渤海灣海域中心平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異性分析與標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

張 興，宋崢嶸，王曉蕾，文 宇，王珂楠，饒?jiān)扑?/p>

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

渤海油田是我國(guó)最大的海上油田，自2010年首次突破年產(chǎn)3 000×104t油氣當(dāng)量以來(lái)，至今已連續(xù)11年穩(wěn)產(chǎn)在3 000×104t以上，為保障國(guó)家能源安全和踐行國(guó)家能源戰(zhàn)略做出了重要貢獻(xiàn)[1-2]。一直以來(lái)，我國(guó)原油對(duì)外依存度較高的趨勢(shì)并未緩解，且逐年上升，嚴(yán)重威脅我國(guó)能源安全[3]。海上采油平臺(tái)用于海上油田的采油開發(fā)，建造周期長(zhǎng)、投資成本高。海上平臺(tái)設(shè)計(jì)、建造、安裝的標(biāo)準(zhǔn)化，可最大限度地節(jié)約建造周期和降本增效，從而可為我國(guó)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)貢獻(xiàn)力量。

海上平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，結(jié)構(gòu)重/操作重占比是衡量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否經(jīng)濟(jì)的重要指標(biāo)。根據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，渤海遼東灣海域以吊裝方案設(shè)計(jì)的中心平臺(tái)共5座，其中近年來(lái)設(shè)計(jì)的中心平臺(tái)結(jié)構(gòu)重占比在0.3左右，早期設(shè)計(jì)的中心平臺(tái)結(jié)構(gòu)重占比最低為0.23。為找到新、老平臺(tái)結(jié)構(gòu)重占比存在差異的原因，選擇了設(shè)計(jì)年份、結(jié)構(gòu)重占比均相差較大的A、B兩座中心平臺(tái)，從設(shè)計(jì)方案、環(huán)境參數(shù)、計(jì)算方法上進(jìn)行差異性分析，探究了結(jié)構(gòu)重占比存在巨大差異的原因，以期為海上中心平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提供支撐。

1 差異性對(duì)比

1.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

A、B平臺(tái)均位于渤海海域，水深分別是31 m和30.4 m。A平臺(tái)投產(chǎn)年份為2002年，組塊面積約7 700 m2，結(jié)構(gòu)重（凈料）約19 600 kN，組塊結(jié)構(gòu)重/操作重占比為0.23。B平臺(tái)投產(chǎn)年份為2013年，組塊面積約11 000 m2，結(jié)構(gòu)重約45 080 kN，組塊結(jié)構(gòu)重/操作重占比為0.33。

1.2 平臺(tái)功能性對(duì)比

表1對(duì)比了A、B平臺(tái)的工藝系統(tǒng)，由該表可知在油水系統(tǒng)方面，B平臺(tái)原油系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力更強(qiáng)；在處理級(jí)數(shù)和設(shè)備上，B平臺(tái)處理級(jí)數(shù)和設(shè)備更多，且動(dòng)設(shè)備均有備用。

表1 A、B平臺(tái)工藝系統(tǒng)對(duì)比

1.3 設(shè)計(jì)方案對(duì)比

由于B平臺(tái)的功能性更強(qiáng)、設(shè)備更多，A、B平臺(tái)的總圖布置有明顯區(qū)別。如圖1所示，A平臺(tái)上層甲板的設(shè)備主要布置在軸線以外，吊裝重心基本位于組塊的形心處。B平臺(tái)上層甲板布置了大量設(shè)備，若以主軸吊裝會(huì)存在設(shè)備遮擋吊繩和吊裝偏心問(wèn)題。因此，B平臺(tái)增加了2.1輔軸和4.1輔軸。從立面圖（見圖2）上看，相比于A平臺(tái)15 m的吊裝跨距（東西方向），B平臺(tái)東、西部組塊的吊裝跨距增加至29 m和26 m。此外，B平臺(tái)的主立柱規(guī)格也高于A平臺(tái)，A平臺(tái)主立柱規(guī)格為1 220 cm×38 cm，B平臺(tái)主立柱規(guī)格為2 134 cm×70 cm。

圖1 A、B平臺(tái)上部組塊總圖布置

圖2 A、B平臺(tái)組塊立面結(jié)構(gòu)

圖3對(duì)比了A、B平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)重占比分布情況，B平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)重占比遠(yuǎn)高于A平臺(tái)，說(shuō)明B平臺(tái)增加的輔軸和立柱可能是造成B平臺(tái)結(jié)構(gòu)重占比增加的原因之一。

圖3 A、B平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)重占比分布

1.4 主計(jì)算方法對(duì)比

海上平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需同時(shí)滿足靜力、地震、裝船、拖航、吊裝等各個(gè)工況的要求[4]。UC（Unit Check）值是判斷桿件和節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的重要參數(shù)[5-6]。UC值等于實(shí)際應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值，UC值大于1說(shuō)明桿件和節(jié)點(diǎn)已超出規(guī)范要求。由于A、B平臺(tái)的設(shè)計(jì)時(shí)間相差10年以上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法可能存在差異。經(jīng)對(duì)比，在靜力工況下，A、B平臺(tái)桿件和節(jié)點(diǎn)的UC值均小于1；在地震工況下、A、B平臺(tái)均滿足大震不倒、小震不壞的要求；在裝船工況下，B平臺(tái)考慮了裝船時(shí)25 mm的強(qiáng)制位移，A平臺(tái)未考慮強(qiáng)制位移的影響；在拖航工況下，A、B平臺(tái)桿件的UC值均小于1；在吊裝工況下，A、B平臺(tái)在1.35吊裝系數(shù)下所有桿件的UC值均小于1，在2.00吊裝系數(shù)下與吊點(diǎn)直接相連的桿件UC值均小于1。綜上，裝船工況計(jì)算方法的差異可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)重產(chǎn)生影響。

1.5 UC值控制對(duì)比

圖4對(duì)比了A、B平臺(tái)在靜力、地震、裝船、拖航、2.00系數(shù)下吊裝工況的UC值控制，圖中紅色部分為A平臺(tái)的UC值控制分布，藍(lán)色部分為B平臺(tái)。在靜力、地震、裝船、西部組塊吊裝、拖航工況下，B平臺(tái)組塊的UC值控制相對(duì)保守，UC值控制在0～0.2區(qū)間；A平臺(tái)桿件UC值控制在0.2～0.6區(qū)間。值得注意的是，B平臺(tái)東部組塊在吊裝工況下的UC值控制明顯偏大，UC值大于1的桿件比例遠(yuǎn)高于其他工況，說(shuō)明東部組塊的吊裝工況為B平臺(tái)的控制工況。

圖4 A、B組塊UC值控制對(duì)比

1.6 渤海海域環(huán)境變化對(duì)比

環(huán)境參數(shù)如風(fēng)、波浪、流、冰等也是海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)條件[7-8]。表2對(duì)比了1998年和2012年渤海遼東灣海域環(huán)境參數(shù)，若按B平臺(tái)的環(huán)境參數(shù)作為A平臺(tái)的設(shè)計(jì)參考，A平臺(tái)當(dāng)時(shí)的服役環(huán)境會(huì)變得相對(duì)惡劣，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講可能會(huì)產(chǎn)生影響。

表2 渤海海域環(huán)境參數(shù)對(duì)比

2 討論

2.1 設(shè)計(jì)方案對(duì)結(jié)構(gòu)重的影響與標(biāo)準(zhǔn)化建議

在設(shè)計(jì)方案上，A、B平臺(tái)結(jié)構(gòu)重占比存在差異的主要原因在于B平臺(tái)上層甲板布置了大量設(shè)備，導(dǎo)致存在設(shè)備遮擋吊繩和吊裝偏心問(wèn)題。為滿足海上吊裝作業(yè)需求，B平臺(tái)增加了2個(gè)輔軸和4個(gè)主立柱。僅立柱的重量?jī)善脚_(tái)相差約7 840 kN。同時(shí)，由于B平臺(tái)東部組塊吊裝重量和跨距較大，吊裝工況成為B組塊最終控制工況，導(dǎo)致B組塊主結(jié)構(gòu)梁規(guī)格增加。如表3所示，B組塊各層甲板主結(jié)構(gòu)梁規(guī)格均高于A組塊，一定程度上也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)重占比增加。因此，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要盡量控制好重心分布，將吊點(diǎn)設(shè)置在主軸上，合理控制吊裝跨距。

表3 A、B組塊主結(jié)構(gòu)梁規(guī)格與重量對(duì)比

2.2 計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)重的影響與標(biāo)準(zhǔn)化建議

在計(jì)算方法上，裝船工況下A平臺(tái)未考慮25 mm的強(qiáng)制位移。通過(guò)計(jì)算，即使A平臺(tái)考慮了25 mm的強(qiáng)制位移后，也僅有6根桿件的UC值發(fā)生變化，且均小于1，最大增幅僅為3.43%，詳見表4。因此，A、B平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算方法的差異并不是B平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)重占比增加的主要原因。在UC值控制上，有精細(xì)化設(shè)計(jì)需求時(shí)，可以做得更加細(xì)致。但對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，需要考慮采辦、建造的需求，應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)格，以保證材料的通用性，可以適當(dāng)降低UC控制水平換取采辦及建造周期，對(duì)設(shè)計(jì)、采辦、建造、安裝總包起到積極作用。

表4 A平臺(tái)組塊強(qiáng)制位移工況下西部組塊桿件UC值統(tǒng)計(jì)

2.3 環(huán)境參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)重的影響與標(biāo)準(zhǔn)化建議

對(duì)于風(fēng)、波浪、流、冰等環(huán)境參數(shù)的變化，把B平臺(tái)的環(huán)境參數(shù)作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A平臺(tái)進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)在靜力工況下，桿件的UC值僅有微弱變化，如圖5所示，說(shuō)明渤海海域常規(guī)的環(huán)境變化不是平臺(tái)結(jié)構(gòu)重占比增加的主要原因。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化工作來(lái)說(shuō)，近年來(lái)渤海海域雖然環(huán)境更加惡劣，但對(duì)組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)明顯影響。在設(shè)計(jì)平臺(tái)的環(huán)境選擇上，在未知具體環(huán)境參數(shù)的條件下，組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可選用相對(duì)苛刻的環(huán)境參數(shù)。

圖5 A平臺(tái)靜力工況下桿件的UC值分布

3 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)渤海海域結(jié)構(gòu)重占比差距較大的A、B平臺(tái)進(jìn)行差異性分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重占比存在較大差距的主要原因在于設(shè)計(jì)方案不同；B平臺(tái)存在吊裝偏心和設(shè)備遮擋吊繩問(wèn)題，需增加輔軸和立柱；吊裝跨距的增加導(dǎo)致B平臺(tái)主結(jié)構(gòu)梁規(guī)格增加；渤海海域常規(guī)環(huán)境變化、計(jì)算方法上的差異不是引起B(yǎng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)重占比增加的主要原因。在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)根據(jù)平臺(tái)實(shí)際需求，合理規(guī)劃總體布置，盡量將吊點(diǎn)設(shè)置在主軸上，以便合理減少吊裝跨距。海上平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的目的在于最大限度地降本增效，減少海上平臺(tái)設(shè)計(jì)、建造、安裝周期。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)選用規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化的材料，可適當(dāng)降低UC值，從而控制保證材料的通用性。雖然可能造成原料成本增加，但大幅度縮減了設(shè)計(jì)、建造、安裝的周期，從而在整體上更具經(jīng)濟(jì)性。