孫新濤（太重（天津）濱海重型機械有限公司技術中心，天津濱海新區(qū)300457）

淺談海上采油平臺結(jié)構(gòu)設計

孫新濤（太重（天津）濱海重型機械有限公司技術中心，天津濱海新區(qū)300457）

對于我國的海洋生產(chǎn)行業(yè)而言，海上采油平臺有著重要地位，是海洋生產(chǎn)過程中的主要組成部分，其設計安全不但涉及經(jīng)濟效益，同時還會影響著海洋環(huán)境、操作人員生命安全以及平臺的管理效果。本文主要針對海上采油平臺結(jié)構(gòu)設計進行了簡要分析。

海上；采油；平臺；結(jié)構(gòu)；設計

1 引言

在各類能源中，石油的應用極為廣泛，石油開采近年來逐漸從陸地轉(zhuǎn)移至海洋上，因此做好海上采油的相關研究具有必要性。為了保證海上采油工作順利的進行，需加強海上采油平臺結(jié)構(gòu)的合理設計，以確保采油工作的安全、順利進行。

2 海上采油平臺的結(jié)構(gòu)設計原則及思想分析

當前，我國陸地的石油資源逐漸不能滿足社會需求，加強海上石油開采勢在必行。但是，海洋和陸地不同，其環(huán)境相對復雜，存在諸多不確定因素，所以必須要做好海上采油平臺的構(gòu)建，制定合理的設計方案，確保海上采油工作順利的開展。

2.1 海上采油平臺的結(jié)構(gòu)設計原則

平臺設計常用的設計方法有以下幾種：①母型設計，此種方法是仿照母型平臺的設計，選取已建成并成功投入使用的平臺作為母型設計；②規(guī)范設計，此種方法是根據(jù)各國的船舶檢驗局或者相關規(guī)范要求做好設計工作；③根據(jù)強度理論進行設計，此種方法主要是建立在結(jié)構(gòu)力學以及有限元方法等理論的基礎上，結(jié)合實際平臺結(jié)構(gòu)的情況按照既定環(huán)境條件以及設計要求做好平臺強度的計算。按照不同設計階段以及工程的相關要求，選取恰當?shù)脑O計方法，或采用幾種設計方法相結(jié)合。

2.2 海上采油平臺的結(jié)構(gòu)設計思想

2.2.1 強度校核優(yōu)化結(jié)構(gòu)

本平臺的主體結(jié)構(gòu)一般構(gòu)件的所用鋼板、型鋼和支柱斜撐均用CCS-AH32船用高強度鋼，對于高應力區(qū)的較厚鋼板，則采用DH36的船用高強度鋼。使用高強度鋼，板厚和構(gòu)建的尺寸均有所建好，所以板、構(gòu)件的問題性也逐漸突出。在設計的過程中，對于受壓的鋼板、梁、縱骨、支柱和斜撐的穩(wěn)定性均需進行計算校核。結(jié)構(gòu)的縱骨、梁、支柱以及斜撐等構(gòu)件的臨界應力需要具有安全儲備，保證滿足平臺的規(guī)范要求。由于甲板所采用的是縱骨架式結(jié)構(gòu)，板縱向受壓穩(wěn)定性較強，不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。但是板橫向的受壓臨界應力較少，穩(wěn)定性較差，存在失穩(wěn)的可能性。要想保證甲板橫向受壓的穩(wěn)定性得以提升，加強平臺的強度，在兩根強橫梁間中間肋位上，進行橫向加強筋設置，從而起到縮小甲板的板格、增大板格的橫向受壓臨界應力的作用，以加強板橫向的穩(wěn)定性。

2.2.2 平臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計

平臺結(jié)構(gòu)設計的主要矛盾是強度和重量控制的矛盾，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計都是圍繞解決這一對主要矛盾而展開的。

（1）設計方法

平臺結(jié)構(gòu)的采用規(guī)范設計和強度計算互相結(jié)合的方法，平臺結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)建尺寸要先根據(jù)平臺規(guī)范和海船規(guī)范的要求進行選取，其次按照強度計算確定內(nèi)力分布規(guī)律，對構(gòu)件的尺寸進行必要的調(diào)整修改，適當加強應力過大的構(gòu)件，對應力較小的構(gòu)件作相應的減弱，從而最后確定構(gòu)件尺寸，確定構(gòu)件尺寸的過程既是強度校核的過程，也是結(jié)構(gòu)設計逐步優(yōu)化的過程。

（2）用高強度低合金鋼

例如在港海一號自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)設計為既減輕平臺自重又不削弱平臺的強度，平臺主體結(jié)構(gòu)采用船用高強度低合金鋼，是一個好的選擇，大量試驗資料表明，高強度鋼的抗脆性，抗破壞性，耐疲勞性，耐海水腐蝕性能，加工工藝性能，焊接工藝性能均不低于普通強度鋼，其耐海洋大氣銹蝕性能則明顯優(yōu)于普通強度鋼，低合金鋼在海洋大氣中的腐蝕速度還不到低碳鋼的1/3，采用高強度低合金鋼對于降低銹蝕速度，延長平臺壽命是有益的，這對升離海面作業(yè)的自升式鉆井平臺尤為合適。

（3）疲勞壽命分析

目前在技術發(fā)展的前沿陣地，首先需要加強解決平臺的結(jié)構(gòu)強度以及抗疲勞性的問題。特別是平臺結(jié)構(gòu)強度的設計，一定要確保其符合基本疲勞壽命分析。近年來，高強度鋼在我國的船體結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應用，船體結(jié)構(gòu)的疲勞破壞問題日漸突出。由于平臺的主體結(jié)構(gòu)復雜，我國疲勞壽命計算長期以經(jīng)驗公式進行估算，但是其精度根本無法滿足現(xiàn)代平臺工程的需要。近年來，科學技術不斷進步，計算機軟硬件的性能隨之提高，促進計算平臺主體結(jié)構(gòu)所受到的波浪誘導荷載、船體響應長期預報、疲勞校核點應力集中計算等均成為可能。

3 根據(jù)實例分析海上采油平臺的設計

3.1 工程實例

近年來，上海市外高橋造船有限公司深入的研究了自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)設計以及優(yōu)化措施，不但能夠利用船級社規(guī)范的經(jīng)驗公式進行校核同時確定平臺主體構(gòu)件的尺寸結(jié)構(gòu)設計方法，而且能夠通過有限單元法對平臺的架構(gòu)強度、指導平臺的主體結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件尺寸結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化方法進行校核，按照實際工況進行特定荷載的施加，研究邊界條件，確定自升式平臺在不同工況下的主體結(jié)構(gòu)強度，從而保證能夠設計出滿足強度要求的平臺結(jié)構(gòu)，以確保平臺主體的安全性。除了平臺的主體結(jié)構(gòu)，通過相關研究還實現(xiàn)了按照不同的環(huán)境條件以及作業(yè)參數(shù)，借助有限元分析方法進行環(huán)境荷載的計算，對樁腿和樁靴的結(jié)構(gòu)強度進行設計并校核，同時按照船級社以及SNAME規(guī)范對平臺單根樁腿剛度以及抗傾穩(wěn)性進行分析，同時對自升式鉆井平臺站立穩(wěn)定性進行分析，形成自升平臺基礎設計能力。

研究成果應用于公司在建的JU2000E型以及CJ46型的自升式鉆井平臺，設計建造自升式鉆井平臺能夠完全滿足船級社要求，同時在確保結(jié)構(gòu)強度的基礎上，減少船體的本身重量，很大程度上加大自升式平臺可變載荷，平臺結(jié)構(gòu)的設計和優(yōu)化應用結(jié)果受到多方船東的好評及肯定，提供的結(jié)構(gòu)減重以及優(yōu)化的方案，有效的降低平臺的建造成本，確保平臺結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2 各種工況下的平臺強度、剛度和穩(wěn)定性的靜力分析

平臺強度關系到平臺在組合載荷的作用下，材料能否滿足強度要求，不至發(fā)生屈曲和疲勞破壞的危險。在評估平臺總強度時考慮了總的功能載荷和可變載荷、設計環(huán)境載荷、慣性力和P-Delta效應，分作業(yè)工況和風暴自存工況，根據(jù)SNAME采用幾何剛度法計算P-Delta效應，并且在不同作用水深下利用有限元模型分別計算環(huán)境載荷和慣性矩，分析了齒條的受力情況，校核了平臺樁腿的屈服強度，并且對樁腿和樁靴在預壓載的各個工況下強度進行了分析，保證了平臺作業(yè)的安全性。

平臺剛度的分析是振動理論以及穩(wěn)定性分析的基礎，按照ABS MODU 2015以及SNAME計算公式，將樁腿的泥下3米一端用作簡支，另一端和主船體的剛固連接；在樁腿上施加載荷，除去軸向的重力以及水平環(huán)境載荷外，還需考慮預壓載工況下的二階重力效應對樁腿影響效果；按照SNAME公式的要求，考慮10%齒條剖面面積增量效應，對三種不同的作業(yè)水深、單個樁腿剛度進行計算，以確保整個平臺的安全性。

平臺的穩(wěn)定性分析主要是分析在預壓載時自升式鉆井平臺的樁腿穩(wěn)定性分析，環(huán)境荷載的向量角為120°，對向量角載荷作用下平臺進行研究，對目標自升式鉆井平臺抗傾覆穩(wěn)性進行分析，從而在環(huán)境荷載的影響進行平臺的安全評估，確定平臺在設計環(huán)境荷載以及功能荷載綜合工況下可以安全的工作（具體平臺結(jié)構(gòu)強度分析的有限模型如圖1所示）。

圖1 平臺結(jié)構(gòu)強度分析有限元模型示意圖

3.3 具體施工方案

鋼平臺的施工場地一般有三個場地：陸上的鋼結(jié)構(gòu)加工車間、岸邊的組對場地以及海上工地。①陸上的鋼結(jié)構(gòu)加工車間。陸上鋼結(jié)構(gòu)加工車間主要進行鋼板號料和切割；鋼管樁以及鋼管分段卷制以及焊接接長和坡口加工。②岸邊的組對場地。岸邊的組對場地需要滿足鋼結(jié)構(gòu)的組對焊接以及上船要求。在岸邊的預制廠需要進行鋼管樁的二次接長、導管架的焊接和上部甲板的分模塊焊接。滿足運輸船的運輸能力和鋼樁自身穩(wěn)定性的前提下，需要盡可能的增加鋼樁的分段長度。③海上工地。此外，還需做好導管架的整體預制工作。上部甲板的組塊組裝需要按照船舶運輸?shù)哪芰桶渡?、海上吊裝的能力等，將上部的甲板分成若干個單元模塊，繼而實施組裝。多個導管架以及鋼樁根據(jù)計劃的順序借助駁船運輸至施工的現(xiàn)場（具體平臺設計如圖2）。

3.4 防腐涂裝設計

圖2 海上采油平臺結(jié)構(gòu)設計示意圖

由于海上采油平臺在海上進行工作，海洋環(huán)境對于鋼材的腐蝕嚴重，為了保證其使用壽命，必須進行防腐涂裝設計，從而保證海洋環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)的安全。海上采油平臺導管架和海管防腐一般采用涂裝和陰極保護聯(lián)合保護的方法，其中陰極保護分為犧牲陽極法和外加電流法兩種方法，其中犧牲陽極法的加工設計文件一般包括陽極結(jié)構(gòu)圖、陽極布置圖、陽極采辦料單、陽極施工料單等。編制涂裝方案時，要充分了解各專業(yè)工作量、施工特點、工序、工期。涂料采辦料單用于采辦涂料，施工料單用于領料。涂料用量不僅與涂裝面積有關，而且與施工方法、后期修補工作量等因素有關，因此計算涂料用量時不僅要考慮涂裝面積，還要根據(jù)涂裝方案、現(xiàn)場進度、結(jié)構(gòu)形式、涂裝方法等綜合因素確定涂料的用量。涂料由施工人員直接到涂料供應商庫房領取，未開封的涂料可以退庫，從而較好地避免了涂料采辦量不準確和施工浪費的問題。

4 結(jié)束語

總的來說，在海上采油平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)建的過程中，需要對其進行合理設計，從而有效保證海上采油工作能夠順利的開展。在進行平臺結(jié)構(gòu)選擇的過程中，需根據(jù)海域制定合理的設計方案，從而有效提升采油效率，為我國的經(jīng)濟發(fā)展提供石油資源，以促進我國的可持續(xù)發(fā)展。

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TE92

A

2095-2066（2016）05-0220-02

2016-1-20

孫新濤（1981-），男，工程師，碩士，主要從事船舶海工設計工作。