渤海井口平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面壓載荷法

王曉蕾，楊文希，董 濱，文 宇，高 偉

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

我國渤海油田有著近40年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，渤海海域已建成的固定式平臺(tái)有150余座[1]。對(duì)渤海已建平臺(tái)進(jìn)行深度研究分析，以渤海海域擬建項(xiàng)目為目標(biāo)，以系列化工程設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化為手段進(jìn)行渤海海域平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，形成技術(shù)成熟、方案合理、專業(yè)齊全的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)施方案和設(shè)計(jì)文件，可縮短設(shè)計(jì)、采辦、建造周期，加快渤海油田建設(shè)速度，提高油田開發(fā)效率[2]。

以往的平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均根據(jù)各工程項(xiàng)目的總體布置和具體設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)等條件來進(jìn)行，載荷的加載需要根據(jù)每個(gè)設(shè)備設(shè)施的準(zhǔn)確重量控制(簡稱“重控”)信息，然而標(biāo)準(zhǔn)化組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在沒有具體的工藝流程和總體規(guī)劃的基礎(chǔ)條件下開展的，形成的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案需要適應(yīng)多種設(shè)備分布。因此，常規(guī)的載荷加載方式并不適用于標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要找到一種適用性好的加載方式來近似等效替代常規(guī)加載方法，并保證合理的設(shè)計(jì)裕量。為此，分析對(duì)比以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，選取典型平臺(tái)進(jìn)行載荷研究，明確以分層、分區(qū)域的面壓加載法替代常規(guī)載荷模擬，形成一套適用于標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)的面壓推薦值，用于后續(xù)上部組塊的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

1 面壓研究

1.1 典型平臺(tái)定義

對(duì)已建設(shè)施進(jìn)行對(duì)比分析，綜合目前渤海平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式、總體布置、面積、軸距、結(jié)構(gòu)自重及操作重、井槽數(shù)量、海上安裝方式、生活樓和修井機(jī)等主要設(shè)備設(shè)施的布置情況等確定以面積、軸距等為主要因素，根據(jù)井槽數(shù)量、鉆修井配置、生產(chǎn)規(guī)模等將組塊進(jìn)行系列化分類，分為4大類，共11個(gè)子類。選取其中一個(gè)子類作為用于面壓研究的典型平臺(tái)，其設(shè)計(jì)規(guī)模如表1所示。

表1 典型平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)模

1.2 面壓設(shè)計(jì)法的確定過程

1.2.1 面壓概述

根據(jù)井口平臺(tái)設(shè)備設(shè)施的特性，將上部模塊載荷分為確定載荷和不確定載荷。確定載荷是可以提供明確重控的載荷，可對(duì)其重量、重心、尺寸、位置作出限定，可用常規(guī)重控方式加載，如生活樓和鉆修機(jī)反力。標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)上部模塊的設(shè)備設(shè)施根據(jù)不同的廠家資料和生產(chǎn)工藝，有多種多樣的布置形式，重量、尺寸和位置有多種可能性，這部分載荷為不確定載荷。為保證標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)可適用于多種總體布置方案，將不確定載荷用面壓載荷進(jìn)行等效替代，即在規(guī)定區(qū)域內(nèi)選定一個(gè)以kN/m2為單位的均布載荷，使其對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效果與局部集中載荷的效果趨于相同。

根據(jù)典型平臺(tái)總體布置，上部模塊載荷主要包括結(jié)構(gòu)自重、修井機(jī)反力、生活樓反力等確定載荷，以及結(jié)構(gòu)附屬構(gòu)件載荷、設(shè)備設(shè)施載荷、活載荷、修井機(jī)附屬設(shè)施載荷等不確定載荷，用面壓加載。典型平臺(tái)上部模塊載荷構(gòu)成[3]如表2所示。

表2 典型平臺(tái)上部模塊載荷構(gòu)成

1.2.2 面壓取值

國內(nèi)外已投產(chǎn)的井口平臺(tái)較多，選取若干個(gè)已投產(chǎn)具體項(xiàng)目中的樣本平臺(tái)進(jìn)行載荷研究[4]，主要內(nèi)容如下：

(1)選取樣本平臺(tái)包括具有代表性的國際項(xiàng)目，如蓬萊19-9、阿聯(lián)酋BELBAZEM、陵水17-2，以及渤海海域與典型平臺(tái)規(guī)模相近的秦皇島32-6項(xiàng)目、渤中34-9項(xiàng)目、渤中29-4項(xiàng)目、旅大10-1項(xiàng)目、綏中36-2項(xiàng)目等14座井口平臺(tái)進(jìn)行載荷研究，對(duì)載荷的區(qū)域劃分、載荷取值進(jìn)行對(duì)比分析[5]。

(2)上部模塊載荷區(qū)域劃分主要依據(jù)總體布置方案，針對(duì)不同功能區(qū)域?qū)⑵脚_(tái)各層甲板劃分為設(shè)備區(qū)、房間、走道、井口、卸貨區(qū)，其中的設(shè)備區(qū)可根據(jù)具體項(xiàng)目情況再細(xì)分為若干類。

(3)載荷取值數(shù)據(jù)分析主要依據(jù)重控報(bào)告和計(jì)算報(bào)告，通過計(jì)算匯總幾處區(qū)域所施加的載荷總數(shù)，得出施加在各區(qū)域上的均布載荷。各平臺(tái)的處理能力、生產(chǎn)工藝各不相同，各平臺(tái)配置的設(shè)備設(shè)施有所差異，均布載荷也有所差異。

通過對(duì)比分析，最終形成一套均布載荷數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)面壓的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 在役平臺(tái)不同區(qū)域載荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

續(xù)表3 在役平臺(tái)不同區(qū)域載荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(4)典型平臺(tái)頂層甲板為鉆修機(jī)甲板，主要設(shè)施為HXJ180-C型修井機(jī)及相關(guān)附屬設(shè)施。因此在載荷研究樣本平臺(tái)中再選取使用了HXJ180-C型修井機(jī)的樣本平臺(tái)，包括曹妃甸6-4 CEPA、渤中34-9CEPA、旅大16-3 CEPA等6座平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)分析鉆修機(jī)設(shè)施載荷。修井機(jī)載荷包括修井機(jī)支點(diǎn)反力和相關(guān)配套設(shè)施載荷，其中：修井機(jī)支點(diǎn)反力可通過修井機(jī)廠家資料確定，屬于確定載荷；相關(guān)配套設(shè)施載荷(包括管堆場、泥漿系統(tǒng)、鉆井附屬設(shè)施)屬于不確定載荷，需用面壓加載。表4列舉了渤海使用HXJ180-C型修井機(jī)的在役井口平臺(tái)配套設(shè)施載荷取值。

表4 HXJ180型修井機(jī)配套設(shè)施載荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.3 典型平臺(tái)面壓區(qū)域劃分和面壓推薦值確定

根據(jù)典型平臺(tái)總體布置圖，將甲板按使用功能劃分為若干個(gè)區(qū)域。將不同配置的設(shè)備設(shè)施統(tǒng)一劃歸為設(shè)備區(qū)，例如換熱設(shè)備、化學(xué)藥劑、生產(chǎn)管匯等設(shè)備所占用的整個(gè)面積統(tǒng)一劃歸為設(shè)備區(qū)；將開關(guān)間、控制間、變壓器間等范圍劃歸為房間區(qū)；平臺(tái)的安全通道和井口分別劃歸為走道區(qū)、井口區(qū)；平臺(tái)的頂層甲板布置修井配套設(shè)施，劃分為管堆場、泥漿系統(tǒng)和附屬設(shè)施區(qū)。平臺(tái)各層甲板總體布置和面壓分區(qū)加載信息如圖1～ 圖5所示。

對(duì)國內(nèi)外大量在役井口平臺(tái)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，給出典型平臺(tái)面壓取值推薦值，如表5所示。

單位：mm圖1 頂層甲板總體布置和面壓加載信息

單位：mm圖2 中層甲板總體布置和面壓加載信息

圖3 夾層總體布置和面壓加載信息

單位：mm圖4 下層甲板總體布置和面壓加載信息

單位：mm圖5 工作甲板總體布置和面壓加載信息

表5 典型平臺(tái)面壓推薦值

續(xù)表5 典型平臺(tái)面壓推薦值

1.4 典型平臺(tái)載荷匯總

根據(jù)面壓區(qū)域劃分和面壓值可計(jì)算典型平臺(tái)不同功能區(qū)域的載荷。計(jì)算結(jié)果表明，平臺(tái)甲板面積為4 716 m2，面壓載荷總計(jì)51 549 kN，即5 260 t，主結(jié)構(gòu)自重可由SACS軟件模擬得出，修井機(jī)反力和生活樓反力由相關(guān)設(shè)計(jì)方提供，則平臺(tái)操作重量為84 735 kN，即8 646 t。典型平臺(tái)重心為(-2.08 m，4.08 m，24.59 m),操作重量匯總?cè)绫?所示。

表6 典型平臺(tái)操作重量匯總(面壓加載)

2 面壓合理性論證

將加載的面壓值分別與重控值及在役平臺(tái)重控統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行比較，并用SACS對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行在位分析，對(duì)比桿件在面壓和重控下的UC值。

2.1 典型面壓值與標(biāo)準(zhǔn)化重控值對(duì)比

匯總典型平臺(tái)上部模塊各專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方提供的一版重控，得出在重控條件下的平臺(tái)總重，從而對(duì)典型平臺(tái)重控和面壓進(jìn)行對(duì)比。典型平臺(tái)重心為(-2.08 m，3.83 m，25.44 m)，重控如表7所示。

對(duì)比表6與表7，可得出：

表7 典型平臺(tái)重控

(1)被面壓取代的集中載荷為機(jī)械、暖通、配管、電氣、儀表、通信、安全、舾裝、管堆場、修井附屬設(shè)施、泥漿系統(tǒng)、起重機(jī)，這部分重量為2 546 t，則面壓值為重控值的2.06倍。

(2)面壓加載的典型平臺(tái)總重是重控加載的1.35倍。

(3)通過重控加載的典型平臺(tái)重心與面壓加載的重心的x坐標(biāo)和z坐標(biāo)相近，而面壓加載的y坐標(biāo)偏心更大，可滿足組塊重心的包絡(luò)要求。

2.2 典型平臺(tái)面壓值與在役平臺(tái)載荷統(tǒng)計(jì)值對(duì)比

目前渤海灣在役四腿中型井口平臺(tái)有14座，平臺(tái)面積為3 495～4 518 m2，操作重量為4 241～5 922 t，結(jié)構(gòu)用鋼量為1 162～1 794 t，最大單位面積操作重為1.45 t/m2，因此標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)的單位面積操作重設(shè)計(jì)值推薦取1.45 t/m2。

由此可以得出面積為4 717 m2的典型平臺(tái)操作重量設(shè)計(jì)值為4 717 m2×1.45 t/m2≈6 840 t。則面壓加載的操作重是設(shè)計(jì)值的1.26倍。

2.3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算校核

采用SACS軟件對(duì)典型平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行整體在位分析計(jì)算，典型平臺(tái)結(jié)構(gòu)3D模型通過SACS軟件模擬，模型如圖6所示。

圖6 SACS模型

在其他載荷取值完全相同的情況下，分別采取標(biāo)準(zhǔn)面壓法和重控加載兩種方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)在位分析計(jì)算，比較相同桿件在不同加載方式下的UC值。UC值對(duì)比表如表8所示。

表8 UC值對(duì)比表

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果分析如下：

(1)相同主要構(gòu)件按面壓加載得到的最大UC值大于按重控加載的UC值，且誤差不大，說明對(duì)主結(jié)構(gòu)來說兩種加載方法的結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律較為一致，采用面壓加載替代真實(shí)平臺(tái)載荷加載具有一定的可行性。

(2)各層甲板主梁UC值誤差不大于10%，說明采用面壓加載的載荷推薦值滿足設(shè)計(jì)需求，且不會(huì)過于保守。

(3)主腿、立柱、斜撐UC值的誤差跨度較大，這是由于面壓加載的操作重大于重控加載的載荷，反應(yīng)在主腿、立柱、斜撐上的UC值倍數(shù)關(guān)系符合操作重的倍數(shù)關(guān)系。

3 結(jié) 論

對(duì)渤海現(xiàn)役井口平臺(tái)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，總結(jié)國內(nèi)外工程項(xiàng)目井口平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出一套適用于渤海標(biāo)準(zhǔn)化井口平臺(tái)的面壓設(shè)計(jì)方法，并對(duì)面壓加載的載荷推薦值進(jìn)行分析和驗(yàn)證。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下結(jié)論和建議：

(1)使用面壓加載設(shè)計(jì)方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)于多種總體布置方案的適應(yīng)性，消除不確定載荷對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

(2)標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)的面壓載荷與集中載荷呈一定倍數(shù)關(guān)系，面壓載荷需大于集中載荷，但倍數(shù)需控制在合理范圍內(nèi)，典型平臺(tái)的面壓載荷是其集中載荷的1.8倍，同時(shí)在面壓加載下得出的平臺(tái)總重是集中載荷下得出的平臺(tái)總重的1.3倍，經(jīng)過結(jié)構(gòu)校核，此倍數(shù)關(guān)系與結(jié)構(gòu)桿件UC值的倍數(shù)趨勢一致。

(3)面壓加載的合理性需考慮重心的包絡(luò)性。

面壓設(shè)計(jì)方法的提出積極推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)程，相對(duì)于常規(guī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程，面壓方法可快速確定組塊主結(jié)構(gòu)布局，節(jié)省項(xiàng)目初期的設(shè)計(jì)人力和工時(shí)，有利于確定建造和安裝等施工資源，推動(dòng)渤海地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的重大發(fā)展。