导管架海洋平台系统可靠性分析

大连理工大学

硕士学位论文

导管架海洋平台系统可靠性分析

姓名：杜超

申请学位级别：硕士

专业：防灾减灾工程及防护工程

指导教师：李昕

20060616

大连理工大学硕士学位论文

１绪论

１．１前言

１．１．１海洋平台的发展概况

随着社会的快速发展，人类对能源的需求也越来越大。石油是当今世界最主要的能源，人类对石油的开发已经从昔日的陆地逐渐向海洋进军。占地球面积７１％的海洋，蕴藏着丰富的生物资源和矿物资源【１］。海洋石油开发具有投资高、风险大、高新技术密集等特点，即便如此，面对及其丰富的海洋资源，各国都加紧了海洋高新技术的开发。使海洋环境探测、海洋资源调查、海洋油气开发、海洋深潜和海生物技术等成为世界高技术竞争的热点。

海洋平台是一种海洋工程结构物，它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。随着海洋开发事业的迅速发展，海洋平台得到了广泛的应用，如海底石油和天然气的勘探与开发、海底管线铺设、建造海上机场及海上工厂等。目前应用海洋平台最为广泛的领域当属海上油气资源的勘探与开发。海洋平台的建造历史可以追溯到１８８７年在美国加利福尼亚所建造的第一座用于钻探海底石油的木质平台；１９４７年墨西哥ｃｏｌｌｉｓｓａｎａ海域建造了第一座钢质海洋石油开采平台，开创了海洋开发的新篇章［２１。

图ｌｔｌ几种典型海洋平台示意图

Ｆｉｇ．１．１ＳｅＶｅｒａｌ¨ｎｄｏｆｔｙｐｉｃａｌｏｃｅａｌｌｐＩａ饰ｍｓ

导管架海洋平台系统可靠性分析

按结构型式及其特点来划分，海洋平台大致分为固定式平台、移动式平台和顺应式平台等三大类【２６】，如图１．１所示。水深在５—２００米范围内，导管架平台是应用最多的一种平台形式，约占９０％以上。“导管架”【８】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ｐ刀】：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（导管）是中空的，钢管桩是一根细长的焊接圆管，它通过打桩的方法固定于海底，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与设备的支撑构件；另一部分由甲板及其上面的设施与设备构成，是收集和处理油气、生活及其它用途的场所。如图１．２所示，就是典型的寻管架式海洋平台结构。

图１．２东海油田导管架海洋平台示意图

Ｆｉｇ．Ｉ．２ＴｈｅｊａｃｋｅｔｐＩａｔｆｏｍｌｉｎＥ越ｔＣｈｉｎａｓｅａ

１．１．２我国海洋平台的发展状况

我国有１ｓｏｏｏ多公里的海岸线，６５００多个海岛。在近３００万平方公里的海域内，大陆架海区含油气盆地面积近７０万平方公里，预测石油资源储量为２７５．３亿吨，天然气储量为ｌＯ．６万亿立方米。目前已探明在渤海、黄海、东海、南海等海域均有分布，且储量丰富［５】。我国从六十年代中期开始建造石油平台，于１９６６年依靠自己的技术力量在渤海海域成功的安装了第一座导管架式海洋平台。近年来，我国的平台设计、制造、安装都得到了突飞猛进的发展，在各海域陆续建造了近百座海洋平台。其中，我国“十五”重

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点工程项目“春晓油气田”，位于宁波市东南３５０公里处的东海西湖凹陷区域，由春晓、残雪、断桥和天外天４个油气田组成，总面积达２．２万平方公里，已于２００５年底完工，并必定会在不久的将来投入生产，届时该油气田的日处理天然气能力可达９１０万方。１．１．３海洋平台的风险

海洋平台结构复杂，体积庞大．造价昂贵，与陆地结构相比，所处的环境非常”１恶劣，承受着多种随时间和空间变换的随机荷载，如波浪、海流、风、潮汐、海冰等荷载，同时还受到地震作用的威胁，在这种恶劣的工作条件下，海洋平台的服役状况不断退化，使得结构抵抗环境荷载作用的能力不断下降。一旦发生事故，将造成重大的经济损失，和恶劣的社会影响。

历史上由于对海洋环境的复杂性、随机性以及平台的安全度认识不充分，曾发生多次海洋平台的坍塌事故，造成了无法挽回的损失“１。国外的海洋平台事故包括：１９６５年英国北海的“海上钻石”号钻并平台支柱脆性断裂导致平台沉没；１９６８年“罗兰角”号钻井平台事故；１９８０年Ｅｋｏｆｉｓｋ油田的“Ａ１ｅｘａｎｄｅｒＬ＇Ｋｉｅｌｌａｎｄ”号半潜式钻井平台发生倾覆，导致１２２人死亡；ｚ００１年巴西龙卡多油田Ｐ一３６号半浮动式平台发生工业爆炸和火灾，造成１０人死亡，直接经济损失达４亿美元。国内海洋工程事故有：１９６９年我国“渤海２号”平台被海冰推倒，直接经济损失达２０００多万；１９７７年“渤海４号”平台在海冰的作用下倒塌；２００２年８月，文昌１３一Ｉ平台在安装阶段与起重铺管船发生碰撞，造成经济损失数百万。如图１．３所示是龙卡多油田Ｐ一３６号平台的事故照片。

图１．３巴西龙卡多油田事故图片

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导管架海洋平台系统可靠性分析

图３．１储油罐平台计算模型

Ｆ唔３，ｌＴｈｅｏｉｌｔａｎｋｍｏｄｅｌ

在使用Ａｎｓｙｓ。’”１对结构建立限元建模型过程中，充分考虑了结构的原有特性，使用了Ａｎｓｙ５提供的梁单元、管单元、壳单元对结构构件进行剖分，结构上部储油罐作为集中质量，采用质量单元模拟，将集中质量块分四个点加在甲板上：对于桩的模拟，本文采用的是等效桩法，考虑桩土的相互作用Ⅲ’“’，取泥面以下等效桩长度为７ｍ，在其底端加以固定约束。具体剖分信息如表３．２所示。

表３．２剖分信息表

Ｔａｂ．３．２Ｇｒｉｄｄｉｖｉｓｉａｎｉｎｆｂｎｎａｔｉｏｎ

构件名称单元类型单元数量

平台甲板ｓｈｅｌｌ６３２１００

平台粱ｂｅ嘲１８８１６００

桂腿、桩腿、平面撑、斜撑街ｅ５９１８１６

储油罐ｍ拈ｓ２ｌ

３．２环境荷载分析

３．２．１环境荷载分类及计算模型

（１）环境荷载的分类