三立柱半潛式平臺(tái)的上部組塊人字形甲板設(shè)計(jì)

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(北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029)

0 引 言

半潛式平臺(tái)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于海上油田的勘探、開發(fā)中，其經(jīng)濟(jì)性、適用性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，是目前水深200 m以上油氣田開發(fā)主要的平臺(tái)型式之一[1]。由于該類平臺(tái)主要依靠立柱的水線面提供穩(wěn)性，所以也被稱為立柱穩(wěn)性平臺(tái)。其特點(diǎn)是相同的排水量下，水線面比其他形式的海洋結(jié)構(gòu)物小，平臺(tái)的自然周期遠(yuǎn)離波浪的主能量區(qū)，因此可以在極其惡劣的環(huán)境下依然保持良好的運(yùn)動(dòng)性能，特別適合在較惡劣的海況下作業(yè)[2]。因此，大量的深水鉆井平臺(tái)、深水生產(chǎn)平臺(tái)采用立柱穩(wěn)性平臺(tái)形式。

除去功能性的設(shè)備，半潛式平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)由以下幾部分構(gòu)成:(1)浮箱。浮箱在平臺(tái)最底部，主要作用是提供浮力，充壓載水并參與平臺(tái)總體強(qiáng)度。(2)立柱。立柱是浮箱與甲板之間最主要的連接、支撐結(jié)構(gòu)，并且提供整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)性。(3)甲板。甲板為整個(gè)平臺(tái)提供工作平面，使平臺(tái)可以布置功能性設(shè)備，完成一定的工作，如鉆井、生產(chǎn)等，并且也是平臺(tái)整體強(qiáng)度的重要組成部分。(4)撐桿。撐桿的結(jié)構(gòu)形式多樣，主要位于甲板下部和浮箱之間，用于減少甲板主梁跨度或提高平臺(tái)的總體強(qiáng)度。

目前在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中，淺水運(yùn)用較多的自升式鉆井平臺(tái)是三角形結(jié)構(gòu)，依靠可升降的3個(gè)樁腿/立柱支撐整個(gè)平臺(tái)。三腿/立柱平臺(tái)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，所以80%以上的自升式鉆井平臺(tái)采用三腿/立柱設(shè)計(jì)。對(duì)深水油氣田開發(fā)中常用的浮式平臺(tái)而言，采用三立柱的半潛式平臺(tái)同樣具有很好的經(jīng)濟(jì)性。在當(dāng)前低油價(jià)的環(huán)境下，開發(fā)多功能低成本的新型三立柱半潛式平臺(tái)可為國(guó)內(nèi)外石油公司的深水開發(fā)降本增效。在通常情況下，在同等排水量級(jí)別的基礎(chǔ)上，為了滿足穩(wěn)性要求，三立柱半潛式平臺(tái)的立柱間距要比常規(guī)四立柱半潛式平臺(tái)大。半潛式平臺(tái)的甲板結(jié)構(gòu)主要依靠平臺(tái)立柱和斜撐的有效支撐，大立柱間距給平臺(tái)甲板的布置和甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)一種高效、經(jīng)濟(jì)的甲板結(jié)構(gòu)形式以適應(yīng)大跨度三立柱半潛式平臺(tái)的要求十分必要。

1 人字形甲板設(shè)計(jì)思路

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)一種半潛式平臺(tái)人字形大跨度甲板型式。在設(shè)計(jì)上綜合桁架式、優(yōu)化布置及大跨度梁解決方案，以適合三立柱半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，克服了三立柱半潛式平臺(tái)的最大難點(diǎn)：大跨度的甲板設(shè)計(jì)及設(shè)備布置。配合該甲板的設(shè)計(jì)，使三立柱半潛式平臺(tái)低成本設(shè)計(jì)建造成為可行。

針對(duì)大跨度平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變形的問題，可以從2方面著手解決：(1)不斷增加結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足其相關(guān)強(qiáng)度和變形要求。但過高的結(jié)構(gòu)重量會(huì)使三立柱半潛平臺(tái)影響冗余度不高的儲(chǔ)備浮力和穩(wěn)性，無法滿足經(jīng)濟(jì)型半潛平臺(tái)的需要。(2)減少組塊結(jié)構(gòu)的有效跨度?？蓮钠脚_(tái)立柱上引出斜撐以支撐組塊結(jié)構(gòu)，選擇合理的斜撐支撐點(diǎn)，使其與立柱支撐形成框架式結(jié)構(gòu)，可承受較大工作載荷，既能有效降低平臺(tái)型材尺寸，降低結(jié)構(gòu)重量，又能滿足立柱的承載要求。

傳統(tǒng)的半潛平臺(tái)多采用箱型甲板結(jié)構(gòu)，但三立柱半潛平臺(tái)若采用箱型甲板結(jié)構(gòu)，由于三角形形狀的限制，盡管立柱跨度增加，但所能提供的甲板面積仍很有限。本文設(shè)計(jì)的上部組塊甲板結(jié)構(gòu)采用雙層桁架式結(jié)構(gòu)，雙層的甲板將提供雙倍的甲板面積，并在上層甲板處立柱上方位置將甲板向外延伸，使其俯視時(shí)看上去像“人”字形。這樣不但有效地增加了甲板面積，還可充分利用立柱自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的優(yōu)勢(shì)，把主要設(shè)備布置在立柱上方和立柱與斜撐形成的強(qiáng)框架之間。將主要荷載布置在這些已有的強(qiáng)結(jié)構(gòu)上方，可提高結(jié)構(gòu)的利用效率，使半潛式平臺(tái)的立柱不但為平臺(tái)提供浮力，還為整個(gè)平臺(tái)的上部模塊提供支撐。

為實(shí)現(xiàn)人字形甲板設(shè)計(jì)的技術(shù)驗(yàn)證和對(duì)比，本文以“南海挑戰(zhàn)”號(hào)FPS為設(shè)計(jì)對(duì)比，使人字形甲板在與FPS相同的工作環(huán)境條件下，滿足全部組塊的功能需求，計(jì)算校核人字形甲板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以驗(yàn)證人字形甲板的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。流花11-1“南海挑戰(zhàn)”號(hào)FPS如圖1所示。三立柱半潛式平臺(tái)及人字形甲板設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖1 流花11-1“南海挑戰(zhàn)”號(hào)FPS 圖2 三立柱半潛式平臺(tái)示意圖

2 人字形甲板的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 三立柱半潛式平臺(tái)主尺度

人字形甲板的設(shè)計(jì)依托是研發(fā)一種與“南海挑戰(zhàn)”號(hào)FPS功能及工作荷載相似，具有濕樹采油和鉆井功能的新型三立柱半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，三立柱半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的總體性能研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究已完成相關(guān)工作，其上部組塊的甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也將滿足相關(guān)功能需求，并且最大限度地降低組塊結(jié)構(gòu)的重量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能，降低建造成本。

三立柱半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)海域是中國(guó)南海，其設(shè)計(jì)水深范圍為300～1 000 m，屬中深水浮式結(jié)構(gòu)范圍。平臺(tái)的主尺度通常根據(jù)上部設(shè)施功能要求確定，典型參數(shù)見表1。

表1 三立柱半潛式平臺(tái)主尺度 m

2.2 環(huán)境條件

三立柱半潛式平臺(tái)的目標(biāo)作業(yè)海域是中國(guó)南海，環(huán)境條件較為惡劣，表2給出其作業(yè)海域風(fēng)、浪、流的環(huán)境條件，其中操作工況應(yīng)考慮一年一遇的環(huán)境條件，極端工況應(yīng)考慮百年一遇的環(huán)境條件，生存工況應(yīng)考慮千年一遇的環(huán)境條件。

表2 三立柱半潛式平臺(tái)環(huán)境條件

3 人字形甲板的結(jié)構(gòu)形式

三立柱半潛式平臺(tái)整個(gè)上部組塊結(jié)構(gòu)共包含2層主甲板，上層甲板采用人字形結(jié)構(gòu)，下層甲板由于剩余空間較大，采用三角形結(jié)構(gòu)即可，也可采用人字形結(jié)構(gòu)。

3.1 平臺(tái)的坐標(biāo)系統(tǒng)

人字形甲板的模型坐標(biāo)原點(diǎn)為平臺(tái)3個(gè)立柱構(gòu)成的等邊三角形的中心點(diǎn)，高度方向上以平臺(tái)基線為O點(diǎn)，x軸正向指向?yàn)槠脚_(tái)東，y軸正向指向?yàn)槠脚_(tái)北，z軸正向指向上。

3.2 人字形甲板的設(shè)備布置

人字形甲板為整個(gè)平臺(tái)提供工作平面，使平臺(tái)可以布置功能性設(shè)備，完成一定的工作，如鉆井、生產(chǎn)等。上部組塊的甲板布置主要包括：主機(jī)、配電間、泥漿處理模塊、油氣處理模塊等設(shè)備，生活樓、平臺(tái)控制室、倉庫、水下機(jī)器人工作間、直升機(jī)甲板等區(qū)域。平臺(tái)中間為月池區(qū)域，安裝布置鉆修井設(shè)備。人字形甲板的布置圖如圖3和圖4所示。

圖3 主甲板布置圖 圖4 生產(chǎn)甲板布置圖

主甲板北側(cè)為生活樓區(qū)域，中部為鉆井設(shè)備區(qū)域，西南角為鉆井配套設(shè)施區(qū)域及焊工房、油漆間區(qū)域，東南角為氮?dú)狻嚎s氣體處理設(shè)施及遙控?zé)o人潛水器(Remotely Operated Vehicle, ROV)系統(tǒng)區(qū)域。該甲板根據(jù)需求布置了3臺(tái)吊機(jī)，火炬臂布置在了西南角區(qū)域。生產(chǎn)甲板北側(cè)主要布置生活污水處理設(shè)施、消防泵及二層電儀房間等,中部為中空區(qū)域，不設(shè)置甲板，西南角為主工藝處理設(shè)備區(qū)域，東南角為公用設(shè)備處理區(qū)域，3個(gè)區(qū)域通過環(huán)形通道連接。

通過優(yōu)化布置方式，將甲板分為3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域均為常規(guī)的四邊形框架結(jié)構(gòu)，方便布置設(shè)備。中間通過人字形主梁連接，并充分利用已有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，把撐桿與立柱之間的區(qū)域作為主要設(shè)備的布置區(qū)域，減少了負(fù)載對(duì)甲板跨度中段的壓力。整個(gè)上部模塊分為2層桁架式甲板：第1層主甲板中部為鉆井區(qū)，3個(gè)角為主要的設(shè)備布置區(qū)域。第2層甲板中部不放置設(shè)備，主要目的是為桁架結(jié)構(gòu)提高甲板的強(qiáng)度，減少甲板跨度中段的載荷，第2層生產(chǎn)甲板的3個(gè)角為設(shè)備布置區(qū)域。這樣的布置可以充分利用已有的3個(gè)立柱結(jié)構(gòu)，使其不但可以提供浮力，還兼做上部模塊的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，提高了立柱結(jié)構(gòu)的利用效率。

3.3 人字形甲板的結(jié)構(gòu)模型

本文采用SACS軟件對(duì)人字形甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并計(jì)算校核。人字形甲板結(jié)構(gòu)將采用1個(gè)三維空間桁架模型進(jìn)行模擬，模型如圖5所示。

圖5 人字形甲板三維模型視圖

計(jì)算中模擬了甲板的主要結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)。所有的節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，每根桿件的兩端也采用剛性連接。所有的甲板板采用板單元模擬，桿件的偏移已在模型中加以考慮。甲板與船體的連接處設(shè)置了約束點(diǎn)，便于計(jì)算中單獨(dú)考慮甲板結(jié)構(gòu)。所有的甲板設(shè)備、鉆機(jī)等設(shè)置為荷載直接加載于甲板的桿件或節(jié)點(diǎn)上。

4 人字形甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

4.1 人字形甲板的載荷

人字形甲板的載荷主要包括結(jié)構(gòu)和設(shè)備重量(含重力方向的操作重)，半潛平臺(tái)受波浪作用傳遞的運(yùn)動(dòng)加速度，吊機(jī)設(shè)備操作產(chǎn)生的方向性荷載，以及風(fēng)對(duì)甲板結(jié)構(gòu)的作用。三立柱半潛平臺(tái)在運(yùn)抵作業(yè)海域后可認(rèn)為存在5種作業(yè)狀態(tài)：生產(chǎn)作業(yè)狀態(tài)、鉆井作業(yè)狀態(tài)、生產(chǎn)鉆井狀態(tài)、極端工況停產(chǎn)狀態(tài)、生存工況自保狀態(tài)。文中取水平方向每30°定義一個(gè)載荷方向，這樣吊機(jī)的操作重量和風(fēng)載荷一起共計(jì)算12個(gè)方向載荷(0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°)，每個(gè)方向組合1種作業(yè)狀態(tài)，再考慮垂向加速度的上下2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本文共計(jì)算120個(gè)工況校核人字形甲板結(jié)構(gòu)。

4.2 人字形甲板的分析結(jié)果

人字形甲板桿件的校核根據(jù)API RP 2A-WSD 和 AISC 2005 ASD兩本規(guī)范進(jìn)行校核，在考慮百年一遇臺(tái)風(fēng)極端工況和千年一遇自存工況2種作業(yè)狀態(tài)時(shí)，許用應(yīng)力可分別放大1.33倍和1.67倍。人字形甲板結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 人字形甲板主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖 圖7 人字形甲板主甲板的應(yīng)力云圖

圖8 人字形甲板生產(chǎn)甲板的應(yīng)力云圖 圖9 人字形甲板立柱、斜撐、吊機(jī)底座的應(yīng)力云圖

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，目前設(shè)計(jì)的主結(jié)構(gòu)最大桿件應(yīng)力超過許用應(yīng)力，但其屬于節(jié)點(diǎn)環(huán)板范圍內(nèi)，修正截面計(jì)算可保證桿件應(yīng)力小于許用應(yīng)力，人字形甲板結(jié)構(gòu)形式滿足規(guī)范要求[3]。

5 結(jié) 論

(1) 人字形甲板在設(shè)計(jì)上綜合了桁架式、優(yōu)化布置、大跨度梁解決方案，以適合三立柱半潛式平臺(tái)，克服了三立柱半潛式平臺(tái)的最大困難：大跨度的甲板設(shè)計(jì)及設(shè)備布置。配合該甲板的設(shè)計(jì)，三立柱半潛式平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)建造。

(2) 人字形甲板的雙層桁架式結(jié)構(gòu)，可以在70 m以上的跨度實(shí)現(xiàn)甲板強(qiáng)度滿足要求。與箱型結(jié)構(gòu)的甲板相比，桁架式結(jié)構(gòu)具備很好的空間優(yōu)勢(shì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)和結(jié)構(gòu)冗余度，使其應(yīng)用于大跨度三柱半潛式平臺(tái)時(shí)，有更好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和更輕的結(jié)構(gòu)重量等優(yōu)勢(shì)。

(3) 人字形甲板在甲板的下部，利用6個(gè)斜向支撐，將甲板的懸空跨度減少一半，并在立柱上方與斜撐之間，形成一個(gè)四點(diǎn)支撐的強(qiáng)框架，可承受較大的工作荷載，為重型設(shè)備的布置提供了很好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

[1] 姜哲, 謝彬, 謝文會(huì). 新型深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)發(fā)展綜述[J]. 海洋工程,2011, 29(03): 132-138.

[2] BYBEE K. State of the Art of Ultra Deep Water Production Technologies[J]. Journal of Petroleum Technology, 2005,57(08):54-70.

[3] Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design [S]. 2007.