板高城要考慮平臺(tái)前堆積冰的高度。

2 環(huán)境參數(shù)的確定

API PR 2A-WSD、ISO 19902以及海上固定安全平臺(tái)準(zhǔn)則對(duì)底層甲板高度的推薦做法中，其共同點(diǎn)是考慮一定重現(xiàn)期內(nèi)波浪、浪涌、潮的最不利組合，計(jì)算極端波峰高度，同時(shí)考慮一定的空氣間隙。

2.1 重現(xiàn)期

海況設(shè)計(jì)的重現(xiàn)期應(yīng)是平臺(tái)規(guī)劃壽命的倍數(shù)。API PR 2A -WSD[4]推薦采用100年作為海況設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，適用于事件發(fā)生期間有人居住的新建和重新移位的平臺(tái)，或者構(gòu)件損壞或嚴(yán)重?fù)p傷即可能導(dǎo)致嚴(yán)重失效后果的結(jié)構(gòu)。

海洋石油工程設(shè)計(jì)指南規(guī)定根據(jù)平臺(tái)所處于的海域確定重現(xiàn)期，渤海區(qū)域按50年的重現(xiàn)期考慮，其他海域一般按100年的重現(xiàn)期考慮。

殼牌的DEP標(biāo)準(zhǔn)[6]對(duì)ISO 19902-2007 相關(guān)條款進(jìn)行了增補(bǔ)，規(guī)定了不同暴露等級(jí)下的推薦值，即甲板暴露等級(jí) 為L(zhǎng)1的，采用 10000年的重現(xiàn)期，甲板暴露等級(jí)為L(zhǎng)2的，采用1000年重現(xiàn)期。甲板暴露等級(jí)為L(zhǎng)3的，采用100年重現(xiàn)期的。ISO 19902中給出了暴露等級(jí)的定義如表1所示。

表1 暴露等級(jí)的定義

2.2 潮汐

潮汐分為天文潮、風(fēng)成潮和壓差潮。后兩者經(jīng)常組合在一起，稱作風(fēng)暴涌（storm surge），三者的組合成為風(fēng)暴潮（storm tide），在海洋固定平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，風(fēng)暴潮的高程是基準(zhǔn)面，風(fēng)暴波浪疊加在它的上面。API 等推薦做法中的潮位不是單純的天文潮而是天文潮與風(fēng)暴潮的疊加，因而存在著重復(fù)疊加的問題，計(jì)算出來(lái)的甲板高度值較保守[8]。

2.3 空氣間隙

空氣間隙是考慮平臺(tái)的沉降、水深的不確定性和極端海浪的可能性，在計(jì)算得到的波峰高程上加一定的安全余量，一般推薦值至少為1.5 m，對(duì)已知或預(yù)期的長(zhǎng)期海床沉陷的情況，還應(yīng)增加一定的間隙。通過對(duì)海洋氣象的數(shù)據(jù)分析表明在某些海域，1.5 m的空氣間隙并不總是能滿足的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，要根據(jù)平臺(tái)所處的海域增加和減少空氣間隙。殼牌的DEP標(biāo)準(zhǔn)[6]也指出根據(jù)穩(wěn)定性研究的結(jié)果，甲板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是由波浪沖擊甲板時(shí)產(chǎn)生的非常大的力控制的，出于這個(gè)原因，必須對(duì)重現(xiàn)期內(nèi)（等于結(jié)構(gòu)目標(biāo)年穩(wěn)定性的重復(fù)期）計(jì)算的最大波峰高程進(jìn)行校核，必要時(shí)增加空氣間隙，確保極端波浪不會(huì)沖擊到甲板以上，對(duì)甲板結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道造成損壞。

2.4 最大甲板高程

最大波峰高程指的是在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下，潮汐和波浪最不利組合所能達(dá)到的最大高度。

在項(xiàng)目初期，有時(shí)會(huì)采用百年一遇的波浪高度近似波峰高程，通過實(shí)際計(jì)算對(duì)比表明這種做法過于保守，估算出的甲板標(biāo)高比通過計(jì)算得出的值高很多，造成平臺(tái)造價(jià)提高。

精確的重現(xiàn)期內(nèi)波峰高程，是要根據(jù)重現(xiàn)期內(nèi)最大波周期、最大波高、和風(fēng)暴水深，采用合適階的流函數(shù)波浪理論來(lái)計(jì)算二維規(guī)則波浪運(yùn)動(dòng)。目前固定海洋平臺(tái)多數(shù)情況下是采用Stocks五階波來(lái)計(jì)算。五階波理論是目前工程計(jì)算中應(yīng)用廣泛的波浪理論，它能正確反映淺水波浪的非線性特性，研究表明[10]，從深水到水深波長(zhǎng)之比為0.07的極淺水條件下，由五階Stokes 波計(jì)算的波面樁柱波浪力及其隨時(shí)間變化的過程 都能較好的符合實(shí)測(cè)結(jié)果。如果選用適當(dāng)?shù)碾A次求解，也可以使用其他一些波浪理論，如擴(kuò)展速度勢(shì)理論和Chappelear理論求解。

3 底層甲板高度計(jì)算實(shí)例

文章以卡塔爾項(xiàng)目的NFA 氣田的新建井口平臺(tái)為例，對(duì)底層甲板的高度計(jì)算進(jìn)行說(shuō)明。NFA氣田位于波斯灣北海域，已建有兩座井口平臺(tái)，全部通過棧橋連接到生產(chǎn)平臺(tái)。新建的井口平臺(tái)距離NFA平臺(tái)2 km，新平臺(tái)通常無(wú)人居住，所有處理過程和安全系統(tǒng)通過海底光纖電纜連接到NFA平臺(tái)。

底層甲板高度的計(jì)算基于API RP 2A –WSD的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 底層甲板標(biāo)高的計(jì)算

4 結(jié)束語(yǔ)

本文章僅限基于環(huán)境因素討論了底層甲板高度的計(jì)算方法，在實(shí)際工程項(xiàng)目中，還會(huì)受到其他因素影響，例如平臺(tái)采用浮托法安裝、底層甲板下設(shè)備的高度等。

平臺(tái)采用浮托安裝時(shí)，除了要考慮設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)，還要考慮駁船進(jìn)出的吃水安裝支架高度，具體計(jì)算方法井衛(wèi)東等對(duì)海上浮托安裝平臺(tái)布置設(shè)計(jì)[9]中有詳細(xì)的論述。

有時(shí)為了節(jié)省上部甲板的面積，將一些設(shè)備、管道布置在下層甲板，如開排泵、開排罐、排水管等，這樣布置充分利用了下部甲板的空間，節(jié)省甲板投資，但增加了導(dǎo)管架的尺寸高度，同時(shí)要考慮是否需要提高底層甲板的標(biāo)高，使設(shè)備管道處于空氣間隙之上，避免受到極端波浪的沖擊，否則在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮作用在這些部件上的波浪力，勢(shì)必也會(huì)增加人力資金的投入，所以在設(shè)計(jì)甲板高度時(shí)要綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)因素，使得設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

［1］《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第四冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2006.

［2］《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第一冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2006

［3］海上固定平臺(tái)安全規(guī)則[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)，2000.

［4］Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S]. Washington D.C: American Petroleum Institute, 2002.

［5］Petroleum and natural gas industries -Fixed steel offshore structures, ISO 19902 [S].Switzerland: ISO, 2007.

［6］depsepcification: fixed steel offshore structres (amendments/supplem- ents to iso 19902:2007) [s]. shellgsi: dep administrator, 2011.

［7］depsepcification: design of steel substuctures for fixed offshore platorms (ammends/supplements to apirp 2a-lrfd [s]. siop: dep administrator, 1994.

［8］劉德輔，宋艷，李曉冬. Poisson-Logistic 二元復(fù)合極值模型在平臺(tái)甲板標(biāo)高設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 海洋工程，2003，21(4): 35-40.

［9］井衛(wèi)東，胡曉明，郭偉寧，等. 海上浮托安裝平臺(tái)的布置設(shè)計(jì)[J]. 石油工程建設(shè)，2016(1):38-41.

［10］李炎保，楊鵬. 五階Stokes波計(jì)算的幾個(gè)注意點(diǎn)[J]. 海洋科學(xué)，1997(1): 65-67.

Calculation Methods of Lower Deck Elevation for Fixed Offshore Oil Platforms

(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd., Tianjin 300451, China)

Based on the recommend practice of API RP 2A-WSD, ISO19902-2009, Safety Rules for Offshore Fixed Platforms and SHELL DEP(Design and Engineering Practice) Specification, the criteria and calculation methods of lower deck elevation for fixed offshore platformswere summarized. The definition, selection and calculation methods of return period, tide, air gap and the maximum wave crest were described. Taking the environmental data of an actual project as an example, the detailed calculation process for each parameter was illustrated, which could provide reference for estimation and accurate calculation of lower deck elevation in overall design.

deck elevation；maximum wave crest elevation；return period；air gap

2016-11-24

王春霞（1983-），女，工程師，碩士，遼寧省大連人，2008年畢業(yè)于東北大學(xué)，研究方向：海洋石油平臺(tái)對(duì)總體布置和管道設(shè)計(jì)工作。

TQ 018

A

1004-0935（2017）01-0050-04