漁網(wǎng)拖掛對水下生產(chǎn)系統(tǒng)防沉板基礎(chǔ)影響分析

尹漢軍， 顧永維， 張 強(qiáng)， 何 鑫

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.南海深水天然氣開發(fā)項(xiàng)目組， 廣東 深圳 518067)

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漁網(wǎng)拖掛對水下生產(chǎn)系統(tǒng)防沉板基礎(chǔ)影響分析

尹漢軍1， 顧永維1， 張 強(qiáng)2， 何 鑫1

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.南海深水天然氣開發(fā)項(xiàng)目組， 廣東 深圳 518067)

隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)在中國深水油氣田的逐步應(yīng)用，漁網(wǎng)對其拖掛作用引起了越來越多的關(guān)注，而適當(dāng)?shù)臐O網(wǎng)拖掛載荷以及需要進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)的水深對水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響也顯得極為重要。該文按照ISO13628規(guī)范選取了漁網(wǎng)拖掛載荷，通過計(jì)算分析漁網(wǎng)拖掛載荷對水下生產(chǎn)系統(tǒng)防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響，說明了準(zhǔn)確的漁業(yè)活動調(diào)查以及適合于中國海域的漁網(wǎng)拖掛作用的設(shè)計(jì)規(guī)范對未來的水下生產(chǎn)系統(tǒng)在中國海域大范圍應(yīng)用的巨大意義，為今后深海開發(fā)提供參考。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；防沉板；拖掛載荷；深海開發(fā)

0 引言

隨著中國深水油氣田開發(fā)進(jìn)程的加快，越來越多的水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到了應(yīng)用。在此過程中，漁網(wǎng)拖掛作用對水下生產(chǎn)系統(tǒng)，特別是水下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的影響越來越引起人們的關(guān)注。目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)是否考慮漁網(wǎng)拖掛載荷作用，主要參考ISO13628-15規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)水深大于750 m且無特殊要求可以不考慮漁網(wǎng)拖掛載荷[1]。但是漁業(yè)活動時所用的漁船、漁網(wǎng)等多方面因素均影響著漁網(wǎng)對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的拖掛作用，簡單的采用國外的標(biāo)準(zhǔn)并不適用于中國海域的水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì)。該文具體分析了漁網(wǎng)拖掛作用對水下防沉板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的影響，說明了漁業(yè)活動調(diào)查對水下生產(chǎn)系統(tǒng)，特別是使用水下防沉板基礎(chǔ)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要性。

1 漁網(wǎng)拖掛載荷的考慮

目前漁網(wǎng)拖掛分析的主要依據(jù)是ISO13628，水深小于750 m，一般需要考慮漁網(wǎng)拖掛影響，并設(shè)計(jì)合理的拖掛保護(hù)結(jié)構(gòu)。對于考慮漁網(wǎng)滑過設(shè)計(jì)的水下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，漁網(wǎng)拖掛設(shè)計(jì)載荷按表1選取[2]。

表1 漁網(wǎng)拖掛設(shè)計(jì)載荷

對于使用表1中載荷設(shè)計(jì)和計(jì)算水下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在兩個問題：(1)水深選取是否合適；(2)載荷大小的選取是否合適。漁網(wǎng)拖掛載荷對于使用水下防沉板基礎(chǔ)的水下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：(1)局部沖擊；(2)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。局部沖擊會影響到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸選取，但對系統(tǒng)影響有限。而對系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性影響，關(guān)系到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基礎(chǔ)尺寸設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)總重量，甚至涉及到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)類型的選擇、安裝船舶的配置、水下設(shè)備之間的連接方式、整個油氣田的開發(fā)模式等，因此分析漁網(wǎng)拖掛對設(shè)計(jì)的影響是十分重要的，漁網(wǎng)拖掛對于設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)承載力和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)上。

2 拖掛載荷對防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響

拖掛載荷對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)提供的豎向、水平以及扭轉(zhuǎn)的承載能力上。

2.1 基礎(chǔ)的有效尺寸分析

從防沉板基礎(chǔ)傳遞到土壤的荷載包括水平荷載、傾覆彎矩、扭矩、豎向荷載。而由于傾覆彎矩引起的荷載偏心會降低基礎(chǔ)的有效承載面積，從而降低基礎(chǔ)的承載能力。根據(jù)荷載偏心計(jì)算有效面積，該有效面積用于承受所有的豎向荷載以及部分水平荷載。假設(shè)基礎(chǔ)的寬度為B(m)，長度為L(m)，有效面積計(jì)算如下[3，4]：

式中：ex為在x軸方向的偏心距離，m；ey為在y軸方向的偏心距離，m；Mx為繞x軸向彎矩，N·m；My為繞y軸向彎矩，N·m；Fv為豎向荷載，N；L′為防沉板有效長度，m；B′為防沉板有效寬度，m。

2.2 扭轉(zhuǎn)穩(wěn)性分析

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時需要考慮到扭轉(zhuǎn)穩(wěn)性，特別是扭轉(zhuǎn)荷載比較大的情況下，扭轉(zhuǎn)荷載會降低淺基礎(chǔ)的整體豎向承載能力，也會降低淺基礎(chǔ)的滑移穩(wěn)性。

基礎(chǔ)的抵抗扭轉(zhuǎn)能力可分為兩部分，即基礎(chǔ)底部抵抗扭矩[5]以及裙板的抵抗扭矩。

防沉板的抵抗扭轉(zhuǎn)能力：

式中：Ttip為基礎(chǔ)底部抵抗扭矩，N·m;Tskirt為裙板的抵抗扭矩，N·m。

若防沉板基礎(chǔ)所受到的最大扭矩為MZ，則設(shè)計(jì)安全系數(shù)SF=Tresis/MZ。表1漁網(wǎng)拖掛載荷中300kN拖拽力對最大扭矩為MZ的影響很大。如果不考慮漁網(wǎng)拖拽力則在滿足安全系數(shù)的條件下，對防塵板的扭轉(zhuǎn)抵抗能力要求將會降低，從而可以降低基礎(chǔ)尺寸要求。

2.3 抗滑穩(wěn)性分析

2.3.1 扭矩對于水平承載力的折減作用

式中：Hmax′為考慮扭轉(zhuǎn)折減后的最大水平承載能力，N；Hd為不考慮扭矩影響的不排水條件下基礎(chǔ)的最大滑移抵抗能力，N；Hd′為不考慮扭轉(zhuǎn)影響的排水條件下基礎(chǔ)的最大滑移抵抗能力，N；λT為扭轉(zhuǎn)影響下的折減系數(shù)，無量綱，n=1～2，m=2～2.5。

2.3.2 不排水水平承載力分析

式中：Hd為不考慮扭矩影響的不排水條件下基礎(chǔ)的最大滑移抵抗能力，N；Hdmax為考慮扭矩影響的不排水條件下基礎(chǔ)的最大滑移抵抗能力，N；ΔH1為土壤被動滑移抵抗能力，N；ΔH2為側(cè)向摩擦產(chǎn)生的滑移抵抗能力，N；A為基礎(chǔ)底板設(shè)計(jì)面積；su tip為基礎(chǔ)底部粘土不排水剪切強(qiáng)度，Pa。

2.3.3 排水水平承載力分析

式中：Hd′為不考慮扭轉(zhuǎn)影響的排水條件下基礎(chǔ)的最大滑移抵抗能力，N；Hd max′為考慮扭轉(zhuǎn)影響的不排水土壤的最大滑移抵抗能力，N；Δp為基礎(chǔ)對土壤表層壓力，Pa；p0′為土壤有效埋置應(yīng)力，Pa；φ為土壤內(nèi)摩擦角(°)；ΔH為裙板水平抵抗能力，N；Bmin′為防沉板最小水平尺寸，m。

2.4 豎向承載力分析

2.4.1 不排水豎向承載力計(jì)算

不排水豎向承載力計(jì)算公式為：

式中：F為修正系數(shù)，無量綱；su tip為不排水條件下基礎(chǔ)底部所處土層的不排水剪切強(qiáng)度；Bmin′為防沉板最小水平尺寸；A′為基礎(chǔ)的有效面積,m2；k為不排水剪切強(qiáng)度隨著深度變化的增長率，無量綱；Nc為5.14，無量綱常數(shù)；Kc為修正系數(shù)，無量綱。

2.4.2 排水條件下豎向承載力計(jì)算

排水條件下承載力計(jì)算公式為：

式中：Qd′為土壤對基礎(chǔ)的最大豎向承載力,N；p0′土壤有效埋置應(yīng)力,Pa；Nq為與內(nèi)摩擦角φ有關(guān)的無量綱函數(shù)；Kq，Kγ為修正系數(shù)，無量綱；Nγ為與內(nèi)摩擦角φ有關(guān)的無量綱經(jīng)驗(yàn)函數(shù)；γ'為土壤單重,kN/m3。

2.5 漁網(wǎng)拖掛載荷影響分析

通過以上分析可以看出，漁網(wǎng)拖掛載荷會降低基礎(chǔ)的有效尺寸，當(dāng)漁網(wǎng)拖掛載荷增大時，為保持足夠的穩(wěn)性，則需要更大的基礎(chǔ)尺寸。

3 算例分析

以中國南海某海域的水下防沉板基礎(chǔ)的深水水下管匯為例進(jìn)行分析，改管匯考慮了漁網(wǎng)拖掛的影響。其某一極端工況下的載荷及管匯參數(shù)分別見表2、表3，計(jì)算結(jié)果及對其比見表4，圖1為計(jì)算結(jié)果對比圖。

表2 某一極端工況下載荷表

表3 管匯參數(shù)

圖1 計(jì)算結(jié)果對比圖

表4 計(jì)算結(jié)果

豎向承載力安全系數(shù)抗滑移安全系數(shù)抗傾覆安全系數(shù)考慮漁網(wǎng)拖掛2．981．511．92自選均值4．342．643．5不考慮漁網(wǎng)拖掛5．5710．518．81

為了更加清楚地說明漁網(wǎng)拖掛作用的影響，對不考慮漁網(wǎng)拖掛和自選拖掛載荷(比規(guī)范小的拖掛載荷)進(jìn)行計(jì)算，并對基礎(chǔ)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的基礎(chǔ)尺寸見表5，優(yōu)化后基礎(chǔ)在不考慮漁網(wǎng)拖掛和自選拖掛載荷下的安全系數(shù)見表6。

表5 優(yōu)化后的基礎(chǔ)尺寸

表6 優(yōu)化后基礎(chǔ)的安全系數(shù)

從表5、表6可以看出，不考慮漁網(wǎng)拖掛或者使用較小載荷進(jìn)行計(jì)算的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的尺寸和裙板尺寸有很大的下降，這對設(shè)計(jì)和建造帶來較大的好處，并且對于安裝資源的選取以及安裝風(fēng)險(xiǎn)的控制有著巨大的影響，也將會降低安裝的難度，節(jié)省安裝費(fèi)用。

4 結(jié)論

由文中的分析及計(jì)算可以看出，漁網(wǎng)拖掛載荷對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)有著巨大的影響。若不考慮漁網(wǎng)拖掛載荷或者使用較小載荷設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)的尺寸會有很大的降低，這將會對整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造、安裝、施工資源的選取等各個方面產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)合理的水下產(chǎn)品基礎(chǔ)，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)臐O網(wǎng)拖掛載荷及保護(hù)結(jié)構(gòu)使用的設(shè)計(jì)水深。因此，開展?jié)O業(yè)活動分析以及制定適合中國海域的拖掛設(shè)計(jì)規(guī)范具有十分重要的意義。

[1] ISO 13628-15. Petroleum and Natural Gas Industries-Design and Operation of Subsea Production Systems-Part 15. Subsea Structures and Manifolds[S].2011.

[2] ISO 13628-1.Petroleum and Natural Gas Industries-Design and operation of subsea production systems-Part 1: General Requirements and Recommendations[S].2011.

[3] API RP 2GEO-2011.Geotechnical and foundation design considerations[S].2011

[4] API RP 2A-WSD 21st Ed-2000.Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platform-Working Stress Design[S].2000.

[5] Finnie I M S，Morgan N.Torsional Loading of Subsea Structures[C].Proceedings of the 14th Int， Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE,Toulon, France, 2004.

Impact Analysis of Snag Load to MUDMAT Foundation of
Subsea Production System

YIN Han-jun1, GU Yong-wei1, ZHANG Qiang2, HE Xin1

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451,China;2. South China Sea Deep Water Gas Development PMT, Guangdong Shengzhen 518067, China)

With the subsea production system more and more apply in China deep water oil & gas filed, the fishing gear impact give rise to more and more attention, and the suitable fishing gear load andfishing protection needed water depth become crucial for subsea productionsystem design. In this paper the fishing gear load was selected according ISO13628 standard, and the impact of fishing gear load to subsea mudmat foundation was analyzed. From the calculation result it can be seen that the exactly fishery action survey and the suitable standard are significance for the subsea production extensiveness apply in China, and provided a reference for future deep water development.

subsea production system；mudmat foundation； snag load； deep water development

2014-10-14

國家工信部海洋工程裝備科研課題“水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)(一期)”專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助。

尹漢軍(1979-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0068-05

P756

A