大型半潛式生產平臺桁架組塊設計關鍵技術*
——以陵水17-2氣田“深海一號”能源站為例

陳邦敏 王忠暢 張 暉 趙 闊 文志飛 王 娟

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451; 3. 海洋石油工程(青島)有限公司 山東青島 266555)

桁架式結構主要是指由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結構。其優(yōu)點是桿件主要承受拉力或壓力，可以充分發(fā)揮材料的作用，節(jié)約材料，減輕結構重量，尤其是在結構跨度較大時，節(jié)省材料、減輕自重和增大剛度的優(yōu)點更為明顯。由于桁架式結構的這些優(yōu)點，其被廣泛應用于陸上大型建筑，近幾十年來隨著海洋工程的發(fā)展，固定式海洋工程結構物(如石油平臺，碼頭棧橋等)也開始大量采用桁架式結構[1]。

在海洋石油開發(fā)工程中，由于板殼結構與船體結構類似且剛度較大，具有較大儲備浮力，因此，浮式平臺組塊結構多采用板殼結構的形式，但因為桁架式結構重量更小的優(yōu)點，目前部分浮式平臺組塊也開始采用桁架式結構進行設計。陵水17-2氣田半潛式平臺——“深海一號”能源站是中國首個深水半潛式生產儲油平臺，作業(yè)水深約1 422 m，組塊操作質量約24 250 t，主結構尺度為91.5 m×49.5 m。該平臺所在的南海海域環(huán)境條件惡劣，百年一遇波浪波高極值達21.7 m，千年一遇極值達27.3 m，且南海臺風頻繁，對平臺的極限強度是一項重大挑戰(zhàn)。此外，浮式平臺在海洋環(huán)境中隨著波浪的運動，組塊結構受到的循環(huán)載荷比固定式平臺結構的更突出，導致的疲勞問題也更為明顯，許多浮式平臺結構在特檢時均發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的存在。因此，對于在南海區(qū)域長期服役的浮式平臺，其結構疲勞是平臺設計時的考慮要點。由于浮式平臺對重量控制的敏感性，結構設計不能通過大幅增加鋼材量的方法解決疲勞設計的問題。鑒于桁架式結構能使材料應用更充分，且采用桁架式結構設計，更易獲得開闊的甲板空間，緊急情況下利于油氣的擴散，因此，“深海一號”能源站組塊采用桁架式結構設計。該平臺是世界上迄今為止桁架跨距最大的半潛式平臺。

本文基于“深海一號”能源站組塊設計與固定式平臺組塊設計的差異以及該平臺組塊大跨距的特點，對該平臺的組塊結構選材、布局規(guī)劃進行了深入研究，并開展了平臺的疲勞計算分析，給出了平臺疲勞關鍵區(qū)域建造的注意事項，為“深海一號”能源站及類似平臺組塊設計及建造提供了參考。

1 與固定式平臺組塊設計的差異對比

固定式平臺由于導管架是一個完整的整體，可以獨立承受環(huán)境載荷，其組塊僅承受重力載荷，動力載荷效應不明顯，多數(shù)情況下，疲勞問題并不是固定式平臺組塊設計的控制工況。因此，對于在中國渤海海域服役的固定式平臺，一般不需要計算其組塊的疲勞強度。而“深海一號”能源站船體是敞口結構，組塊可視為船體的一部分，所有船體結構所承受的環(huán)境載荷需通過組塊結構進行傳遞，最終達到力的平衡。因此該平臺組塊所受載荷情況更復雜，交替載荷大，結構疲勞問題突出，部分關鍵結構尤其需要注重疲勞的校核。

1.1 設計計算工況差異

半潛式平臺組塊設計計算工況與固定式平臺結構設計工況側重點存在差異。固定式平臺組塊設計關鍵在于在位強度計算、地震計算及施工分析。其中施工分析一般包括裝船、吊裝或浮托等工況。由于固定式平臺組塊尺度通常不大，在位強度和地震計算(特別是地震活躍地帶)是固定式平臺組塊設計的重點，而施工分析和疲勞分析在固定式平臺組塊結構設計中通常并不重要[2-3]。

“深海一號”能源站作為浮式平臺，其組塊的主要設計工況(圖1)與固定式平臺相比，需要關注的重點包括：①組塊在位分析要考慮環(huán)境力的影響，須將組塊與船體模型合并分析；②組塊疲勞是最為重要的分析工況，關鍵部分須做詳細的有限元分析；③浮式平臺由于尺度較大，合龍分析是一個重要的計算工況，且合龍通常涉及到方案設計、施工資源等問題，在方案設計階段就需要詳細分析合龍工況[4-5]。

圖1 “深海一號”能源站組塊計算工況Fig.1 Analysis condition of topside on “Deep Sea No.1” energy station

1.2 材料選用差異

中國國內固定式平臺經過近幾十年的發(fā)展，結合國內鋼材制造工藝的進步，目前固定式平臺已形成了統(tǒng)一的材料應用體系，其主結構通常選用屈服強度355 MPa級別的DH36鋼板，部分次要結構則選用屈服強度235 MPa的鋼材。從總體趨勢看，該選材既滿足了固定式平臺強度的要求，也兼具一定的經濟性。

浮式平臺與固定式平臺組塊相比，其組塊受力形式更為復雜，不僅要承受設備的豎向力，同時還要傳遞較大的環(huán)境載荷，因此，浮式平臺組塊結構對材料的要求更高。此外，浮式平臺的重量對整個平臺的運動性能影響較大，對平臺進行減重，將有效的可承載重量留給平臺上的各種設備，也是浮式平臺設計的考慮重點。因此，“深海一號”能源站平臺組塊在結構選材上首次采用了國產屈服強度414 MPa級別的高強鋼，從而增大平臺的結構剛度，滿足該平臺大跨距對剛度的高要求，同時可節(jié)省鋼材用量約500 t，起到了良好的減重效果。

2 平臺組塊結構布局規(guī)劃

2.1 梁格規(guī)劃設計

基于浮體運動性能及施工資源等綜合考慮，“深海一號”能源站平臺組塊主結構尺寸為91.5 m×49.5 m。組塊分為生產甲板、夾層甲板、主甲板等3層，各層甲板標高分別為60.5、65.5、70.5 m。生產甲板到主甲板的間距僅10 m，考慮到設備布置及房間保溫隔音的要求，甲板層高非常有限?？缍却蟆痈叩?，為該平臺組塊的設計帶來了較大挑戰(zhàn)。為了保證組塊結構具有良好的剛度且傳力路徑較優(yōu)，綜合考慮組塊的設備設施布置情況，在組塊設計中采取了以下措施：

1) 在組塊的寬度方向(南北方向)設置了A、B、C、D共4條主要軸線，軸線間距分別為15.25、19.00、15.25 m，在主軸線之間跨度大的區(qū)域設置了二級軸線(圖2)。其中由于火炬臂載荷較大，將火炬臂坐落在西側B軸和C軸之間，使其載荷能較好地傳遞到主結構中。

圖2 “深海一號”能源站平臺組塊梁格規(guī)劃Fig.2 Beam grid planning of “Deep Sea No.1” energy station platform topside

2) 在組塊的長度方向(東西方向)設置了1、2、3、4、5、6共6條軸線。其中1、2、5和6軸線分別是連接船體和組塊的主要軸線。吊機的載荷較大，將其分別坐落在3軸和4軸上，根據(jù)軸線的跨度情況，在其間設置了二級軸線(圖2)。

3) 由于組塊南北窄、東西寬的特點，在2軸和5軸上分別設置了4根拉筋連接船體立柱，組塊在承受船體的動力載荷時，拉筋能通過軸向拉壓，平衡船體所受的力矩，使組塊在南北和東西2個方向受力較平均。

4) 考慮到層高限制，所有主框架梁均采用H1500的焊接梁，但根據(jù)受力情況分析，焊接梁采用的翼緣寬度和板厚均不相同，從而保證組塊在不同的受力情況下，雖然層高一樣，但仍具有承受不同載荷的能力。

通過以上措施，使“深海一號”能源站平臺組塊的梁格布置間隔適中，重要結構設施的傳力路徑清晰，且采用不同翼緣寬度的焊接梁保證了組塊層高的凈空，為平臺總體布局提供了良好的前提條件。

2.2 梁格穩(wěn)定性設計

由于“深海一號”能源站平臺組塊結構尺度及重量大，需要用到較大的主梁，其最大結構的梁高1 500 mm。與固定式平臺組塊結構不同的是，半潛式平臺組塊結構受到較大循環(huán)的軸壓和彎曲作用，設計時需校核梁的穩(wěn)定性。

組合梁受拉時不會產生屈曲問題，但在受壓時要考慮屈曲失穩(wěn)的情況。通常組塊甲板上翼緣都是鋪滿甲板板，甲板板在水平方向剛度足夠大，因此組合梁上翼緣受壓時通常會有甲板板進行位移限制，不會產生失穩(wěn)工況。而組合梁下翼緣，受壓時由于小梁的支撐通常與上翼緣齊平，對下翼緣無法起到支撐作用，因此，組合梁下翼緣需要考慮穩(wěn)定性問題，且這部分的計算設置須與建造實際情況一致。采用SACS軟件計算時，尤其需要注意設置主梁的側向支撐長度。在校核下翼緣的穩(wěn)定性時，為保守設計，主梁側向支撐長度取值應分2種情況，即次梁梁高大于主梁梁高1/2時，主梁側向支撐長度取主梁桿件端點到次梁的距離(Lb)；而次梁小于梁高1/2時，主梁側向支撐長度取主梁整長(L)的1/2[6]，同時還要保證支撐梁具有足夠剛度以起到支撐作用。

在常規(guī)固定式平臺設計時，通常采用筋板連接的方式(圖3a)對主梁的下翼緣進行加強。但通常情況下，筋板的距離較短，加強的作用極其有限，在梁高差異較大時，筋板本身也容易發(fā)生局部屈曲?！吧詈Ｒ惶枴苯M塊通過設置隅梁的方式加強主梁下翼緣(圖3b)。在主梁下翼緣和水平支撐梁之間通過圓管焊接，使得隅梁、主梁下翼緣、次梁三者形成一個穩(wěn)定三角形。該方式隅梁的支撐距離較長，具有較好的剛度，穩(wěn)定效果明顯好于筋板連接。

圖3 平臺組塊下翼緣加強方式Fig.3 Strengthening methods of lower flange of platform topside

2.3 主桁架保護設計

半潛式平臺采用桁架式組塊設計，組塊屬于浮式平臺的一部分。波浪作用在船體上的力將通過組塊進行傳遞，使船體受力平衡。如何解決組塊結構的疲勞問題，是浮式平臺設計和建造的重點和難點。大量研究和工程實際表明，在焊縫位置更容易產生疲勞裂紋。其主要原因是焊縫位置在焊接熔合過程中，金屬晶粒比母材區(qū)域更不均勻，更容易產生焊接缺陷，且該區(qū)域存在較大的焊接殘余應力，此外，焊接位置大多設置在結構突變處，易存在應力放大等因素，導致其應力幅值更大[7-8]。

主桁架是半潛式平臺組塊受力的主要結構，承受的載荷較大，在桁架管節(jié)點等結構形式突變位置容易產生較大的應力集中。為了避免疲勞裂紋的產生，應盡可能減少焊接對主結構的影響，對于平臺上一些附屬結構應避免其影響主結構，做到主次分明。因此，針對“深海一號”能源站平臺主桁架設計，采取了眾多措施盡量避免主桁架上過多的焊縫。

2.3.1優(yōu)化結構連接形式

對于固定式平臺房間或生活樓等，組塊所受的循環(huán)載荷不突出，疲勞問題不大。為了盡量提高鋼材有效利用率，房間或生活樓的設計盡量利用組塊結構的軸線，將房間墻皮或防爆墻結構直接焊接到組塊軸線上，利用組塊軸線上桁架的剛度對附屬結構起到支撐作用，有利于降低平臺建造難度，加快建造進度。與固定式平臺不同的是，半潛式平臺為了減少焊接對主結構的影響，降低建造過程中焊縫的檢驗級別，房間墻皮在設計過程中要有意避開主桁架，同時通過在主桁架上伸出2個短節(jié)，使夾層房間的夾層結構直接搭接在短節(jié)上獲得支撐(圖4)。在建造過程中，需要先設置臨時支撐架搭建好夾層，再安裝斜撐拉筋，最后焊接支撐短節(jié)。在結構建造完畢后撤出臨時支撐架，房間直接坐落在支撐短節(jié)上。

圖4 “深海一號”能源站桁架穿越夾層的設計Fig.4 Truss traversing mezzanine deck design of “Deep Sea No.1” energy station

同理，防爆墻也有意避開了主桁架800 mm的距離(圖5)。防爆墻直接連接到頂部甲板和底部甲板。為了確保防爆墻結構強度滿足爆炸壓力的要求，與防爆墻相連的頂層甲板和底層甲板的梁需要加大。同時為了滿足側向的抗爆炸壓力要求，甲板臨近的梁之間需要通過筋板連接，局部形成穩(wěn)定的框架結構。

圖5 “深海一號”能源站防爆墻錯開主桁架的設計Fig.5 Explosion-proof wall deviates from main truss design in “Deep Sea No.1” energy station

2.3.2設置不可焊接區(qū)域

為了避免焊疤對主結構關鍵區(qū)域的影響，組塊結構在疲勞關鍵影響區(qū)域、關鍵節(jié)點位置等設置不可焊接區(qū)域(圖6中網格線部分)，在此區(qū)域不可焊接任何設備支架、附屬結構、電纜橋架、管線支架等結構，在建造時根據(jù)需要可以焊接最低限度的臨時吊點、工裝構件及其他臨時附件，但要確保臨時附件采用的焊接程序與母材的永久性焊接程序一致。同時，所有的臨時性附件必須用人工火焰清除，且人工火焰切割或氣割過程中要確保母材不損傷。移除臨時性附件后，剩余的焊肉應采用電動打磨工具打磨至與原材料表面平齊。表面、損傷母材區(qū)或母材劃痕應焊接修復，并打磨至與原表面平齊，確保主結構的建造質量。

在主桁架上定義了非承載區(qū)域(圖6中斜線部分)，該區(qū)域不可焊接管支架及電纜支架。防火墻及結構墻也應偏離主桁架，不應放在桁架結構上，且計算時不考慮其對桁架結構的加強作用。但鑒于對平臺設計的綜合考慮，在保證支架的焊道與主結構的焊道距離大于75 mm的前提下，允許小型附件，如小掛件、電儀支架、電燈火小型設備支架可以焊接到非承載區(qū)域，但應選取合適的焊材，保證焊接質量滿足主結構及母材的強度要求。

圖6 “深海一號”能源站組塊主結構不可焊接區(qū)和非承載區(qū)Fig.6 No weld zones and no load zones of the topside in “Deep Sea No.1” energy station

3 平臺組塊疲勞計算分析

3.1 疲勞校核范圍

常規(guī)固定式平臺疲勞校核通常只需校核管節(jié)點的疲勞強度，但浮式平臺疲勞響應比較明顯，因此，“深海一號”能源站組塊需要校核的節(jié)點包括：常規(guī)管節(jié)點、管接長節(jié)點、組塊腿與船體連接節(jié)點、組塊斜撐與船體連接節(jié)點、組塊梁與環(huán)板節(jié)點、管與梁節(jié)點、環(huán)板與管節(jié)點、梁與梁節(jié)點等8類。由于各類節(jié)點的結構類型不一致，在選取疲勞S-N曲線類型時，需要根據(jù)節(jié)點的受力特點選擇合理的S-N曲線，在該平臺組塊疲勞設計中采用到了WJT、WJ1、ABS F、ABS E、AWS E’、ABS D共6條S-N曲線。常規(guī)固定式平臺疲勞設計采用SACS軟件就能完成所有的管節(jié)點疲勞校核，但在浮式平臺疲勞校核中需用到有限元分析軟件，通過模型局部校核方法來完成特殊結構的疲勞校核。

3.2 疲勞校核方法

目前結構計算中最常用的疲勞計算方法為譜分析方法。該方法基于結構應力傳遞函數(shù)結果，結合散布波浪譜和S-N曲線，計算節(jié)點線性累積損傷，從而得到節(jié)點的疲勞壽命[9-10]。針對管節(jié)點、管接長節(jié)點、梁與環(huán)板節(jié)點等可以通過SACS軟件計算完成，部分特殊的節(jié)點需要通過有限元分析求得應力集中系數(shù)(SCF)。對于特殊的組塊與船體連接的關鍵位置，需要在整體模型中抽取局部模型，采用載荷還原的方法，在有限元模型中詳細模擬局部結構，從而使計算結果更為準確。

3.3 疲勞校核計算

“深海一號”組塊疲勞計算分析采用連帶船體的整體模型進行分析。其主要分析步驟可簡述如下：

1) 采用ANSYS 軟件AQWA模塊計算16個方向的波浪作用在船體濕表面上的壓力及加速度，對每個方向選擇在位工況的波浪周期(表1)，確定應力響應幅值；

表1 “深海一號”能源站在位工況波浪周期選取Table 1 Selection of wave period-in-place condition of“Deep Sea No.1” energy station

2) 通過轉換，將第1)步得到的波浪荷載及平臺加速度轉入到SACS軟件中，求解得到應力傳遞函數(shù)，用于后續(xù)求解節(jié)點疲勞損傷；

3) 利用不同浪向的波浪散布數(shù)據(jù)和適合的波浪譜作為輸入，提供疲勞計算的海況條件；

4) 根據(jù)不同節(jié)點的形式，選擇合理的S-N曲線；

5) 選擇合理的應力集中系數(shù)(SCF)，部分節(jié)點SCF需要通過有限元分析獲得；

6) 由第2)～5)步確定的條件，通過SACS軟件計算節(jié)點的疲勞損傷比，求得節(jié)點的疲勞壽命。

最終計算得到“深海一號”能源站平臺組塊8類節(jié)點的疲勞校核結果(表2)，可以看出所有節(jié)點的疲勞壽命均滿足平臺設計要求。

表2 “深海一號”能源站組塊疲勞校核結果Table 2 Results of fatigue check of topside for “Deep Sea No.1” energy station

3.4 疲勞關鍵區(qū)域建造注意事項

結構疲勞壽命在設計階段已進行完整嚴格的計算評估，為了提高疲勞壽命的冗余度，在平臺建造階段仍可通過改善外形、打磨焊趾、錘擊、氬弧焊修整等方法提高結構的疲勞壽命[11]。這幾類方法中，改善外形在海洋平臺導管架結構建造中應用比較普遍?！吧詈Ｒ惶枴蹦茉凑窘M塊為了獲得更大的疲勞冗余度，對于重要節(jié)點，建議在建造過程中采用較好的焊接外形控制，延長疲勞使用壽命。規(guī)范和部分研究表明：打磨焊趾、錘擊或采用氬弧焊方法修整可以增加受周期載荷作用接頭的許用應力范圍，即沿S-N設計曲線乘以系數(shù)1.3，這相當于周期壽命提高到原來的2.2倍，S-N斜率約1/3[12]，改善疲勞壽命比較明顯。但該方法對建造要求較高，經濟投入較大，需要更嚴格地控制建造質量。

“深海一號”能源站上部組塊和船體之間通過8根立柱連接，立柱腿是連接組塊與船體的關鍵結構，其所受到的外力也較大，疲勞較敏感。針對這些關鍵位置，立柱腿位置的加強環(huán)板(圖7中標X符號處)除了要求焊縫打磨外，還特別要求自由邊精加工，確保其表面粗糙度不大于6.3 μm。對于桿件自由邊表面的精修，可以有效降低桿件表面的缺陷概率，同時使應力在邊緣的變化更為均勻。

圖7 “深海一號”能源站立柱腿加強環(huán)板自由邊精修位置Fig.7 Free edge finishing position of column leg strengthening ring plate in “Deep Sea No.1” energy station

4 結論

1) 以“深海一號”能源站平臺組塊設計為例，對比說明了桁架式結構用于固定式平臺組塊設計和半潛式平臺組塊設計上的區(qū)別?；凇吧詈Ｒ惶枴蹦茉凑镜奶攸c和要求，首次在半潛式生產平臺上采用屈服強度達414 MPa的國產高強鋼，克服了大跨度下結構剛度較弱的難題，同時還為浮式平臺重量控制起到了較好的減重效果。

2) 針對平臺組塊采用大跨距的桁架式結構的特點，充分考慮了組塊總體布局的影響，提出了合理的梁格規(guī)劃，保證了組塊結構具有良好的剛度且傳力路徑較優(yōu)。此外，對大型組合梁提出了采用隅梁結構作為穩(wěn)定組合梁結構的方法，從而確保大梁在各種受力狀態(tài)下能維持穩(wěn)定。

3) 針對浮式平臺疲勞響應敏感的特點，設計過程中要做到主次分明，提出了一系列關于主桁架的保護設計，如優(yōu)化結構的連接形式，減少主桁架結構上的焊縫，防止主桁架受到不必要的損傷等。對平臺組塊各類節(jié)點開展了疲勞計算分析，證明了組塊結構設計滿足疲勞要求。

4) 對于大型氣田開發(fā)，采用桁架式組塊結構設計能提供更開闊的空間，有利于平臺上有害氣體的擴散，優(yōu)點突出。但由于浮式平臺結構受力復雜、疲勞敏感等特點，在“深海一號”能源站的組塊設計中均有涉及，本文對這些難點提出的應對措施對今后大型浮式平臺組塊設計具有重要參考意義。