海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)單重及優(yōu)化

梅華東， 胡性濤， 文志飛， 王小冬， 張 帥

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

海洋平臺(tái)的重量控制是油田開發(fā)方案、平臺(tái)類型和安裝方案的重要輸入基礎(chǔ)，直接關(guān)系到項(xiàng)目建設(shè)支出和收益率，有時(shí)甚至決定項(xiàng)目是否具有開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。固定式海洋平臺(tái)干重中2/3以上為結(jié)構(gòu)鋼材重量[1]，鋼材采辦及建造在新建設(shè)施的費(fèi)用投入中占比為10%～15%。若安裝時(shí)考慮鋼材重量對(duì)方案的影響，鋼材重量的控制對(duì)費(fèi)用影響占比則更高，因此，有效控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)鋼材重量對(duì)優(yōu)化平臺(tái)安裝方案、減小工程開發(fā)投入具有重要意義。

1 上部組塊單位面積結(jié)構(gòu)重量

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)鋼材重量與平臺(tái)面積、結(jié)構(gòu)形式和總載荷等因素有關(guān)。對(duì)軸間距、總體布置及工藝設(shè)施重量接近的井口平臺(tái)，不同設(shè)計(jì)者完成的平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量也有一定差異。因此，弄清平臺(tái)單位面積結(jié)構(gòu)重量對(duì)項(xiàng)目前期結(jié)構(gòu)鋼材估算具有重要意義，同時(shí)，對(duì)照單位面積重量可以有效評(píng)估結(jié)構(gòu)鋼材用量比例，及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化等工作。

表1為近年國(guó)內(nèi)新建的中心/綜合平臺(tái)重量數(shù)據(jù)。由表1可知：甲板單重為360～482 kg/m2，單重最重的超出482 kg/m2，單重差異超過1/3；除標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的平臺(tái)外，平臺(tái)一般單重差異為 20～30 kg/m2，中心平臺(tái)一般甲板面積約1萬m2，單重每?jī)?yōu)化20 kg/m2，鋼材用量將減少200 t；對(duì)處于重量控制臨界的平臺(tái)，200 t對(duì)保證安裝資源合理化具有更大意義。

表1 國(guó)內(nèi)近年新建的中心/綜合平臺(tái)重量數(shù)據(jù)

2 上部組塊結(jié)構(gòu)單重影響因素

為進(jìn)一步探討影響平臺(tái)單重的相關(guān)因素，從表1中找到結(jié)構(gòu)形式、操作重相近但甲板鋼材單重相差62 kg/m2的金縣1-1 CEPA(簡(jiǎn)稱金縣1-1)與渤中34-1 CEPA(簡(jiǎn)稱渤中34-1)進(jìn)行對(duì)比。圖1為2 個(gè)平臺(tái)的立面示例，方框中為2個(gè)平臺(tái)主立柱尺寸。

單位：mm圖1 金縣1-1與渤中34-1平臺(tái)主結(jié)構(gòu)立面示例

2.1 桿件截面

對(duì)比2個(gè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，發(fā)現(xiàn)金縣1-1普遍采用大直徑小壁厚的桿件進(jìn)行設(shè)計(jì)，較好地利用桿件的截面特性，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體受力時(shí)有效降低結(jié)構(gòu)單重。以主立柱尺寸為例分析桿件截面對(duì)結(jié)構(gòu)單重的影響。

由圖1方框中桿件尺寸規(guī)格的比較可知，金縣1-1主立柱使用桿件尺寸外徑為2 134 mm，局部壁厚都比渤中34-1小一個(gè)規(guī)格，立柱最長(zhǎng)段為等壁厚。以等壁厚最長(zhǎng)段桿件為例，金縣1-1主立柱使用尺寸為2 134 mm×45 mm，渤中34-1主立柱使用尺寸為1 829 mm×45 mm。經(jīng)過測(cè)算2 134 mm×45 mm桿件每米重為2 318 kg，慣性矩為0.16×1012mm4，抗彎模量為0.15×109mm3。1 829 mm×45 mm桿件每米重為1 979 kg，慣性矩為0.10×1012mm4，抗彎模量為0.11×109mm3。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：前者每米單重增加339 kg，增重比例為17.1%，但抗彎模量卻增加0.04×109mm3，增加比例為36.4%，大比例增加抗彎模量更有利于桿件承受彎曲載荷；當(dāng)其他條件相同時(shí)，截面面積相近慣性矩提高長(zhǎng)細(xì)比則更小，整體提高了結(jié)構(gòu)承載能力，結(jié)構(gòu)綜合承載效率更高。

在海油平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，對(duì)于徑厚比D/t≤60(D為圓管直徑，t為圓管壁厚)圓管軸向允許壓應(yīng)力[2-3]為

(1)

式中：Fa為允許壓應(yīng)力；長(zhǎng)細(xì)比λ=Kl/r，其中K為有效長(zhǎng)度系數(shù)，l為圓管計(jì)算長(zhǎng)度，r為圓管回轉(zhuǎn)半徑，r=(I/A)0.5，I為截面慣性矩，A為截面面積；Cc為長(zhǎng)細(xì)比判定常數(shù)，Cc=(2π2E/Fy)0.5，其中，E為彈性模量，海洋平臺(tái)高強(qiáng)焊接圓管若采用GB 712—2011 系列材質(zhì)，則E取2.06×105MPa，F(xiàn)y為屈服強(qiáng)度，取355 MPa。

由式(1)可知：Fa為λ的減函數(shù)，即長(zhǎng)細(xì)比越大則Fa折減越多，允許應(yīng)力越??；在相同支撐條件下，λ又為r的減函數(shù)，因此當(dāng)界面面積A相近時(shí)，I與Fa同向增大，F(xiàn)a為I的增函數(shù)。

同時(shí)，根據(jù)規(guī)范[2]要求，海洋平臺(tái)大直徑焊接圓管徑厚比為20～60，彎曲允許應(yīng)力計(jì)算式為

(2)

式中：Fb為彎曲允許應(yīng)力。采用GB 712—2011 系列材質(zhì)，1.74Fy/E約0.003，當(dāng)徑厚比D/t擴(kuò)大3倍時(shí)，F(xiàn)b降低0.01Fy，當(dāng)截面面積相而近徑厚比擴(kuò)大時(shí)，抗彎模量W迅速增大，桿件實(shí)際彎矩應(yīng)力σ為

σ=M/W

(4)

式中：M為彎矩。

以2 134 mm×38 mm和1 829 mm×45 mm兩種鋼管為例，截面積幾乎相同，分別為0.250 2 m2和0.252 2 m2，徑厚比D/t分別為56.1和40.6，抗彎模量分別為0.128 8 m3和0.109 8 m3，在長(zhǎng)度、支撐條件、截面面積幾乎相同的情況下，名義應(yīng)力比減小9%，可見在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇合適桿件截面對(duì)提升結(jié)構(gòu)支撐效率具有重要意義。

2.2 應(yīng)力水平

若平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于保守，桿件尺寸普遍偏大會(huì)導(dǎo)致整個(gè)平臺(tái)的鋼材用量增加。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于保守在計(jì)算分析上的表現(xiàn)即為應(yīng)力水平普遍偏低，未能充分發(fā)揮桿件的承載能力儲(chǔ)備。為了衡量2個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)承載能力優(yōu)化程度，根據(jù)2個(gè)平臺(tái)的在位設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，從平臺(tái)整體桿件應(yīng)力水平上進(jìn)行分析，提取2個(gè)平臺(tái)在位靜力分析桿件應(yīng)力校核結(jié)果，如表2所示。

表2 桿件應(yīng)力情況統(tǒng)計(jì) m

由表2可知：金縣1-1使用51種桿件類型，最大應(yīng)力比在0.85以上為11個(gè)類型，占桿件類型總數(shù)21.6%，相同情況下渤中34-1占比僅6.6%，說明在充分挖掘桿件承載能力上前者做了較多優(yōu)化工作，較好地控制整體結(jié)構(gòu)使其處于一個(gè)合理的應(yīng)力水平；從應(yīng)力比小于0.4的分類上看，金縣1-1僅1/3 的桿件類型處于低應(yīng)力水平，而渤中34-1低應(yīng)力桿件占比達(dá)51.2%，一半以上的桿件處于低應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)低應(yīng)力意味著桿件尺寸、壁厚過大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或者設(shè)計(jì)相當(dāng)保守，整體鋼材用量變大也是必然的結(jié)果。

另外，從節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力校核上也能發(fā)現(xiàn)桿件壁厚選擇是否合理或過于保守，如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力情況統(tǒng)計(jì) m

由表3可知，與桿件應(yīng)力水平類似，渤中34-1沒有節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力比大于0.8，而金縣1-1沖剪應(yīng)力比大于0.8的節(jié)點(diǎn)占87.5%。在節(jié)點(diǎn)承載能力挖掘方面，金縣1-1充分考慮平臺(tái)特點(diǎn)、載荷位置、方向性等，做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工況選擇緊密結(jié)合。

在應(yīng)力水平控制上，進(jìn)行全桿件應(yīng)力水平評(píng)價(jià)，在設(shè)計(jì)階段合理設(shè)置主結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力范圍，對(duì)低應(yīng)力水平的桿件進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。同時(shí)，綜合考慮平臺(tái)投資、后期改造需求，合理確定主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平標(biāo)準(zhǔn)，這一控制手段建議放入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)格書，報(bào)甲方批準(zhǔn)。

2.3 結(jié)構(gòu)整體方案

固定式海洋平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)特殊性，由導(dǎo)管架提供支撐，平臺(tái)一般設(shè)計(jì)為主立柱加V字形斜撐的傘狀結(jié)構(gòu)，外懸結(jié)構(gòu)一般對(duì)稱布置使整體受力更均勻。因此，在根據(jù)平臺(tái)規(guī)模確定導(dǎo)管架軸間距后，適當(dāng)增加外懸結(jié)構(gòu)可以為平臺(tái)提供更大的有效面積。

對(duì)比圖2可知：金縣1-1的A.2/B.2軸外懸18 m， A.1/B.1軸外懸8 m，4.1軸外懸9 m；渤中34-1的A.2/B.2軸外懸12 m，A.1/B.1軸外懸4 m， 4.1軸外懸6 m；前者外懸長(zhǎng)度都遠(yuǎn)大于后者，為平臺(tái)提供了更多有效甲板面積。在主立柱、主梁結(jié)構(gòu)不變的情況下，額外提供550 m2的有效甲板面積，這部分面積僅需考慮增加局部斜撐和甲板梁，支撐的邊際效率高，有效降低平臺(tái)甲板單重。

單位：mm圖2 金縣1-1及渤中34-1平臺(tái)平面框架示例

由于平臺(tái)主要垂向載荷主要是設(shè)備自重，在重力作用下主梁向下彎曲，合理使用外懸結(jié)構(gòu)使主梁在立柱處產(chǎn)生反彎點(diǎn)，在優(yōu)化主梁受力的同時(shí)，也使主立柱端部的彎矩更加平衡，綜合為軸力向下傳遞；對(duì)于立柱桿件，軸力是圓管結(jié)構(gòu)最理想的受力形式，可充分發(fā)揮桿件結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)勢(shì)，提高鋼材的利用效率。

3 上部組塊推薦焊接構(gòu)件尺寸

結(jié)合第2節(jié)的對(duì)比分析可知：影響上部組塊結(jié)構(gòu)單重的主要因素為桿件截面的選擇、桿件應(yīng)力水平控制和結(jié)構(gòu)方案等。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，選擇合理的桿件類型，避免選擇小尺寸大壁厚的桿件。小尺寸大壁厚不僅截面效率不高，而且易造成冷成型焊接圓管徑厚比過小，在成型后管材內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的冷作硬化效應(yīng)，導(dǎo)致延性、塑性、沖擊韌性和焊接性能顯著降低[4-5]。

軋制工字鋼、H型鋼有較多成熟的國(guó)內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可參考，一般根據(jù)受力大小靈活選擇，保證一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備即可。在選用圓管型材時(shí)如無特別的要求，使用徑厚比大的鋼管有利于結(jié)構(gòu)減重。

海洋平臺(tái)焊接構(gòu)件的尺寸選擇與設(shè)計(jì)者偏好有較大關(guān)系。經(jīng)過第2.1節(jié)的分析和試算，為更有效發(fā)揮鋼材的承載效率，常用焊接鋼管管徑壁厚尺寸推薦如表4所示，其他規(guī)格可以參考文獻(xiàn)[6]。

表4 海洋平臺(tái)推薦焊接鋼管徑厚比 mm

焊接H型鋼尺寸規(guī)格建議參考文獻(xiàn)[7]等。表5為海洋平臺(tái)常用推薦焊接H型鋼尺寸，其中：H為梁高；B為梁寬；t1為腹板厚度；t2為翼緣厚度。

表5 海洋平臺(tái)推薦焊接H型鋼尺寸

在選用焊接H型鋼規(guī)格時(shí)，尺寸標(biāo)準(zhǔn)除了滿足緊湊截面要求外，還須對(duì)翼緣與腹板的焊接進(jìn)行驗(yàn)算，以保證焊縫高度滿足要求。

4 結(jié) 論

海洋平臺(tái)單位面積結(jié)構(gòu)重量是平臺(tái)重量控制的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞的一個(gè)參照。在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃階段應(yīng)提前進(jìn)行適當(dāng)考慮，以下幾個(gè)方面需重點(diǎn)考慮：

(1) 選擇合適的鋼材材質(zhì)。在不同鋼材等級(jí)價(jià)格差異不大的條件下，優(yōu)先考慮使用高強(qiáng)鋼材，滿足結(jié)構(gòu)變形控制和穩(wěn)定性要求的前提下可選用414～620 MPa超高強(qiáng)鋼材。

(2) 平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案應(yīng)盡可能對(duì)稱，外懸結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱設(shè)置，受力均衡。結(jié)構(gòu)框架宜形成拉壓桿桁架體系，避免出現(xiàn)一個(gè)方向懸挑過大、主結(jié)構(gòu)跨度過大的情況。

(3) 宜優(yōu)先采用大尺寸小壁厚的圓管，滿足緊湊界面條件可適當(dāng)提高焊接梁高度。

(4) 適當(dāng)控制桿件、節(jié)點(diǎn)沖剪的應(yīng)力水平。

(5) 隨著結(jié)構(gòu)材料、焊接的技術(shù)進(jìn)步，使用超高強(qiáng)鋼材也可有效減輕結(jié)構(gòu)重量。