劉 濤

海上平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計是海上平臺設(shè)計的一個非常重要的組成部分。特別是對于海上平臺的安全性和可靠性至關(guān)重要。海上平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計包括設(shè)計導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)及甲板結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)等各個方面的內(nèi)容。例如確定結(jié)構(gòu)布置原則，正確地選用材料和計算荷載方法，選取適用的荷載系數(shù)，確定荷載組合方式，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計算，編制材料表以及有關(guān)設(shè)計文件等。

1 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計總的原則是:先進(jìn)、合理、安全、經(jīng)濟(jì)、滿足規(guī)范要求，且方便采辦、制造、安裝、檢驗(yàn)和維護(hù)等。結(jié)構(gòu)總體布置的基本原則是:總體布局合理，傳力路徑短，構(gòu)件綜合利用性好，材料利用率高，滿足其他專業(yè)對結(jié)構(gòu)形式的要求。結(jié)構(gòu)材料選取的基本原則是:結(jié)構(gòu)材料的選取既要考慮強(qiáng)度要求，又要考慮結(jié)構(gòu)工作場所的環(huán)境條件，在結(jié)構(gòu)中的部位和可能使用的加工方法等。為了具體實(shí)施平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則，設(shè)計人員需要不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，有所前進(jìn)。

2 固定設(shè)施的類型

海上油田的生產(chǎn)必須以固定設(shè)施為基礎(chǔ)。固定設(shè)施是指建立在海上的固定建筑物。固定設(shè)施的工作年限較長，一般都在15年以上，而且在使用期內(nèi)又不能移動，所以固定設(shè)施的安全性和可靠性非常重要，它要承受在使用期限內(nèi)該海域可能出現(xiàn)的最大環(huán)境荷載，而且要在最惡劣的環(huán)境條件下能夠生存和繼續(xù)工作，否則將造成嚴(yán)重的人員傷亡、設(shè)備損失、油田停產(chǎn)與環(huán)境污染等危害事件。由于海洋水深及海況的差異、油藏面積的不同、開采年限不一，因此固定設(shè)施類型眾多。對于海洋石油系統(tǒng)常用的分類方法，固定設(shè)施基本上可分為以下五大類:

1)樁基式固定設(shè)施。樁基式固定設(shè)施一般系指樁基式固定平臺，通常為鋼質(zhì)固定平臺，是目前海上油(氣)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。2)重力式固定設(shè)施。重力式固定設(shè)施一般系指重力式平臺，是與樁基平臺不同的另一種形式的平臺。它不需要用插入海底的樁去承擔(dān)垂直荷載和水平荷載，完全依靠本身的質(zhì)量直接穩(wěn)定在海底。根據(jù)建造材料的不同，又分為混凝土重力式平臺和鋼重力式平臺兩大類。3)人工島。人工島是在海上建造的人工陸域，可以很方便地將人類的活動由陸地延伸到海上。人工島的形式多種多樣，主要有三類常見的人工島形式:斜坡式人工島，沉箱式人工島，鋼管式人工島。4)順應(yīng)型平臺。順應(yīng)型平臺是指在海洋環(huán)境荷載作用下，圍繞支點(diǎn)可發(fā)生允許范圍內(nèi)某一角度擺動的深水采油平臺。這種平臺是一種細(xì)長的框架結(jié)構(gòu)，沿高度方向的橫截面一般不變?？蚣苊扛粢欢ǖ母叨扔兄貜?fù)的結(jié)構(gòu)形式，井槽在平臺的中部。有的順應(yīng)型平臺在每個角各有數(shù)根樁支持，樁穿過導(dǎo)管打下后，樁頂部約高出泥線某一高度，套管約上至平臺高度的一半，樁與導(dǎo)管之間灌注水泥漿，凝固后便組成一套管與樁的組合體，在這個組合體的頂部附接導(dǎo)管架。這樣大的長度提供了足夠的軸向彈性來產(chǎn)生柔性恢復(fù)力，調(diào)整組合體的長度可得到系統(tǒng)適應(yīng)不同環(huán)境的結(jié)構(gòu)參數(shù)。有的順應(yīng)型平臺或/和借助牽索(如繃?yán)K塔平臺)用一些浮筒(如浮塔式平臺)來產(chǎn)生恢復(fù)力，浮筒也可給平臺提供向上的浮力，從而可減少結(jié)構(gòu)的軸向壓力。5)其他海上新型固定設(shè)施及簡易平臺。

3 結(jié)構(gòu)分析工具軟件

我國和國外許多單位都已研制開發(fā)出有關(guān)海洋平臺結(jié)構(gòu)的分析程序。下面是一些常用的海洋平臺分析軟件:

1)SACS程序。SACS(Structural Analysis Computer System)程序由Engineering Dynamics，INC.開發(fā)，是用于海洋平臺結(jié)構(gòu)分析的軟件。它被遍及世界的上百個與海洋工程有關(guān)的設(shè)計公司或石油公司使用，并得到世界各個權(quán)威檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。2)MOSES程序。MOSES(Multi-Operational Structural Engineering Simulator)程序由 Ultramarine，inc.開發(fā)，是用于海洋工程結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域的軟件。其前身為1977年問世的Oscar程序(該程序至今仍然廣泛用于浮式結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計)。3)SESAM程序。SESAM程序由DNV開發(fā)，是用于海洋工程結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域的軟件。適用范圍包括:導(dǎo)管架和上部設(shè)施;半潛式平臺;張力腿平臺;系泊系統(tǒng);浮式系統(tǒng)和重力式平臺。4)ANSYS程序。ANSYS程序由ANSYS，Inc.開發(fā)，為第一個通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的分析設(shè)計類軟件。在海洋工程領(lǐng)域，ANSYS程序已用于導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)有限元分析，海底管線有限元分析，半潛式平臺及錨泊定位系統(tǒng)有限元分析。另外，ANSYS程序的Design Space等模塊曾經(jīng)用于深海探測器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，據(jù)應(yīng)用者反映該程序使工作進(jìn)度大大加快。5)TNOWAVE(PDPWAVE)程序。TNOWAVE(PDPWAVE)程序由Profound B.V.開發(fā)，是用于樁基礎(chǔ)分析等領(lǐng)域的軟件。

4 平臺上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 甲板結(jié)構(gòu)總體布置

1)基本原則:傳力路徑短，構(gòu)件綜合利用好，材料利用率高。2)在進(jìn)行甲板結(jié)構(gòu)總體布置時，一般考慮如下幾個方面:a.甲板結(jié)構(gòu)布置:在甲板上的設(shè)備布置盡量做到重量對稱的情況下，甲板結(jié)構(gòu)布置盡量對稱，以利于結(jié)構(gòu)均勻受力;b.桿件數(shù)量:應(yīng)盡量使桿件在各種受力狀態(tài)下都能發(fā)揮較大作用，桿件數(shù)量力求盡可能少;c.節(jié)點(diǎn)設(shè)計:要盡可能使用簡單節(jié)點(diǎn)，避免使用搭接節(jié)點(diǎn);d.隔水導(dǎo)管和甲板的連接:要明確隔水導(dǎo)管支撐兩端的連接方法;e.滑靴橫向間距的確定:如果考慮甲板結(jié)構(gòu)滑移裝船，則滑靴橫向間距的確定應(yīng)考慮預(yù)制場地滑道和駁船滑道間距的可調(diào)整范圍;f.應(yīng)考慮鉆井、修井的要求:如使用平臺鉆機(jī)、修井機(jī)，則需考慮結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng);如使用鉆井船進(jìn)行修井作業(yè)等，則需要考慮甲板標(biāo)高和懸臂尺度是否能滿足使用要求。

4.2 甲板標(biāo)高確定

1)底甲板梁底的標(biāo)高確定:底甲板的標(biāo)高=2/3最大波高(重現(xiàn)期為50年或100年)+極端高水位+1.5 m不確定因素。2)甲板的層數(shù):根據(jù)需要，由總圖專業(yè)確定。3)甲板的層間距:要考慮設(shè)備的高度、設(shè)備操作空間、電纜及管線的放置。

4.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選取

結(jié)構(gòu)桿件的選取要遵循以下幾個原則:1)大小梁尺寸:要有明顯差別，以便區(qū)分和連接;2)桿件類型、材料規(guī)格:不宜太多，必要時可予以調(diào)整;3)對管型桿件的選取要考慮D/t比，一般介于20～60之間(最好大于30);如果大于 60，則要按照API RP 2A的要求對材料的容許應(yīng)力進(jìn)行折減;kl/r:對主要桿件不宜大于120。

4.4 結(jié)構(gòu)材料的選取

1)結(jié)構(gòu)材料的選取既要考慮強(qiáng)度的要求，又要考慮工作環(huán)境的要求;2)甲板立柱上的主要節(jié)點(diǎn)、吊點(diǎn)用板應(yīng)使用Z向性能鋼材;3)在性質(zhì)滿足要求的情況下，鋼材應(yīng)盡量使用國產(chǎn)材料。

由于篇幅所限，本文只能從整體方面介紹關(guān)于海上石油平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計所涉及到的基本原則、固定設(shè)施、常用軟件與上部平臺的總體布置方法，希望與大家討論。

[1] 趙英年.海洋石油生產(chǎn)平臺平面布置設(shè)計原則[J].中國海上油氣(工程)，1994(1):39-40.

[2] 何學(xué)謙.對結(jié)構(gòu)設(shè)計中兩個關(guān)鍵問題的探討[J].山西建筑，2009，35(8):91-93.

[3] 《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會.海洋石油工程平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].第4冊.北京:石油工業(yè)出版社，2009.