三樁筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和拖航穩(wěn)性分析與應(yīng)用

付小麗,萬(wàn) 軍,曲兆光

(1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司,天津 300280;2.中海石油(中國(guó)）有限公司天津分公司,天津 300452）

三樁筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和拖航穩(wěn)性分析與應(yīng)用

付小麗1,萬(wàn) 軍2,曲兆光2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司,天津 300280;2.中海石油(中國(guó)）有限公司天津分公司,天津 300452）

以渤海灣應(yīng)用的典型三樁筒型基礎(chǔ)為例,通過(guò)結(jié)構(gòu)靜力分析和拖航穩(wěn)性分析,推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)浮運(yùn)重量與吃水對(duì)應(yīng)關(guān)系,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和浮運(yùn)施工方案提供理論依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)施工證明了計(jì)算分析的正確性,并對(duì)渤海近年該典型結(jié)構(gòu)海上成功應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹,以期開(kāi)闊工程技術(shù)人員海上簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)思路,為極淺海海洋工程技術(shù)提供有益參考。

三樁筒型基礎(chǔ);火炬樁;靜力平衡;初穩(wěn)性

我國(guó)渤海灣極淺海的邊際油田屬于陸相油藏,油藏儲(chǔ)量分散、地質(zhì)復(fù)雜,并且渤海海洋氣候環(huán)境多變,開(kāi)發(fā)難度非常大,若采用常規(guī)開(kāi)發(fā)模式,投資大、風(fēng)險(xiǎn)高、經(jīng)濟(jì)收益低。隨著工程技術(shù)水平的提高和新技術(shù)的應(yīng)用,許多以前難以開(kāi)發(fā)的小型邊際油田逐步得以開(kāi)發(fā)利用。筒型基礎(chǔ)技術(shù)就是眾多新技術(shù)成功應(yīng)用于邊際油田開(kāi)發(fā)的典型實(shí)例。

根據(jù)不同工程使用要求和工程地質(zhì)條件,筒型基礎(chǔ)可分為單筒結(jié)構(gòu)、三筒結(jié)構(gòu)、四筒結(jié)構(gòu)等。如圖1所示,渤海灣極淺海區(qū)域人工島所使用的火炬樁,由于其獨(dú)立于島外,島體整體布局不受影響。該火炬樁為三樁筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖1 人工島火炬樁布置示意Fig.1 Man-made island suction pipe foundation

本文以火炬樁筒型基礎(chǔ)為例,對(duì)結(jié)構(gòu)、拖航穩(wěn)性、座底穩(wěn)性進(jìn)行了計(jì)算分析。筒基結(jié)構(gòu)一般由三個(gè)直徑為2.5～9 m、高3～10 m的筒型結(jié)構(gòu)組成,各筒之間由空間鋼架結(jié)構(gòu)或箱型結(jié)構(gòu)連接,構(gòu)成三角形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。該基礎(chǔ)在拖航過(guò)程中,筒基內(nèi)氣體提供一定的浮力。如果筒基結(jié)構(gòu)自身浮力不能滿足結(jié)構(gòu)浮運(yùn)吃水要求,可額外增加筒基內(nèi)氣體壓力或浮筒,以滿足筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)浮運(yùn)吃水和穩(wěn)性要求。該基礎(chǔ)可采用海上漂浮拖航和負(fù)壓下沉技術(shù)進(jìn)行海上拖航和海底貫入施工。

為了保證筒型基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和拖航就位時(shí)安全可靠,我們采用海洋工程分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度校核、采用船舶穩(wěn)性原理進(jìn)行穩(wěn)性分析、采用等體積壓縮原理和浮體靜力平衡原理計(jì)算結(jié)構(gòu)重量和吃水的關(guān)系,從而為工程設(shè)計(jì)與施工提供可靠理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)模型建立

以火炬樁結(jié)構(gòu)為例,筒基用空間鋼架結(jié)構(gòu)連接,根據(jù)結(jié)構(gòu)特性,通過(guò)剛度和質(zhì)量的等效處理,用等尺寸圓形截面的梁?jiǎn)卧獙?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬簡(jiǎn)化,將筒基模擬成強(qiáng)構(gòu)件單元。

有限元模型如圖2所示,確定其基本的有限元力學(xué)模型,模型共33個(gè)節(jié)點(diǎn),77個(gè)三維梁?jiǎn)卧?。?jì)算時(shí)綜合考慮浮體結(jié)構(gòu)在拖航和座底就位后受環(huán)境荷載和上部設(shè)備載荷作用的影響。

圖2 有限元結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Finity element structure model

1.2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)《海上固定平臺(tái)設(shè)計(jì)與建造技術(shù)規(guī)范》[1]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和《Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design》[3]AISC S335規(guī)定,承受拉壓和彎曲荷載的構(gòu)件,其強(qiáng)度σ按式(1）計(jì)算:式中:N為構(gòu)件所受內(nèi)力;A為構(gòu)件截面積;M為構(gòu)件所受彎距;W為構(gòu)件剖面模數(shù)。

結(jié)構(gòu)選用屈服強(qiáng)度為235～250 MPa的材料,其結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力[σ]值141～150 MPa,結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 計(jì)算結(jié)構(gòu)最大名義應(yīng)力值Tab.1 Structure maximum nominal stress calculation

表2 計(jì)算結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力值Tab.2 Structure maximum internal force calculation

從表1中計(jì)算結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)上所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的名義應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力,主要節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力滿足規(guī)范要求。由表2中計(jì)算結(jié)果可知,構(gòu)件內(nèi)力值都很小,火炬樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備大,筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)的位移變形值都在允許范圍之內(nèi),最大位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)的中心處,在結(jié)構(gòu)剛度、穩(wěn)性滿足規(guī)范要求的情況下,該結(jié)構(gòu)材料尺寸可根據(jù)計(jì)算結(jié)果和規(guī)范有關(guān)要求適當(dāng)減小,以降低材料成本,這里不再詳述。

2 穩(wěn)性分析

我們根據(jù)《船舶靜力學(xué)》[4]中穩(wěn)性計(jì)算理論進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算,按照《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》[5]對(duì)其進(jìn)行底座穩(wěn)性分析。

2.1 重心計(jì)算

在分析結(jié)構(gòu)初穩(wěn)性之前,我們首先要確定浮體的重心位置,根據(jù)結(jié)構(gòu)的重量分布和結(jié)構(gòu)尺寸,整個(gè)浮體結(jié)構(gòu)的重心Z的豎坐標(biāo)按式(2）計(jì)算:

式中:G為筒基總重量;gi為筒基各部分的重量;Zi為與gi相對(duì)應(yīng)的重心豎坐標(biāo)。

2.2 穩(wěn)性分析

2.2.1 初穩(wěn)性

根據(jù)船舶理論,初穩(wěn)性也稱小傾角穩(wěn)性,即傾角小于5°或上甲板邊緣開(kāi)始入水前的穩(wěn)性。我們假設(shè)筒基上部為甲板,按照船舶等體積傾斜原理分析初穩(wěn)性,以傾覆力矩最大方向來(lái)計(jì)算初穩(wěn)性,即在小角度傾斜時(shí),恢復(fù)力矩與初穩(wěn)性高度或傾斜角均可近似成線性關(guān)系,此時(shí)的恢復(fù)力矩也是最小值。如果該方向初穩(wěn)性是穩(wěn)定的,如圖3所示,則浮體結(jié)構(gòu)對(duì)于其它任何方向的傾斜都是穩(wěn)定的,如式(3）?；謴?fù)力矩亦同,如式(4）。

式中:h0為初穩(wěn)心高度;r為初穩(wěn)性半徑;a為浮心與重心間距。

式中:K為穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù);M恢為恢復(fù)力矩;M傾為傾覆力矩。

由計(jì)算可知,兩參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

圖3 穩(wěn)性示意Fig.3 Sketch map of stability

2.2.2 座底穩(wěn)性

當(dāng)結(jié)構(gòu)拖航就位時(shí),考慮海床地質(zhì)條件影響以及風(fēng)、浪、流荷載和浮力的作用,座底穩(wěn)性計(jì)算如式(5）。

式中:Wo為減去浮力后的結(jié)構(gòu)重量;Yo為Wo對(duì)傾覆軸的水平距離;Mzq為作用在結(jié)構(gòu)上傾覆力矩的總和。

由計(jì)算可知,結(jié)構(gòu)座底穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。“移動(dòng)規(guī)范”要求,作業(yè)工況時(shí) Kzq≥于1.5;自存工況時(shí)Kzq≥1.3。

3 拖航吃水分析

該結(jié)構(gòu)拖航時(shí),筒基倒扣在水中,浮力來(lái)源于筒內(nèi)被壓縮空氣,筒內(nèi)氣體高度可按等體積氣體壓縮原理來(lái)計(jì)算,然后再根據(jù)浮體靜力平衡原理計(jì)算筒基的吃水。

3.1 靜力平衡原理和計(jì)算公式

以在入水前和入水后的單筒內(nèi)氣壓變化為例,分析和計(jì)算筒基的重量與吃水的關(guān)系,其原理如圖4,計(jì)算式如式(6）～式(8）。

式中:P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;H0為浮筒高度;P1為浮筒內(nèi)壓縮氣體壓強(qiáng);H1為浮筒內(nèi)壓縮氣體高度;Δh為浮筒內(nèi)外水高度差;r為海水密度;T為浮體吃水。

圖4 吃水分析原理Fig.4 Schematic diagram of draft analysis

3.2 結(jié)構(gòu)重量與吃水關(guān)系

由式(6）～式(8）推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)重量與吃水關(guān)系式(9）:

式中:W為筒基重量;S為筒基截面面積;其余參數(shù)同上。

根據(jù)式(9）,計(jì)算并繪制出不同筒基重量與吃水關(guān)系的理論計(jì)算值,并做出關(guān)系曲線,見(jiàn)圖5。

在實(shí)際拖航中,筒基重量5t,實(shí)際吃水測(cè)量值為1.29 m。從圖中我們可看出,理論計(jì)算和實(shí)際吃水值結(jié)果相吻合。此分析適用于筒基平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量不大的情況。如果平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量大于筒基提供的浮力,可采用增加浮筒方式或增加筒基內(nèi)氣壓的方式來(lái)解決。

圖5 重量與吃水關(guān)系Fig.5 Relationship between weight and draft

4 應(yīng)用

由于三樁筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)低、施工方便,無(wú)需大型配套海上施工資源,已被廣泛應(yīng)用。例如火炬燃燒器、靠船設(shè)施、護(hù)管護(hù)纜平臺(tái)、無(wú)人井口平臺(tái)等。

4.1 火炬樁

較早運(yùn)用此結(jié)構(gòu)的張巨河人工島火炬樁位于張巨河人工島西北100 m處,該地區(qū)屬于不規(guī)則半日潮,水深一般在0～3 m左右。該結(jié)構(gòu)由三個(gè)直徑為2.5 m、高3 m的筒型結(jié)構(gòu)組成,各筒之間由空間鋼架結(jié)構(gòu)連接構(gòu)成等邊三角形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(圖6）。這種結(jié)構(gòu)形式施工快速有效,不需大型工程設(shè)備。在下沉就位后采用負(fù)壓貫入技術(shù),將筒內(nèi)空氣和水排空,在重力作用下貫入土層,通過(guò)調(diào)節(jié)各筒排水排氣量,調(diào)整下沉姿態(tài)和速度,使結(jié)構(gòu)均勻下沉,再通過(guò)清淤將結(jié)構(gòu)均勻貫入到設(shè)計(jì)深度。該方法快速簡(jiǎn)單,不需大型施工機(jī)具和打樁,施工費(fèi)用低,很好地解決了不同水深運(yùn)移和施工定位的難題。

圖6 火炬樁三維模型Fig.6 3D model of burner boom pile

4.2 系纜平臺(tái)

系纜平臺(tái)應(yīng)用在渤海遼東灣,該地區(qū)水深一般在5～7 m。該結(jié)構(gòu)由三個(gè)直徑為4 m、高5 m的筒型結(jié)構(gòu)組成,在各筒基上部用空間圓管鋼架結(jié)構(gòu)構(gòu)成等邊三角形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(圖7）。上部主柱直徑1.5 m?；A(chǔ)上部平臺(tái)設(shè)置系纜機(jī)構(gòu),供船只靠泊系纜用,平臺(tái)上部通過(guò)棧橋與其它平臺(tái)連接。

圖7 系纜平臺(tái)三維模型Fig.7 3D model of dolphin platform drawing

4.3 無(wú)人井口平臺(tái)

無(wú)人井口平臺(tái)應(yīng)用在渤海遼東灣,是渤海第一座采用筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的無(wú)人井口平臺(tái)。該地區(qū)水深一般在5～7 m。該結(jié)構(gòu)由2個(gè)直徑約為6 m、高7.5 m和1個(gè)直徑約為7 m、高7.5 m的筒型結(jié)構(gòu)組成,各筒之間由三角形的鋼制箱型梁結(jié)構(gòu)連接構(gòu)成(圖8）。主柱直徑約1.6 m,但主柱沒(méi)有布置在結(jié)構(gòu)中心,而是位于直徑較大的一個(gè)筒基結(jié)構(gòu)上。主柱裝有抗冰結(jié)構(gòu),上部平臺(tái)甲板上可放置修井機(jī)進(jìn)行修井作業(yè)。

圖8 無(wú)人井口平臺(tái)三維模型Fig.8 3D model of unmanned well platform

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上理論計(jì)算分析和工程實(shí)例的成功應(yīng)用,可以總結(jié)出以下結(jié)論:

(1）與單樁結(jié)構(gòu)相比,三樁筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是在泥面處的結(jié)構(gòu)剛性更好,可以承受更大的環(huán)境荷載,更適應(yīng)渤海極淺海淤泥層較厚的地基條件。

(2）三樁筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單,施工方便,不需要大型海上施工機(jī)具設(shè)備和打樁設(shè)備,適應(yīng)性強(qiáng),可重復(fù)使用;同時(shí)由于是獨(dú)立的火炬系統(tǒng),使得平臺(tái)總體布置不受其影響,設(shè)計(jì)更靈活,因此其綜合經(jīng)濟(jì)效益更好。

(3）拖航時(shí),需要注意筒體內(nèi)氣體壓力值應(yīng)滿足浮體靜力平衡條件,以防在拖航中發(fā)生漏氣可能性,選擇理想氣候窗進(jìn)行海上施工作業(yè)。

(4）在上述實(shí)例中,因火炬樁結(jié)構(gòu)重量輕,筒體自身可提供足夠的浮力;如果結(jié)構(gòu)重量過(guò)大,筒體自身不能提供足夠的浮力,則采用增加浮筒方式滿足拖航吃水要求。

(5）由冰荷載引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題,目前還沒(méi)有好的辦法解決。

[1]中國(guó)船級(jí)社.海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2005:32-34.

[2]張啟文,夏志斌,黃友明,等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017—2003）[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003:17-22.

[3]James M Fisher,Roger E Ferch,Hansraj G Ashar,etc.Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design[R].American Chicago,Illinois,American Institute of Steel Construction,INC.(AISC）S360 2005:400-405.

[4]盛振邦,楊尚榮,陳雪深.船舶靜力學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1992:19-35.

[5]中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2005:131-140.

Analysis and application of three-suction pipe foundation platform structure and towing stability

Fu Xiaoli1,Wan Jun2,Qu Zhaoguang2

(1.CN PC Of fshore Engineering Company Ltd.,Tianjin 300280;2.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin 300452）

Taking the typical three-suction pipe foundation applied in Bohai Bay as an example,its structure towing stability,and foundation stability was calculated and analyzed.Based on it,the correspondence relationship between structure’s floating weight and draft was derived,and provided a theoretical basisfor the structural design and construction plan of floating.Meanwhile,the successful application instances of this typical structure in Bohai Bay in recent years are introduced in order to expand design ideas of minimum platforms and provide useful information for the application of offshore engineering technology in extreme shallow water.

three-suction pipe foundation;burner boom pile;static balance;stability

P752

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.100

1008-2336(2011）01-0100-05

2010-10-18;改回日期:2010-12-23

付小麗,女,1971年生,鉆井工程師,1994年畢業(yè)于西南石油大學(xué)海洋石油工程專業(yè),現(xiàn)從事海上鉆井專業(yè)工作。E-mail:fuxl.cpoe@cnpc.com.cn。