海洋平臺雙層一體化建造可行性分析

宮學(xué)成,谷學(xué)準(zhǔn)

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

海洋平臺是為海上進(jìn)行鉆井、采油、集運(yùn)、觀測、導(dǎo)航、施工等活動提供生產(chǎn)和生活設(shè)施的構(gòu)筑物，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性和工作狀態(tài)可分為固定式、活動式和半固定式3大類。海洋平臺建造工藝根據(jù)其尺寸、質(zhì)量以及承建場地能力的不同而不盡相同。隨著海洋工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，海洋平臺建造工藝也日趨成熟，逐漸形成了立片建造、水平片逐層建造2種建造工藝。經(jīng)過多年項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的積累，水平片逐層建造的方案應(yīng)用越來越廣。本文在水平片逐層建造方案的基礎(chǔ)上，通過分析國內(nèi)某海洋平臺的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)，提出了雙層一體化建造的施工工藝，并在國內(nèi)某海洋平臺建造時得到了成功的應(yīng)用。

1 建造工藝優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 立片建造工藝

立片建造工藝把整個組塊分成若干立片和水平甲板片，然后進(jìn)行預(yù)制總裝。首先，單片在預(yù)制場地完成預(yù)制后，進(jìn)行立片作業(yè)。ROW1立片工作完成后，使用纜風(fēng)繩將立片固定在滑道上。然后安裝下層甲板及該層甲板上的設(shè)備和其它專業(yè)散件。隨后，安裝中層甲板并進(jìn)行中層甲板上的設(shè)備和其它專業(yè)散件。待上層甲板安裝完畢后，ROW2片立起合龍。

1.2 水平片逐層建造工藝

水平片逐層建造工藝和立片建造工藝相比，水平片逐層建造工藝是按照水平片分片的原則，先安裝下層甲板以下的立柱分段、拉筋及臨時支撐就位；下層甲板就位后，可以進(jìn)行該層甲板上的設(shè)備安裝及中層甲板的立柱分段、拉筋、臨時支撐的安裝工作。中層甲板就位后，可以進(jìn)行該層甲板上的設(shè)備安裝及上層甲板的立柱分段、拉筋、臨時支撐的安裝工作，并進(jìn)行上層甲板的就位合龍。

1.3 雙層一體化建造工藝

在水平片逐層建造工藝的基礎(chǔ)上，通過分析海洋平臺房間區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式及其它各專業(yè)的特點(diǎn)，可以將房間區(qū)域作為整體進(jìn)行預(yù)制，然后將此整體進(jìn)行吊裝。因此，房間區(qū)域底層甲板片和頂層甲板片同時預(yù)制，待兩層甲板片預(yù)制完成后，先安裝墻皮等附件，再將房間頂層甲板片吊裝就位。待房間內(nèi)各專業(yè)完善后，將預(yù)制成一個整體的兩層甲板片進(jìn)行總裝。

1.4 建造工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比分析

理論上組塊的建造工藝有很多方法，甚至可以將單個桿件在場地逐個搭建起來，但這需要大量的空間作業(yè)?？臻g作業(yè)增加了施工的危險性，大大降低了工作效率，增加了施工的難度。

因此從提高效率角度考慮，應(yīng)盡量減少高空作業(yè)的危險，水平片逐層建造工藝比立片建造工藝降低了空間施工難度，減少了空間安裝的工作量，降低了施工成本[1-2]。雙層一體化建造工藝在水平片逐層建造工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，相比水平片逐層建造工藝，進(jìn)一步減少了空間安裝的工作量，降低施工成本。

2 SACS軟件模擬

SACS軟件為海洋石油平臺及導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)分析的專業(yè)性軟件，廣泛應(yīng)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，其功能強(qiáng)大，可進(jìn)行靜力學(xué)分析、非線性塑性分析、動態(tài)分析以及海上安裝和運(yùn)輸分析等[3-5]。本文利用SACS軟件模擬了某海洋平臺雙層片在吊裝運(yùn)輸過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形。模擬結(jié)果顯示，雙層片一體化建造時，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形滿足規(guī)范的要求。

由于結(jié)構(gòu)凈質(zhì)量與SACS統(tǒng)計(jì)的質(zhì)量有差別，因此在SACS計(jì)算載荷工況時，輸入質(zhì)量修正系數(shù)N(結(jié)構(gòu)凈質(zhì)量/SACS統(tǒng)計(jì)質(zhì)量)，以保證SACS計(jì)算質(zhì)量接近實(shí)際結(jié)構(gòu)質(zhì)量。動態(tài)放大系數(shù)值根據(jù)吊裝噸位確定，吊裝噸位小于100 t時，動態(tài)放大系數(shù)取1.10，吊裝噸位大于100 t時，動態(tài)放大系數(shù)取1.05。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

SACS計(jì)算時有3種加載工況分別為F、F1、F2。即：工況F=WN，工況F1=WNO，工況F2=WNPO。

雙層片吊裝過程為平吊過程，即先從墊墩上平吊到一定高度，待穩(wěn)定后吊裝至就位狀態(tài)。加載重力時按照表1注釋中3種工況(F/F1/F2)進(jìn)行加載。吊裝時吊繩上端施加約束固定，結(jié)構(gòu)端點(diǎn)處在X、Y方向各施加5 kN/m的彈簧力，同時主結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)施加-Z方向的重力，并忽略吊繩重力。雙層片一體化吊裝SACS模型示意圖見圖1。

圖1 雙層片一體化吊裝SACS模型示意圖

由于SACS模型質(zhì)心與實(shí)際質(zhì)量總質(zhì)心略有偏差(記為Δh，分為X和Y方向)，而吊點(diǎn)位置卻是依據(jù)實(shí)際質(zhì)量總質(zhì)心布置，因此，需對SACS模型添加一對力偶，以抵消微小偏差對計(jì)算結(jié)果的影響。

M=FL=GΔh,

(1)

式中，M為力偶矩；L為任意平行于X軸和Y軸上的2點(diǎn)距離；G為重力；Δh為SACS模型質(zhì)心與實(shí)際質(zhì)量總質(zhì)心偏差。

F=(W+M)×1.528，

(2)

式中,F為計(jì)算工況;W為SACS統(tǒng)計(jì)質(zhì)量;1.528為質(zhì)量修正系數(shù)。由于結(jié)構(gòu)凈質(zhì)量與SACS統(tǒng)計(jì)的質(zhì)量有差別，在SACS計(jì)算載荷工況時，輸入質(zhì)量修正系數(shù) = 結(jié)構(gòu)凈質(zhì)量/SACS統(tǒng)計(jì)質(zhì)量。

SACS軟件使用《美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》(AISC13th)和《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦做法：工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》(API RP 2A-WSD)規(guī)范來校核結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其校核結(jié)果由UC值體現(xiàn)，當(dāng)UC值<1時，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足吊裝要求。組合工況F2時，桿件單元的應(yīng)力和變形的校核結(jié)果如表2所示。模擬結(jié)果顯示最大UC值為0.89，桿件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形滿足此種吊裝工況時的吊裝要求。

表2 組合工況F2時，桿件單元的應(yīng)力和變形的校核結(jié)果

3 結(jié)束語

本文通過分析總結(jié)海洋平臺的建造工藝及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了雙層一體化建造工藝。利用SACS軟件模擬雙層結(jié)構(gòu)物在吊裝過程中的強(qiáng)度及變形，模擬結(jié)果顯示，雙層結(jié)構(gòu)物在吊裝過程中的強(qiáng)度及變形滿足規(guī)范要求。雙層一體化建造工藝在某海洋平臺建造時成功進(jìn)行了應(yīng)用，此建造工藝為同類結(jié)構(gòu)物建造提供了參考。