巨型海洋平台的设计及优化设计

1前言

随着中国经济的发展 ,特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展 ,石油和天然气供应不足的矛盾日益突出。石油天然气资源是发展石油工业的前提条件和基础 ,探明储量是制定石油工业长期发展规划和建设项目的依据 ,剩余可采储量的多少决定了石油工业发展潜力所在。目前我国陆上石油后备资源严重不足 ,原油产量增长缓慢。由于长期的强化开采 ,大多数主力油田在基本稳定基础上陆续进入产量递减阶段 ,开采条件恶化 ,开发难度增大。鉴于陆上资源的日渐枯竭 ,资源开发向海洋、尤其是深海进军已成必然趋势。因此，如何控制海上石油平台的震动，保护平台的安全可靠成为一个亟待解决的问题。

1.1海洋平台简介

在陆地上钻井时，钻机等都安装在地面上的底座上；在海上钻井时，不可能将钻井设备安放在海里，因此就需要一个安放钻井设备等的场所，这个场所就是海洋钻井平台。海上钻井平台分类[2]如下：

按运移性分为：固定式钻井平台，移动式钻井平台。移动式钻井平台又分为坐底式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台、浮式钻井平台。

按钻井方式分为：浮动式钻井平台和稳定式钻井平台。浮动式钻井平台分又为，半潜式钻井平台、浮式钻井船和张力腿式平台；稳定式钻井平台又分为，固定式钻井平台、自升式钻井平台和坐底式钻井平台。

固定式海洋平台是从海底架起的一个高出水面的构筑物，上面铺设甲板作为平台，用以放置钻井机械设备，提供钻井作业场所及工作人员生活场所。

海洋平台的安装包括：导管架的安装和工作平台的安装。其中导管架的安装方法有：提升法、滑入法和浮运法。工作平台的安装方法有：吊装和浮装。

海洋平台的组成部分有：导管架和桩基、栈桥、上部模块、生活楼直升机甲板和火炬臂。

图1.1 海洋平台

1.2固定式海洋平台的特点

固定平台包括导管架式平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台等。钢质导管架式平台使用水深一般小于300米，通过打桩的方法固定于海底，它是目前海上油田使用广泛的一种平台。自1947年第一次被用在墨西哥湾6米水域以来，发展十分迅速，到1978年，其工作水深达到312米，目前世界上大于300米水深的导管架平台有7座。

通常评价海洋钻井平台的优劣指标有4个：稳定性、运移性、适用水深及经济性。

固定式海洋平台的特点是：稳定性好、运移性差、适用水深浅、经济性一般。

到2007年为止，在我国渤海区域先后建成了几十座固定式海洋平台，现已经拆除3座，报废2座，其余的都改装成采油平台。例如，渤海北油田的A,B平台，每座设计钻井32口，现在已改装成采油平台[2]。

胜利油田埕岛海上油田开发采用的主要是固定式平台。

固定式海洋平台的结构特点：平台有三部分组成即，上部结构、导管架和桩组成，

如下图1.2所示：

图1.2 导管架海洋平台的主要结构

上部结构平台甲板、甲板立柱以及桁架结构，对钻井平台，甲板以两层居多，对于采油平台有时可以采用单层甲板的形式。甲板结构组要作用是为各种设备设施提供足够空间。

导管架是导管立柱和导管梁组成的空间框架结构。各管连接点是管节点，关节点上受到的载荷很复杂，不仅受到轴向力还要传递弯矩。各管状构相交处形成了管状节点结构，由于管节点的几何形状复杂并受焊接影响，故其应力集中系数很高，容易发生疲劳破坏，因此它是导管架平台的重要结构部位，在设计中需要特别注意。

桩的作用是把海洋平台固定于海底。桩通过导管架打入海底土中并通过导管固定

和支撑上部平台。

1.3发展海洋平台的重要性

随着海洋开采范围的日益扩大, 深海石油开发已成为石油工业的重要前沿阵地。海洋平台是海上石油勘探开发的载体，固定式海洋平台是常用的一种海上石油勘探开发的承载体。海洋油田的开发建设与陆地油田截然不同 ,其最大的区别在于环境条件不同,海洋油田的开发建设必须与海洋环境条件相适应 ,即要充分考虑风、浪、流、冰等海况条件的影响。无论是浅海油田还是深海油田,其开发都是一个庞大的系统工程, 主要包括油藏、钻井、测井以及海工工程和采油工程,海洋平台体积的不断增大引起载荷增大、费用增加、桩腿受力不均以及在恶劣环境下的剧烈震动等问题限制了海洋平台向深水发展。

海上平台结构设计是海上平台设计的一个非常重要的组成部分。特别是对于海上平台的安全性和可靠性至关重要。海上平台结构设计包括设计导管架结构及甲板结构和附属结构等各个方面的内容。例如确定结构布置原则, 正确地选用材料和计算荷载方法, 选取适用的荷载系数, 确定荷载组合方式, 进行强度、刚度和稳定性计算, 编制材料表以及有关设计文件等。

目前，世界上已探明的海上油气资源大部分蕴藏在大陆架及3000米以下的海底。有数据显示，深海能源储量将是陆地能源储量的100倍，但由于开采技术上的限制，其还是能源领域最具潜力的。

我国拥有广阔的大陆架，有较为丰富的油气资源，加强对海上油田的开采能大大缓解我国能源的压力。海洋平台是海洋石油天然气开采的承载体，海洋平台技术成为制约海洋资源开采的瓶颈，海洋平台需要更好的完善和发展。

2海洋平台导管架设计

海洋平台作为海上油气勘探开发的关键性设施，其设计强度、刚度以及结构是至关重要的。面对各种载荷导管架结构必须具备足够的承载能力，不仅要抵御各种自然环境载荷，还要各种使用载荷和施工载荷。要充分了解海洋平台工作时各种载荷的类型和性质，对平台进行正确的设计和校核。

2.1固定式海洋平台承受的载荷

海洋平台在建造在和使用期间所承受的载荷主要有环境载荷、使用载荷和施工载荷三类。

（1）环境载荷

环境载荷是指由风、波浪、海流、潮汐、地震、雨雪等自然环境引起的载荷。对于海洋平台的设计来说，主要载荷有风载荷、波浪载荷、冰载荷、地震载荷等。载荷的强弱按照海洋平台所处的环境而定，其中在确定风载荷和波浪载荷是应该按照不低于五十年一遇[1]。

（2）使用载荷

使用载荷是指平台在使用期间所收到的除了环境载荷以外的其他载荷，分为静载荷和动载荷。

（3）施工载荷

施工载荷是指平台在建造、海上吊运、安装过程中承受的载荷。尽管这些载荷不是结构设计中主要校核的控制载荷，但是由于这些载荷会使一些构建产生瞬时的高应力，必须校核这些载荷对平台结构产生得影响。

对于使用载荷和施工载荷的计算，有关平台结构规范都有明确的规定，而且各国规范的规定正在趋于一致。

环境载荷是平台结构设计的主要控制载荷之一。受多变环境条件影响，计算比较复杂。

平台不同高度不为承受的风载荷不同。计算风压通常以一定的标准高度和选定的形状的构件所承受的风压力作为基本风压值，然后再对风压沿高度的变化和受风构件形状加以修正。海（潮）流载荷、地震载荷、冰载荷对海洋平台的影响也是不可忽视的。海(潮）流流速及其沿深度方向的分布规律，海潮流流向，结构件的形状和尺寸都是影响海潮流载荷的主要因素。地震对平台结构破坏具有实际意义的地震特征是地震强度(幅值)频谱特性和持续时间(简称持时)三要素。为了保证结构物的安全，应该是结构的强度大于冰的破坏强度，这样冰与结构物相互作用是时，冰就会破坏，使结构物保持安全。

2.2固定式海洋平台巨型框架设计

对海洋平台的几何尺寸进行模型构建，取载荷最不利的情况进行静力分析，求的平台结构的变形与内力，校核平台的结构强度。经过静力分析研究结构尺寸对海洋平台的性能影响，得到合理的结构尺寸。

2.2.1平台模型构建

运用那个巨型框架理论建造巨型框架平台，巨型框架平台由矩形柱和矩形梁相互连接构成空间矩形框架结构。将传统的导管架立柱直径增大构成巨型柱，巨型梁沿平台均匀分布横撑和斜撑，巨型梁高度为10m～20m左右，每个2～6个巨型梁的高度设置一道。巨型柱和巨型梁形成有很强抗侧刚度的垂直悬臂梁，有效抵御垂直载荷和水平载荷。

（1）竖直载荷

平台的竖直方向的载荷主要包括平台主题自重、机械设备的重力和次结构的重力等。平台的自重均匀分布由各个桩腿承担。机械设备的重力和次结构的重力集中分布在安装点上。以中国海洋石油总公司湛江分公司的W12-1平台为例，平台上生活模块(生活楼加上直升机升降平台)重500t，16t吊车安装在平台的右前侧；50t的天然气压缩机安装在底层甲板的正前方；100t的二级分离器(含油)安装在中层甲板的正后方，修井机安装在右侧等等[3]。这些结构由于工艺安装位置的限制，容易造成桩腿承担载荷不均匀。载荷的严重分布不均会引起平台导管架破坏。

（2）水平载荷

海洋平台承受的水平载荷主要有海浪、海风、海流、海冰等。水平载荷对平台的作用基本相似，研究方法相同，以海浪载荷为例研究水平载荷对海洋平台的影响。设计海况深度85m波高6m，波周期为10s。水深与波长比值大于0.5，可用利用艾里波理论来计算水质点的水平速度和水平加速度，然后用莫里森方程求解作用在立柱上的作用力，总力分配到有限元平台模型的立柱节点上。不同水深处，立柱节点的水平力如下表：

表2.1 不同水深处立柱的水平力

（3）平台几何尺寸

本设计是由16根巨型立柱和三层平台组成。海底上平台高度是100.4m。本设计平台巨型柱为直径1524mm，壁厚20mm的钢管；巨型梁是直径660.4mm，壁厚19.05mm的钢管构成的空间桁架结构。三层巨型梁分布分别在海底以上15m、50m和100.4m处（如图2.2所示），三道巨型梁的层高分别是20m、20m和7m；上部平台立柱与巨型柱的型号材料相同。各立柱用型钢连接，主梁型号为350

H，平台向

1200?

外延伸部分采用的型钢的型号为146

W。

24?

图2.1巨型框架平台

经过查阅资料，巨型柱的位移和抗弯强度与巨型柱的倾角有很大关系，随着倾角的增大，位移增大，同时抗弯刚度也增大。综合考虑各方向的位移和抗弯强度情况，当巨型柱的倾角为10°左右较合理。若是再继续增加角度来改变位移量，效果不再明显。本设计取倾角为8°和4°。

（4）巨型平台导管架管节点的连接形式

导管架是整个平台的支撑部分，是钢管焊接而成的一个空间桁架结构。各管子靠关节点相连。管子相交所构成的节点称为管节点。管节点是平台结构的一个组成部分，它是用熔焊的方法将作为构件来连接到另一根构件的表面上形成的。关节点是导管架的薄弱环节。

在一个平面内，在两个或多个纵向轴交叉处，从撑杆轴与悬管轴的交点至悬管轴的垂直距离定义为偏心距。如果此距离与撑杆同侧，则偏心距为负值；如果此距离在背杆侧，则偏心距为正值。负偏心距引起撑杆的搭接；正偏心距引起撑杆的分开。对于本位的结构，负偏心距可以提高平台的承载能力。但是，与无搭接点相比，具有搭接撑杆的节点的疲劳寿命可能会降低。关节点的受力分析很复杂，其不利情况是应力

集中。在危险位置处所达到的应力是正常应力的倍数，即应力集中系数。不同形状的应力集中系数不同，应选择应力集中系数小的连接方式。本设计各管节点才赢得是负偏心距连接。

3海洋平台巨型平台上部设计

海洋平台的上部结构分成了两层，由甲板、立柱及平台上的采油设备、生活设施等使用设备构成。上部平台高出海平面，产生振动时位移较大，恢复平衡周期长，因此海洋平台上部结构要有较强的抗震、吸震、减震功能。

3.1海洋平台上部的减震

在海洋这样恶劣的环境下，海风肆虐，海浪咆哮，仅仅海洋平台的巨型框架的抗震减震作用是远远不够的。通常一般的导管架平台是利用加入TMD（调频质量阻尼器）系统，对上部平台的震动进行控制。虽然在上部平台结构中加入TMD虽然其阻尼系统能够起到减震的作用，但是加入平台的质量在遇到不稳定载荷时，增加这部分质量会变成激励载荷，加剧海洋平台的震动。TMD的减震性能是与其质量有关的，质量越大其减震性能也越好，其带来的副作用也越大。

传统海洋平台的上部设计是将上部模块与甲板直接焊接在一起。在不稳定载荷下，上部系统模块就会变成有害的激励载荷，加剧平台的震动。因此，本文提出了扩展的调频质量阻尼器减震系统(ETMD系统)，即将平台上的生活模块与弹簧阻尼器直接相连，组成一个大的TMD系统。这样不仅可以有效控制平台震动，平台的质量也没有增加。很好的弥补了TMD存在的不足，大大扩大了其使用范围。

ETMD系统中要合理调整弹簧的刚度和阻尼器的系数，使平台的惯性力和激励载荷相反，成为能抵抗海浪、飓风、地震等恶劣载荷的有意力量。合理选择ETMD系统的质量体，还能提高ETMD控制震动的能力，使其达到能控制多阶震动的功能。下图为传统TMD（图3.1）和改进ETMD（图3.2）：

图3.1 TMD系统图3.2 ETMD系统

3.1.1 ETMD系统的组成及工作原理

（1）ETMD的系统组成

本文涉及的ETMD系统，主要是由主框架、减震系统、钢轨、甲板、防护板等组成。主框架通过支撑轮和防倾轮与甲板相连，支撑轮圆柱表面与导轨接触，防倾轮侧面与导轨侧面接触（如图3.3所示）。弹簧一端通过滑块上的销轴与导轨相连，销轴由液压缸控制（如图3.4所示）另一端与甲板相连。导轨和主框架相连接。

图3.3 支撑轮、防倾轮与导轨连接

图3.4 滑块销轴与导轨相连