防沉板形式的水下結構物基礎關鍵工況評估計算方法

孫 錕 劉 文 楊 盛 陳曉東 郭 飛

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

隨著水深的增加，海洋油氣田可開采規(guī)模隨之大幅增加。全球范圍內，海上油氣資源有一半以上分布在300 m以深的水域，深水海洋油氣的開發(fā)離不開各種各樣的水下結構物。將采出的油、氣、水多相或單相流體進行匯集，并回接到附近水下、水面或陸上依托設施，實現海上油氣田的開發(fā)。

深水水下結構物是水下生產系統(tǒng)中的重要組成部分，根據功能不同，分為管匯、防沉板、控制系統(tǒng)模塊等。面對海底不平整的地形和復雜的土質，有必要為這些海底結構物設置堅實的水下基礎。防沉板作為海洋油氣開采設備的首選基礎形式，具有安裝簡單，經濟適用的特點[1-3]。為此該文從設計出發(fā)，針對防沉板基礎的在位工況和吊裝工況，提出對應的關鍵設計計算和校核方法，可為后續(xù)類似工程項目提供參考。

1 水下結構物基礎類型及特點

水下結構物的基座形式可以分為三種類型，對比見表1。

表1 三種基礎形式特點比較

1.1 防沉板形式

防沉板制作簡單、容易安裝，防沉板陸地建造設計的設備、耗材少，并適用于各種海床條件，應用范圍廣泛?？梢灾苯拥跹b入泥，如果不平整，可以通過壓塊達到預期的平整度，可控性較高。但對較軟的土質，防沉板必須很大，會增加安裝難度。

1.2 吸力錨形式

吸力錨直徑大，長度小，為頂端封閉、下端敞開的圓柱樁體，主要是通過頂部吸力泵抽出錨內的水形成負壓，從而依靠負壓實現沉錨過程。正是這一特殊的沉錨施工方法，可使吸力錨適用于軟黏土等各種非巖性土，具有強大的技術優(yōu)勢和經濟性。另外，吸力錨具有提供較大的水平和垂直合成載荷的能力。

1.3 樁形式

樁是一種傳統(tǒng)基礎形式，但作為深水水下結構物的基礎，安裝工期長，費用大。對于深水水下結構來說，樁基礎由于安裝的費用和施工難度等問題存在很多局限性。

一般情況下，建議采取防沉板形式的基礎，原因有以下4點：1）土壤的條件決定了吸力錨的最終尺寸數據，不同的吸力錨只能適用于特定的地質條件，適用范圍較窄。2）吸力錨沉降過程太長，不利于其上的海底結構物安裝時間的安排。3）防沉板建造簡單，安裝時間短，便于分體式安裝，可以減少海底結構物的質量。4）樁式基座，需要專門船舶資源，安裝時間長。

防沉板形式的基礎設計主要面臨如下技術問題：1）結構物自身強度的評估。用于評估防沉板結構本體抵抗外界載荷的能力。2）地基承載力的評估。防沉板用于支撐其上結構物的質量，須保證在服役期間基礎強度足夠。其地基承載力主要取決于下部土體參數、防沉板和土體的接觸面積。3）抗滑移的評估。水下結構物及防沉板受到外界環(huán)境載荷、生產管線作用在結構物的連接載荷、重力載荷、土體支撐載荷等作用力，須評估在位的抗滑移。4）沉降量的評估。須評估水下結構物及防沉板在海底土壤的沉降量。5）運輸期間的評估。用于評估裝船運輸期間的結構的安全性，包括防沉板結構自身的強度、固定結構的強度。6）吊裝安全的評估。用于評估防沉板結構轉移運輸和安裝期間的安全性，包括吊裝期間結構自身的強度（含吊耳）、吊裝索具選型計算。7）防腐的評估。主要包括油漆的涂裝計算、陽極保護或者陰極保護的計算等，用于保證防沉板結構在服役期間的使用壽命。8）其他輔助設計問題，例如用于水下機器人作業(yè)的輔助結構設計、定位信標支撐結構設計等。

其中，結構物自身強度、地基承載力、抗滑移、吊裝的評估計算屬于其設計的核心問題，下面總結了在位工況和吊裝工況下校核計算的方法。

2 防沉板基礎在位評估方法

防沉板基礎的在位分析包括在位結構強度分析和在位穩(wěn)定性分析。

2.1 在位強度分析

防沉板基礎的在位強度分析：其載荷主要由結構及其附屬構件自重、環(huán)境載荷、上部結構物質量、下部土體支撐載荷、偶然載荷如地震載荷、水下機器人碰撞載荷等。

將防沉板自身質量和上部結構質量施加在防沉板結構時一般會考慮一定的安全系數，主要考慮質量計算可能存在偏差。一般是考慮3%或者10%的誤差。

外界環(huán)境載荷主要是底流造成的，其海底流速的選取應根據實際海底環(huán)境調查資料。對安裝作業(yè)工況，可選取一年一遇重現期的資料。對運行作業(yè)工況，選取百年一遇重現期的資料。流向按照全方位間隔45°選取。

為了便于建模計算，可以將下部土體支撐載荷轉換為力學邊界條件，一般采取彈簧形式模擬，其剛度如公式（1）所示。

式中：Q為基礎所能承受的最大垂向載荷，n為基礎與土接觸點的個數；s為假設沉降值。

地震載荷采取施加加速度場的形式，對運行作業(yè)工況，選取200年一遇的地震載荷進行計算。

水下機器人碰撞載荷的計算：假定水下機器人以一定速度碰撞結構物，其動能全部由結構物變形吸收，從而根據變形計算這個平均碰撞載荷。平均碰撞載荷根據公式（2）進行計算。

式中：E是ROV的動能，K是結構物的剛度。

確定載荷之后，進行工況組合分析，在SACS軟件中進行建模，校核UC值。計算分析主要根據規(guī)范API RP 2A -WSD 21th Edition和AISC - WSD 9th Edition。

2.2 在位穩(wěn)定性分析

在位穩(wěn)定性校核主要是關注地基承載力和抗滑穩(wěn)定性。根據規(guī)范API RP 2A，用于校核在位穩(wěn)定性的安全因數：對地基承載力來說，最小安全因數為2.0；對滑移穩(wěn)定性來說，最小安全因數為1.5。

當地質調查數據不充足或者地質條件不確定時，應考慮提高這些安全因數。地質調查之后會提供調查報告，調查報告一般會提供地基承載力公式。

在排水抗剪模式下，防沉板的地基承載力可由公式（3）進行計算。

式中：Q＇是防沉板的最大地基承載力，c＇是土壤的黏聚力強度，Nc，Nq，Nγ為3個無量綱系數，Kc，Kq，Kγ為3個修正系數，q=γ＇D，γ＇為土壤的單位容重，D為防沉板沉陷深度，B為防沉板橫向長度，A＇為防沉板的有效承載面積。這樣，可以根據上式計算獲得海底土壤的單位承載力數值qu=Q'/A'。

防沉板基礎的坐底反力可由式（4）進行計算。

防沉板基礎的面積和布置方式決定了防沉板的有效承載面積，進而影響惡劣工況下的容許坐底反力數值，這個容許坐底反力數值反過來影響設計過程中防沉板布置形狀的修改。一般需要幾次迭代優(yōu)化實現最終設計計算。

對滑移穩(wěn)定性來說，防沉板下面土體的抗滑移能力如公式（5）所示。

式中：Ff為防沉板裙邊內土體和下部土體的摩擦力，Fpassive為裙邊的被動土壓力，F＇f為裙邊和土體之間的摩擦力。

3 防沉板基礎吊裝分析評估方法

對防沉板基礎吊裝計算，一般包括兩部分內容：吊裝計算和索具選型計算。

3.1 吊裝計算

為了計算吊鉤處的最大動載荷，應按照如下工況考慮。對單吊來說，吊鉤的最大動載荷如公式（6）所示。

式中：DHL為最大動載荷；DAF為動力放大系數；W為防沉板的質量；Wrig為索具的質量；F（SPL）為一些特殊載荷如水動力、風力等引起的附加吊鉤載荷。

對多鉤吊來說，單個吊鉤的最大動載荷如公式（7）所示。

式中：DHLi為單個吊鉤的最大動載荷，αCOG為理論上施加在單個吊鉤上的最大載荷百分比，SKLt主要是考慮吊物的傾斜引起載荷的增大，W為防沉板的質量，Wrig，i為索具的質量，F（SPL）i為一些特殊載荷如水動力、風力等引起附加在單個吊鉤上的載荷。

因此對單吊情形，只需考慮質量載荷施加的不準確性導致的安全因數Fw和動力放大系數DAF。

為了單純地獲得單根吊索上的力，在施加相關質量載荷時考慮的因數：1）質量載荷施加的不準確性導致的安全因數Fw，一般選取數值不超過1.1，具體參見規(guī)范DNV-RP-H102。2）重心坐標的不準確性導致安全因數Fcog，一般選取1.05。3）在吊裝過程中，索具長度不準確、吊耳的建造容差、吊鉤的幾何形狀等因素會導致吊裝不對稱，為此引入載荷偏移因數Fskl，對單吊4索具情形，Fskl一般取值1.25。4）動力放大系數DAF，在概念設計計算時可以取值2.0。

因此總體安全系數值為Fw×Fcog×Fskl×DAF，從而獲得單根吊索上的受力情況。

在建模時，將防沉板基礎結構簡化為梁、桿和板的組合，既可以采用等效密度施加自重載荷，也可采用施加外部線載荷或者面載荷的形式。同時定義吊索為只可以承受拉力的桿單元用于模擬索具。為了避免結構出現非靜定性，會在防沉板結構物邊緣的角點施加一定的邊界條件進行平動限位。

計算工況說明見表2。

表2 計算工況說明

在詳細設計時可根據規(guī)范DNV-RP-H103計算DAF，如公式（8）所示。

其中DAFin_air可根據規(guī)范DNV-RP-H103中Table 3-1選取，DAFconv=FtotalMg。

總載荷如公式（9）所示。

式中：Fstatic-max為防沉板基礎的靜態(tài)最大載荷，Fhyd為防沉板基礎受到的水動力載荷，Fsnap為防沉板基礎的跳躍載荷。一般會防止索具出現松弛現象，以避免出現跳躍載荷。如果無法避免跳躍載荷，就應該計算跳躍載荷。

在防沉板基礎下放過程中，其水動力載荷Fhyd的計算一般考慮以下幾點：1）抨擊力。2）附加質量力。3）拖曳力。4）變化的浮力。計算所需要的數據：防沉板的自重、排水體積、附加拖曳力系數及參考面積、附加質量系數及參考體積、抨擊力系數及參考面積、有義波高以及平均跨零周期、吊機位置及下放速度、安裝船舶對應所選取平均跨零周期下的RAO等。在安裝過程中，船舶方向和波浪方向的夾角不應超過30°，推薦180°和165°浪向。

3.2 索具選型計算

索具的選型計算的思路：首先設計吊裝索具配置方案，其次根據吊裝計算結果獲得相應吊裝索具的受力，從而從索具手冊中進行初選，最后根據DNV OS H205 規(guī)范進行校核計算，若不滿足則對吊裝索具重新選擇。索具的有效長度應根據計算模型得到。

吊裝索具配置方案即是確定所選索具的類型和連接方式。在設計吊裝索具配置方案之前，應確認防沉板水下安裝方案。防沉板下放方式有兩種：側面下放，即防沉板底面法向垂直下放方向，可大大減少水動力載荷；正面下放，即防沉板底面法向順著下放方向，這樣便于吊裝。接著根據其結構形狀布置吊耳，進而設置吊索。推薦采用4吊耳，要求吊索與水平方向夾角大于60 °。同時吊索的設置應便于索具安裝、防沉板下放、索具回收。防沉板吊裝索具配置方案的設計遵循方便、合理、安全的原則。

基于吊裝計算結果和吊裝索具配置方案，根據相關公司的索具產品手冊和所需索具的類型選取合適規(guī)格的索具。在選取索具的過程中，應考慮到以下因素：1）確保能夠在項目周期內采辦到所選類型和規(guī)格的索具。2）索具之間的連接應符合索具規(guī)范的連接方式。3）確保在幾何上索具之間以及索具和防沉板之間的連接不存在問題。4）對鋼絲繩或者纖維吊帶來說，應給出精確的長度，建議精確到mm。5）應簡單估算下吊裝高度（防沉板底部到吊機吊鉤的豎直高度），確保不超過船舶吊機作業(yè)范圍。6）在保證強度滿足前提下，對索具規(guī)格的選取建議偏小一些。

對索具強度進行校核，主要是對鋼絲繩、纖維吊帶、吊環(huán)、ROV卸扣或者普通卸扣、ROV鉤或者普通吊鉤等類型索具進行校核，根據規(guī)范可以將索具的校核分為三大類：1）對鋼絲繩、纖維吊帶等吊索的校核；2）對ROV卸扣或者普通卸扣的校核；3）對其他索具的校核。

對鋼絲繩和纖維吊帶來說，其單根所受的最大外界載荷如公式（10）~公式（11）所示。

其中：1）γf為載荷系數，一般取1.3。2）γc為計算結果影響系數，一般取1.3。3）γr為考慮到索具端部或者彎曲影響的結果縮減系數，為γs、γb的最大值。對鋼絲繩索具，γs=1.3，γb=1/（1-0.5/（D/d）0.5），D為最小彎曲直徑，d為鋼絲繩索具的名義直徑。對纖維吊帶，γs=1.0，γb=1.0。4）γw為磨損系數，對鋼絲繩索具和纖維吊帶來說，一般取值為1.0。5）γm為材料系數，對鋼絲繩索具，一般可以取值為1.5，若為新采辦的并且經過第三方認證的索具，可以取值為1.35。對纖維吊帶，材質為聚酯纖維類的，可以取值為1.65。6）γtw為扭轉縮減系數，一般取值為1.0。盡量避免索具的扭轉，若索具存在扭轉，應根據測試確定合適的扭轉縮減系數。

對卸扣來說，其允許的最大動力載荷應不超過：1）安全工作載荷SWL的DAF倍。2）最小破斷力MBL的1/3倍。3）試驗載荷不得超過2*SWL或者1.22*SWL+20。

對其他索具例如吊環(huán)、吊鉤、鏈條等，可以采用類似校核卸扣的方式進行校核。

4 結語

作為水下結構物的首選基礎形式，防沉板基礎制作簡單、容易安裝，在海洋油氣開發(fā)領域應用廣泛。防沉板形式的基礎設計需要評估結構物自身強度、地基承載力的評估、抗滑移能力、沉降量、固定結構、吊裝、防腐等，其中結構物自身強度、地基承載力、抗滑移、吊裝的評估計算屬于其設計的核心問題。該文針對防沉板形式基礎結構的在位工況和吊裝工況，基于工程經驗和規(guī)范總結提出了對應的關鍵設計計算和校核方法，可為后續(xù)類似工程項目提供參考。