导管架式平台

导管架平台的历史和发展进程

世界上第 一座固定式海洋平台建于1887年，它安装在美国加利弗尼亚的油田上，实际上是一座木结构的栈桥。二战后，用于战争中的许多先进科学技术成果被应用到海洋开发中。1947年在美国墨西哥湾水深6米处成功地安装了世界上第一座设备齐全的钢质导管架平台。开创了海洋开发的新时期。此后，海洋平台得到了迅速的发展。上世纪七十年代末，钢制导管架平台已经安装于300多米的海域，而到了1990年具有486米高的巨型导管架平台也已工作与墨西哥湾400多米的水深中。这种导管架式平台在随后的多年中逐渐地扩展到更深的水域和更恶劣的海洋环境中。这些平台以勘探、开发海洋资源为主，其中尤以开发、储藏石油和天然气的平台占多数。

自上世纪四十年代美国安装使用了世界上第一座钢质导管架式平台(Steel Jacket Offshore Platform)以来，这种结构已经成为中浅海海洋平台的主要结构型式。随着海洋石油开发的迅速发展，导管架式海洋平台被广泛用于海上油田开发、海上观光以及海洋科学观测等方面。迄今为止，世界上建成的大、中型导管架式海洋平台约有2000余座。工作水深已达到四、五百米。

结构形式

“导 管 架 ”的取名基于管架的各条腿柱作为管桩的导管这一实际。固定式钢质导管架海洋平台主要由两部分组成: 一部分是由导管架腿柱和连接腿柱的纵横杆系所构成的空间构架。腿柱(或称导管)是中空的，钢管桩是一根细长的焊接圆管，它通过打桩的力一法固定于海底，由若干根单桩组成的群桩基础把整个平台牢牢地固定于海床。腿柱和桩共同作用构成了用来支撑上部设施一与设备的支撑结构:另一部分由甲板及其上面的设施与设备组成，是收集和处理油气、生活及其它用途的场所。图1-2为典型的导管架式海洋平台结构的示意图。

固定设施的类型：桩基式固定设施、重力式固定设施、人工岛、顺应型平台、简易平台

属于桩基式固定设施

导管架式平台，主要由四大部分组成：导管架、桩、导管架帽和甲板。在一般情况下，甲板由模块组成。

模块：也称组块。由各种组块组成平台甲板。平台可以是一个多层甲板组成的结构，也可以是单层甲板组成的结构，视平台规模大小而定。如钻井区域的模块可称为钻井模块；机械动力区可称为动力模块；生活区称为生活模块等。

在许多情况下，导管架帽和甲板模块合二为一，所以这时导管架式平台仅分为导管架、桩和甲板模块三部分。如图5-1-1所示。

（1） 导管架

导管架系钢质桁架结构，由大直径、厚壁的低合金钢管焊接而成。钢桁架的主柱（也称大腿或腿柱）作为打桩时的导向管，故称导管架。其主管可以是三根的塔式导管架，也有四柱式、六柱式、八柱式等，视平台上部模块尺寸大小和水深而定。导管架的腿柱之间由水平横撑与斜撑、立向斜撑作为拉筋，以起传递负

荷及加强导管架强度的作用。

（2）桩

导管架依靠桩固定于海底，桩结构有主桩式，即所有的桩均由主腿内打入；也有裙桩式，即在导管架底部四周布置桩，裙桩一般是水下桩。

桩结构设计内容包括：根据平台总体规划设计所选定的尺度，分析在最不利荷载组合作用下桩结构的构件出现的内力；根据桩所承受的最大轴向力和弯矩，校核桩身强度；由桩所承受的最大轴向力和横向力，确定桩的入土深度；根据导管架在施工和使用阶段各构件出现的内力（轴力、弯矩和剪力），该校各构件的强度、刚度和稳定性。

海上导管架平台的承载能力主要取决于打入海床的钢管桩基础。打入海床的钢管桩穿过软弱的压缩性土层，把来自海洋环境引起的荷载及上部设施和设备荷载传递到更硬或更密实的、且压缩性较小的土层中。对于受压桩，其承载能力主要来自桩身表面所发挥出来的摩擦阻力和桩端阻力。大多数情况下，桩承载能力主要是由桩身摩擦阻力提供，其承载能力随着桩身表面的增加而增大，因此海上导管架平台通常用深（桩）基础。

桩的尺寸主要取决于桩的数量、上部设施与设备荷载、海底土质性状及沉桩方法。

导管架平台桩基础，各单桩之间的间距一般都比较大，通常是桩径的5倍至10倍，往往可忽略桩端（尖）压力的某些作用重叠的影响，桩基的承载能力可简单地采用各单桩承载能力之和表示。由于桩打的比较深，作用于桩上的荷载主要是通过桩身侧摩擦阻力传递到桩周土壤中，且在整个使用寿命期，作用于桩基础的荷载小于极限荷载，故一般情况下桩基的沉降可忽略不计。

在导管架平台中，桩基础按其施工方法可分为三类。

①打入桩基础

②钻孔灌注桩基础

③钟型桩基础

上述三种桩基础型式，打入桩施工最简单，费用最便宜，是海洋工程中首先选用的一种桩基础型式；钻孔灌注桩和钟型桩，一般是在不得已的情况下采用。在实际工程中到底采用何种桩基主要考虑土质条件、桩的用途、桩的承载能力、

地基类型及施工条件等因素。对上述诸因素的考虑主要取决于设计者的经验及对工程全貌的认识。

（3）导管架帽

导管架帽是指导管架以上，模块以下带有甲板的这部分结构。它是导管架与模块之间的过渡结构。对于导管架帽的设计，可以参照导管架、甲板和甲板模块等部分的内容，此处不再详细论述。

（4）甲板和甲板模块

为方便计，将甲板和甲板模块（包括导管架帽等）统称为上部结构。

进行上部结构设计时，首先要确定上部结构的主要轮廓尺度。

平台上部结构轮廓尺度主要指甲板面积和甲板高程。

甲板面积和甲板高程是平台总体规划中的两个重要尺度，它对决定支承结构轮廓尺度有重要影响。

(5) 生活模块

供海上工作人员生活、娱乐和休息的场所称为生活区。生活区可以布置在一个专门的平台上，通常称为生活平台；生活区也可以与钻井区和生产区布置在同一平台上。如所周知，这种平台称为综合平台。生活区是平台上部设施的一部分，通常制做成一个独立的吊装单元，一般称为生活模块。生活平台作为一个独立工作的平台，对于操作员的安全、舒适的生活是十分理想的，但投资比较高。主要是经济上的原因，目前大多采用生活模块，作为平台上部设施的一部分供平台上工作人员休息和居住。下面主要讨论生活模块的结构设计特点及一般分析方法。

①生活模块总体布置的特点

安装在综合平台上的生活模块从外观来看，类似于一座高楼，通常为2~6层，所以有人称它为平台上的“生活楼”。

生活模块设计要综合考虑防火、防爆、防震、防潮、保温、隔音、通风、采光等要求。例如，卧室应设计成为在井口和加工区万一出现紧急情况的避难场所。它可以直接通向逃生通道。卧室与卧室之间采用防火壁，这种防火壁要有一定的燃烧时间，以便逃生。

在总体布置上还要考虑与生活膳宿有关的一些其他问题。例如：污水及污

物处理系统；若男女共处一个平台，则卧室、厕所、卫生间要合理布置；当平台上工作人员民族不同，则平台要考虑设置两个厨房和两个餐室。

②生活模块结构的受力分析

生活模块是一个多层的框架结构，通常可简化为横向刚架计算简图。主梁通常在横向与立柱刚性连接，纵向梁与立柱采用铰接或柔性连接。这种结构体系也可以按空间框架进行分析，但在一般情况下，当纵向刚度较大时可忽略它的空间作用而取平面横向框架来计算。

(6) 直升飞机甲板

直升飞机甲板是设在海上平台上的直升飞机起降场。直升飞机甲板必须具有足够的面积供直升机起落和装卸作业；必须具有足够的强度能承受飞机降落时的冲击荷载。

①直升飞机甲板设计依据及一般布置

a. 设计依据

(a) 直升飞机甲板的功能。是停泊单直升飞机作业用的，还是停泊多直

升飞机作业用的。

(b) 直升飞机的性能。包括飞机的毛重、总长、总高、旋翼直径以及主

轮间距等。

(c) 直升飞机甲板位置。

(d) 环境条件。

b.一般布置

直升飞机甲板通常布置在生活区建筑物的顶上，若顶部面积不够，往往设计成悬臂式结构型式，以满足机杨甲板面积要求。

直升飞机甲板的平面型式有圆型、方型及六角型的。一般在确定直升飞机甲板尺度时，要综合考虑平台的轮廓、设备布置、平台方位、到障碍物距离、所选飞机型号、以及经常出现的环境条件。

当平台结构型式和设备布置对直升飞机有影响时，应该把直升飞机甲板架高。在确定直升飞机甲板空间时，要充分考虑直升飞机甲板上部空气扰动。

直升飞机甲板的设备，例如灯具、加油软管、灭火器、系留点及系留绳索、风向指示器及直升飞机甲板上下出口等，都应布置得避免成为直升飞机平台区域

的障碍物。

设计时，还应注意在甲板上布置适当的排水设施，以便把甲板表面的积水减至最少。飞行甲板表面应能防滑，并且无实体建筑物，以便旋翼产生的向下气流形成地面气垫。对于在恶劣环境区域作业的轮式着陆直升飞机，直升飞机甲板提供锁紧装置，例如格栅，以保证直升飞机着陆后的安全。为了固定住每架飞机，在飞行甲板上要布设系留点。为了保证工作人员安全，应沿直升飞机甲板周边铺设安全网或安全架。为了保证夜间能停降飞机，甲板四周应布设灯具。

②设计荷载及荷载组合

设计荷载及荷载组合见有关规范。

③直升飞机甲板结构设计概述

直升飞机甲板结构由两部分构成，一部分是为直升飞机起飞和着陆而提供甲板表面区域，一般称为飞行甲板；一部分是飞行甲板的支承结构。当生活模块顶部有足够面积可供布置飞行甲板时，生活模块顶部甲板梁格按飞行甲板支承结构设计，用以支承飞行甲板；当生活模块顶部没有足够的面积可供作为飞行甲板时，通常在模块顶部挑出一悬臂甲板，挑出部分由三角型桁架支承。甲板外伸部分由支撑桁架支承，支承桁架采用管型截面，悬臂桁架之间采用支撑桁架以加强侧向刚度。

这里特别要注意的是直升飞机甲板的板、梁、柱等构件的设计一定要按照直升飞机最不利的着陆位置来考虑。

(7) 栈桥

栈桥是平台上部设施的一部分，是连接相邻两个平台的通道。

栈桥的主要作用：除了作为海上相邻两个平台的交通通道外，同时也用来做为各种管道的支撑结构，例如原油管道、饮用水管道、公用水管道、电缆导管、通讯线路以及气管道和燃烧管线等。

①栈桥的结构型式及一般布置

连接相邻两个平台间的栈桥，通常设计成直的、单跨的钢管结构桥，由于栈桥功能不同，每座栈桥的长、宽、高和构架的型式都各不相同。一般来说，海上栈桥都是多功能汇集于一桥。既是人们行走的通道，也是各种管线的支撑。一个多功用的栈桥，其断面型式可以设计为矩型，也可设计为呈三角形。在各种栈

桥型式中，以正三角型截面型式的栈桥应用的较为普遍。

②设计荷载与荷载组合

设计荷载与荷载组合见有关规范。

③栈桥结构设计要点

连接两个相邻平台的栈桥，一般跨度在30~60m之间，最长可达100m左右，例如采油平台与火炬平台之间的栈桥。栈桥设计的是否合理，对节约钢材、节省工时，降低造价具有重要意义，因此在栈桥设计中，要根据结构的用途、考虑多种方案，进行技术和经济比较，选择最优方案。

(8) 火炬塔（或火炬臂）

火炬塔（或火炬臂）主要用于安放主气管道线、火焰管线及引焰线（火焰发生器），以便处理油气分离出来的伴生气。另外还有一条从油井引出的出油管线，以便在紧急情况下需要暂时把采出来的原油全部烧掉。

火炬塔通常安装在一个小导管架上（火炬臂则安装在平台上部结构之上），这种导管架一般称为火炬导管架。火炬导管架是一座由三腿柱或四腿柱构成的框架结构，用桩固定于海底，火炬塔立柱直接焊在桩顶上，做成一个单体结构。

火炬塔的结构型式类似导管架，但它是最简单的一种钢管桁架结构物；主腿柱通常是垂直的，它与斜支撑共同构成三角型构架，主燃烧管成为火炬塔一部分。火炬塔设计要考虑的主要荷载是风荷载。其受力分析类似塔式结构，这里就不详述了。

施工

是一个复杂的过程，分为陆上预制和海上安装两种作业。

陆上预制是在专门的场地上进行。导管架、上部模块和导管架帽分别在陆上预制好。

海上安装包括海上运输和海上安装两部分。导管架和组块用驳船或其他方法运到油田现场，先将导管架沉放到预定位置，然后沿各导管向海底打桩，再将导管架帽安装在导管架上，最后用起重船将上部模块吊装到导管架帽上，这时平台即告建成。

优缺点

优点是：（1）技术成熟、可靠；（2）在浅海和中深海区使用较为经济；（3）

海上作业平稳和安全。

具有适应性强、安全可靠、结构简单、造价低

缺点是：（1）随着水深的增加费用显著增加；（2）海上安装工作量大；（3）制造和安装周期长；（4）当油田预测产量发生变化时，对油田开发方案进行调整的适应性受到限制。