浮式生產(chǎn)平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)特點(diǎn)研究

付殿福，賈 旭，文志飛，沈曉鵬

(1. 中海油研究總院，北京 100029；2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

浮式生產(chǎn)平臺(tái)是深水油氣資源開發(fā)重要手段，國(guó)際上常見的浮式生產(chǎn)平臺(tái)主要包括半潛式生產(chǎn)平臺(tái)（SEMI）、張力腿平臺(tái)（TLP）、單柱式平臺(tái)（SPAR）等。上述3種類型的生產(chǎn)平臺(tái)在深水油氣田開發(fā)中的應(yīng)用比例基本相當(dāng)，且各有優(yōu)缺點(diǎn)。

目前我國(guó)自行開發(fā)研制的海洋油氣開發(fā)裝備主要是導(dǎo)管架平臺(tái)與自升式平臺(tái)，這些平臺(tái)的工作區(qū)域主要集中在淺海和近海海域，水深基本都小于200 m[1]。1996年3月，我國(guó)第1座半潛式生產(chǎn)平臺(tái)“南海挑戰(zhàn)”號(hào)投產(chǎn)于南海流花11-1油田，它是由1艘1975年建造的半潛式鉆井平臺(tái)改裝而成，其作業(yè)水深為310 m[2]。張力腿平臺(tái)（TLP）、單柱式平臺(tái)（SPAR）目前在國(guó)內(nèi)海域未有應(yīng)用案例。

目前大多數(shù)針對(duì)深水結(jié)構(gòu)物的研究多集中于船體結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)及深水立管系統(tǒng)等方面，較少有涉及深水結(jié)構(gòu)物上部組塊結(jié)構(gòu)的研究文獻(xiàn)。本文重點(diǎn)研究討論了各種類型浮式生產(chǎn)平臺(tái)的上部組塊，對(duì)其受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析。

1 固定平臺(tái)與浮式平臺(tái)上部組塊受力特點(diǎn)

固定式平臺(tái)是近海油氣田開發(fā)重要平臺(tái)，以導(dǎo)管架平臺(tái)較為常見，其結(jié)構(gòu)分為上部組塊、導(dǎo)管架和鋼樁3部分，整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼樁固定于海底。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)自身剛度較大，整個(gè)平臺(tái)所受波浪力主要由導(dǎo)管架承擔(dān)，并通過(guò)鋼樁最終傳遞到海底土壤中，如圖1所示。

以導(dǎo)管架平臺(tái)為代表的固定式平臺(tái)上部組塊受到的環(huán)境荷載包括風(fēng)荷載、波浪荷載、流荷載以及地震荷載。但因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，絕大多數(shù)波浪荷載和流荷載均通過(guò)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)和鋼樁傳遞到海底土壤中。以南海某8腿導(dǎo)管架鉆采平臺(tái)為例，其上部組塊所受波浪和流力合力大小約為6 000 t，但這部分力最終都表現(xiàn)為導(dǎo)管架平臺(tái)的基底剪力，幾乎對(duì)8根組塊腿不產(chǎn)生擠壓力或分離力。

浮式平臺(tái)是深水油氣田開發(fā)重要平臺(tái)，以半潛式生產(chǎn)平臺(tái)、張力腿平臺(tái)、單柱式平臺(tái)較為常見，其結(jié)構(gòu)分為上部組塊、船體、系泊系統(tǒng)（或張力腿）和樁基礎(chǔ)4部分。其船體結(jié)構(gòu)剛度與導(dǎo)管架平臺(tái)相比較弱；用于固定平臺(tái)的系泊系統(tǒng)（或張力腿）剛度則更弱，如圖2所示。

浮式平臺(tái)的上部組塊受到的環(huán)境荷載包括風(fēng)荷載、波浪荷載。與固定式平臺(tái)不同的是，浮式平臺(tái)上部組塊受到的波浪荷載作用效果分為兩部分：1）由于浮式平臺(tái)多為四立柱的半潛式船體結(jié)構(gòu)，且船體剛度較弱，不同相位的波浪作用于船體會(huì)產(chǎn)生較大的擠壓力、分離力及扭轉(zhuǎn)力；2）上部組塊隨著船體一起在波浪中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度荷載。以南海某張力腿平臺(tái)為例，其所上部組塊所受擠壓力（分離力）約為7 000 t。

2 浮式平臺(tái)上部組塊的結(jié)構(gòu)形式

浮式生產(chǎn)平臺(tái)上部組塊的功能主要分為兩方面：1）提供空間，包括上部設(shè)備設(shè)施的安裝及操作空間、管線電纜的布置空間、安全及救逃生集合空間、日常辦公生活空間等；2）保證強(qiáng)度，包括上部設(shè)施的支撐強(qiáng)度、陸地建造強(qiáng)度、海上運(yùn)輸及施工強(qiáng)度、在位狀態(tài)下的風(fēng)浪流及地震等強(qiáng)度。

近年來(lái)，各類新建浮式生產(chǎn)平臺(tái)的上部組塊根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式主要可分為箱型組塊、桁架型組塊及混合型組塊3類，如圖3所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在服役的浮式平臺(tái)中半潛式生產(chǎn)平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)形式較為多樣，既有箱型又有桁架型和混合型；在服役的張力腿平臺(tái)幾乎全部采用桁架型組塊；單柱式平臺(tái)幾乎全部采用桁架型組塊。

其中桁架型組塊根據(jù)其受力特點(diǎn)可分為承載式、非承載式、Seastar式和平衡式4種形式。

相對(duì)于鉆井平臺(tái)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)平臺(tái)要求的甲板空間和可變載荷有所差別，生產(chǎn)平臺(tái)因有大量的油氣處理設(shè)施，需要較多的開放式甲板空間便于設(shè)備通風(fēng)，因此生產(chǎn)平臺(tái)采用桁架型組塊較多。

2.1 半潛式生產(chǎn)平臺(tái)

1975年，世界上第1座半潛式生產(chǎn)平臺(tái)Argyll FPF誕生，它由Transworld 58號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)改造而成，作業(yè)于北海海域Argyll 油田。該平臺(tái)為一代半潛式鉆井平臺(tái)，上部組塊型式單層甲板無(wú)橫撐設(shè)計(jì)。

在服役的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)中有9座采用箱型組塊，7座采用桁架型組塊，7座采用混合式組塊[3]。

箱型甲板的主要特點(diǎn)是：甲板由板格結(jié)構(gòu)構(gòu)成，相對(duì)封閉，上部甲板載荷可以通過(guò)板格構(gòu)成的艙壁直接傳遞到立柱的艙壁上。其優(yōu)點(diǎn)為：總體強(qiáng)度好；甲板與船體的連接簡(jiǎn)單；可以為平臺(tái)提供大傾角穩(wěn)性。缺點(diǎn)為：建造難度較大；用鋼量較大。

桁架式甲板主要由桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)成開放空間，上部甲板載荷經(jīng)由強(qiáng)梁傳遞到與立柱上。其優(yōu)點(diǎn)為：甲板與船體相對(duì)獨(dú)立，可以分開建造，利于選擇建造資源甲板鋼結(jié)構(gòu)重量小。缺點(diǎn)為：組塊與船體連接處受力集中，疲勞問題嚴(yán)重。

混合式甲板由板和桁架結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成，一般四角為板殼結(jié)構(gòu)，之間通過(guò)桁架結(jié)構(gòu)連接，上部甲板載荷經(jīng)由四角的板格結(jié)構(gòu)傳遞到立柱的艙壁上[4]。優(yōu)缺點(diǎn)介于箱型甲板和桁架型甲板之間。

2.2 張力腿平臺(tái)（TLP）

世界上第1座真正應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的 TLP是Hutton平臺(tái)，它在 1984 年由 Conoco 公司安裝到了北海Hutton油田，就位水深 157 m[5]。其上部組塊采用了導(dǎo)管架平臺(tái)常用的桁架型結(jié)構(gòu)。在其后陸續(xù)建造的Auger，Mars，Marlin，Malikai等TLP平臺(tái)上部組塊全部采用桁架型結(jié)構(gòu)。

按主體類型的不同，張力腿平臺(tái)可以分為傳統(tǒng)式張力腿平臺(tái)（CTLP）、延伸式張力腿平臺(tái)（ETLP）、海星式張力腿平臺(tái)（Seastar TLP）和MOSES張力腿平臺(tái)（MOSES TLP）4類[6]。根據(jù)其不同的船體結(jié)構(gòu)形式，其上部組塊結(jié)構(gòu)受力形式也有較大差異，因此桁架型的TLP平臺(tái)上部組塊根據(jù)其受力形式又可分為承載式、非承載式、Seastar式。

1）承載式（Integrated topsides ）。上部組塊結(jié)構(gòu)承受擠壓和拉伸荷載以及運(yùn)動(dòng)引起的加速度。承載式組塊自身剛度較強(qiáng)，在組塊下方的船體立柱之間不設(shè)置斜撐結(jié)構(gòu)。如圖4所示，其代表平臺(tái)為Auger，Mars等TLP。

2）非承載式（Top hull frames）。在組塊與船體對(duì)接腿下方的4個(gè)立柱間設(shè)有較強(qiáng)的斜撐，因此上部組塊結(jié)構(gòu)不承受擠壓和拉伸荷載，僅承受運(yùn)動(dòng)引起的加速度。雖然不承受擠壓和拉伸荷載，但由于4個(gè)立柱間距較大，非承載式組塊自身也有較高剛度要求。如圖5所示，其代表平臺(tái)為Auger，Mars等TLP。

3）SeaStar式。因其船體結(jié)構(gòu)由單浮筒構(gòu)成，組塊對(duì)接腿位于單浮筒上方，上組組塊隨船體整體運(yùn)動(dòng)，不承受擠壓力和分離力，僅承受加速度。但在連接處有較大的彎矩。如圖6所示，其代表平臺(tái)為Auger，Mars等 TLP。

2.3 單柱式平臺(tái)（Spar）

立柱式平臺(tái)（Spar）的主體由單個(gè)或多個(gè)豎直柱形浮體與下部桁架及壓載艙組成，支撐上部模塊[7]。1996 年Oryx 能源公司在墨西哥灣水深590 m 的Viosco knoll 826 區(qū)塊安裝了第1座Spar 油氣開發(fā)平臺(tái)Neptune，標(biāo)志著第1代Classic Spar 平臺(tái)的誕生[8]。其上部組塊采用了導(dǎo)管架平臺(tái)常用的桁架型結(jié)構(gòu)。

后續(xù)設(shè)計(jì)建造的Spar平臺(tái)的上部組塊結(jié)構(gòu)形式較為統(tǒng)一，基本全部為桁架形式。Spar平臺(tái)上部組塊受力特點(diǎn)與功能需求與SEASTAR式TLP平臺(tái)類似，二者上部組塊結(jié)構(gòu)形式基本一致。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

浮式平臺(tái)上部組塊的結(jié)構(gòu)形式多樣、受力復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與常規(guī)固定平臺(tái)有所區(qū)別?？傮w來(lái)看，浮式平臺(tái)上組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始終圍繞如何減重和改善疲勞性能2個(gè)重要方面開展。本文以桁架型承載式組塊為例總結(jié)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與常規(guī)固定平臺(tái)的不同點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)。

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制工況

以在位強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)平臺(tái)，其他運(yùn)輸安裝工況通過(guò)加臨時(shí)結(jié)構(gòu)解決。

2）結(jié)構(gòu)材料選擇

常規(guī)固定平臺(tái)的上部組塊結(jié)構(gòu)材料選擇常常是強(qiáng)度和剛度控制，浮式平臺(tái)受強(qiáng)度和剛度控制外，疲勞更需控制。鋼材強(qiáng)度的提高并不能提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。超高強(qiáng)鋼的選用應(yīng)綜合權(quán)衡結(jié)構(gòu)桿件的強(qiáng)度水平和疲勞壽命。特別是疲勞關(guān)鍵部位選用超高強(qiáng)鋼，由于許用應(yīng)力的提高，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平高，反而縮短疲勞壽命。

3）空間構(gòu)型

變截面梁較多以降低實(shí)際應(yīng)力；所有節(jié)點(diǎn)都盡量采用圓弧過(guò)渡/坡過(guò)渡，改善力的傳遞路徑，避免結(jié)構(gòu)突變，減小應(yīng)力集中。

4）組塊與船體連接結(jié)構(gòu)高度疲勞敏感性

承擔(dān)組塊與船體對(duì)接及在位狀態(tài)下的荷載，高度一般為1～3 m，由于組塊和船體的全部荷載均通過(guò)此對(duì)接結(jié)構(gòu)傳遞，因此該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞性能要求非常高。個(gè)別實(shí)際項(xiàng)目中為達(dá)到強(qiáng)度和疲勞性能的雙重要求可能采用鑄造材料。

浮式生產(chǎn)平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方法與固定平臺(tái)基本一致，但由于其結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)、合攏方案等不同，導(dǎo)致各計(jì)算分析的要求與固定平臺(tái)有一定差異。因浮式平臺(tái)上部組塊一般不受地震影響，因此無(wú)需進(jìn)行地震分析。需注意在位分析的船體剛度、各類施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)剛度的模擬。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著海洋石油不斷向深水挺進(jìn)，各類浮式生產(chǎn)平臺(tái)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)本文所敘述的浮式生產(chǎn)平臺(tái)上部組塊受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)可見，浮式平臺(tái)上部組塊在選型和設(shè)計(jì)中與常規(guī)固定平臺(tái)有較多不同。

結(jié)構(gòu)選型是浮式平臺(tái)前期設(shè)計(jì)階段一項(xiàng)重要工作，開展結(jié)構(gòu)選型時(shí)應(yīng)綜合考慮船體的結(jié)構(gòu)形式及其與組塊的連接方式、上部組塊重量、拖航穩(wěn)性、安裝方式等方面。

開展浮式平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意其與常規(guī)固定式平臺(tái)上部組塊設(shè)計(jì)的區(qū)別：包括結(jié)構(gòu)形式、材料、功能方面的區(qū)別；規(guī)范、設(shè)計(jì)工況、方法及側(cè)重點(diǎn)變化等方面的變化。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)始終圍繞減重和改善結(jié)構(gòu)疲勞性能2個(gè)重要方面開展。

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