導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼現(xiàn)狀及展望*

劉華祥 袁玉杰 曾靖波 陳再勝 鄧林青

（1.中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司 廣東深圳 518054； 2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

海洋平臺(tái)在海上油氣開(kāi)發(fā)中應(yīng)用廣泛，大體可分為固定式、半固定式和活動(dòng)式3種，其中，導(dǎo)管架平臺(tái)（又稱樁基式平臺(tái)）是目前最主要的固定式平臺(tái)，由導(dǎo)管架、鋼樁和上部組塊3部分構(gòu)成。導(dǎo)管架平臺(tái)由鋼樁打入海底，可以有效地支撐導(dǎo)管架和上部組塊，因此整體穩(wěn)定性好、剛度大、抗風(fēng)暴能力強(qiáng)，在服役期間能經(jīng)受風(fēng)浪、海流、地震、海冰等外力作用。自1947年美國(guó)墨西哥灣安裝使用了世界上第1座鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)以來(lái)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為10～200 m中淺海海洋平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)形式，并被廣泛用于海上油田開(kāi)發(fā)、海上觀光以及海洋科學(xué)觀測(cè)等方面。

海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)其最小屈服強(qiáng)度來(lái)劃分鋼材等級(jí)，最小屈服強(qiáng)度320～400 MPa為高強(qiáng)度鋼，大于400 MPa屬于超高強(qiáng)度鋼。目前國(guó)內(nèi)大部分導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼是鋼材等級(jí)DH36＆EH36、最小屈服強(qiáng)度355 MPa的高強(qiáng)度鋼。隨著海洋石油開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，導(dǎo)管架平臺(tái)開(kāi)始逐漸應(yīng)用于200～350 m的較深水域。由于導(dǎo)管架貫穿整體水深范圍，為了保證平臺(tái)整體強(qiáng)度及其功能要求，導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)桿件規(guī)格和質(zhì)量將均隨水深的增加而急驟增加，不但使平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性變差，同時(shí)也對(duì)浮吊和下水駁船的能力提出巨大挑戰(zhàn)［1-2］。如何選用適當(dāng)屈服強(qiáng)度的超高強(qiáng)度鋼材，并控制導(dǎo)管架平臺(tái)的質(zhì)量在施工資源能力范圍內(nèi)，是200～350 m較深水導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)面臨的主要問(wèn)題。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼要求、影響因素和超高強(qiáng)度鋼在導(dǎo)管架平臺(tái)的應(yīng)用，同時(shí)介紹了不同國(guó)家、區(qū)域和公司的導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼材料標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用情況，最后對(duì)未來(lái)導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 導(dǎo)影響管因架素平臺(tái)用鋼要求和鋼材選擇

1.1 導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼要求

導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是安全、經(jīng)濟(jì)、合理，方便制造、安裝、檢驗(yàn)和維護(hù)。海洋平臺(tái)用鋼的使用環(huán)境苛刻：采用焊接方式連接，由于焊接工作量巨大，不可避免存在一些焊接缺陷或者非連續(xù)的問(wèn)題；海洋平臺(tái)在經(jīng)受風(fēng)浪、海流等自然力作用的同時(shí)，水下結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受海水及海洋生物的侵蝕，容易產(chǎn)生腐蝕問(wèn)題，嚴(yán)重的情況下甚至可能出現(xiàn)腐蝕開(kāi)裂或穿透等意外載荷的破壞現(xiàn)象（圖1）；平臺(tái)服役期長(zhǎng)，受力強(qiáng)度高，應(yīng)力幅值變化大，在周期性海況的往復(fù)作用下，易發(fā)生疲勞裂紋。這些均對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼的性能提出了更高要求，除高強(qiáng)度、高韌性、易加工焊接等性能外，還需要較高的耐低溫、抗疲勞、抗層狀撕裂和耐腐蝕等性能。

圖1 導(dǎo)管架平臺(tái)海上損壞實(shí)例Fig.1 Examples of offshore jacket platform damage

1.2 導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼選擇影響因素

導(dǎo)管架平臺(tái)通常單獨(dú)位于外海而與陸地距離較遠(yuǎn)，上部操作空間有限，同時(shí)海上油氣開(kāi)發(fā)危險(xiǎn)系數(shù)高。當(dāng)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞后，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境損害，為了保障任意工況平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體完整性，平臺(tái)用鋼選擇時(shí)需重點(diǎn)考慮如下影響因素。

1.2.1 施工環(huán)境

導(dǎo)管架平臺(tái)通常由一系列的空間桿件組成，導(dǎo)管架主腿和撐桿一般使用焊接鋼管，上部組塊則由焊接鋼管和型鋼組成空間框架。平臺(tái)的用鋼量與水深和上部組塊質(zhì)量密切相關(guān)，用鋼量通常為幾千噸或幾萬(wàn)噸。管材通常在車(chē)間完成卷制、焊接和接長(zhǎng)，型鋼則根據(jù)梁高的不同采用成品型鋼或焊接H型鋼，構(gòu)件制造完成后在室外場(chǎng)地進(jìn)行組對(duì)焊接。施工環(huán)境對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)鋼材提出了較高的要求：

1）具備良好的可焊性，超高強(qiáng)度鋼通過(guò)調(diào)整鋼材成分和組織結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度指標(biāo)要求，但鋼材強(qiáng)度越高，其可焊性、焊縫抗裂性能越差，限制了超高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用；

2）超高強(qiáng)度鋼材焊接前對(duì)預(yù)熱要求嚴(yán)格，但對(duì)于大型導(dǎo)管架而言，預(yù)熱工作量的增加會(huì)導(dǎo)致施工效率的降低；

3）超高強(qiáng)度鋼材母材本身也存在組織性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，晶體組織的不均勻?qū)е落摬男阅懿痪鶆?，尤其是厚板，為了保障其厚度方向的?qiáng)度，采用水冷或其他冷卻方式時(shí)一旦產(chǎn)生淬硬組織，則將導(dǎo)致焊接性能變差。

1.2.2 動(dòng)力性能

導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除需要滿足功能需求外，還需滿足平臺(tái)操作人員的舒適性要求（平臺(tái)振動(dòng)和位移要求）。因此在結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)過(guò)程中，除需考慮強(qiáng)度要求外，還要滿足位移要求，即保證平臺(tái)的剛度。在通常情況下，導(dǎo)管架平臺(tái)上層甲板的水平變形需小于上層甲板至泥面垂直距離的1／200。

導(dǎo)管架平臺(tái)的自振特性主要由平臺(tái)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)剛度決定，其自振周期為

式（1）中：Ts為平臺(tái)自振周期；M為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣，包括4部分，即結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、管內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量和附加水質(zhì)量，將這4部分的質(zhì)量分配到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，就構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，可采用標(biāo)準(zhǔn)有限元法將各桿件的單元?jiǎng)偠染仃嚰?，即可得到結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣。

當(dāng)導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼由高強(qiáng)度鋼變?yōu)槌邚?qiáng)度鋼時(shí)，可以減小型鋼和鋼管的尺寸，從而導(dǎo)致導(dǎo)管架平臺(tái)質(zhì)量減輕、剛度降低。由式（1）可知平臺(tái)的自振周期將變大，并與波浪的譜峰周期更為接近，動(dòng)力放大效應(yīng)會(huì)更加明顯，從而導(dǎo)致平臺(tái)的變形增加，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加困難。導(dǎo)管架平臺(tái)的動(dòng)力放大系數(shù)與周期的關(guān)系見(jiàn)式（2）和圖2。

式（2）中：DAF為動(dòng)力放大系數(shù)；Tw為波浪周期，s；ξ為平臺(tái)阻尼系數(shù)，可取值3%。

圖2 導(dǎo)管架平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)與自振周期和波浪周期的關(guān)系Fig.2 Relationship between dynamic response with natural period and wave period of jacket plantform

導(dǎo)管架平臺(tái)固有周期Ts一般在5 s以內(nèi)，通常小于波浪周期Tw，因此根據(jù)圖2，為了減小平臺(tái)的動(dòng)力放大效應(yīng)，導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使平臺(tái)自振周期遠(yuǎn)離波浪周期，當(dāng)二者之比控制在小于0.5的范圍內(nèi)時(shí)，動(dòng)力放大系數(shù)小于1.30，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)經(jīng)濟(jì)、安全。

1.2.3 疲勞性能

導(dǎo)管架由大量的管節(jié)點(diǎn)組成。管節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性對(duì)平臺(tái)安全至關(guān)重要，除了需要滿足強(qiáng)度要求外，還需滿足疲勞性能要求。根據(jù)API RP 2A-WSD《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法——工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》規(guī)定，管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)需按Efthymiou公式計(jì)算，對(duì)未采用焊接外形控制的管節(jié)點(diǎn)，其應(yīng)力幅值-壽命曲線可選擇WJT曲線，該曲線適用于屈服強(qiáng)度500 MPa以下的鋼材。

采用超高強(qiáng)度鋼時(shí)，雖然其應(yīng)力幅值和允許循環(huán)次數(shù)并沒(méi)有比高強(qiáng)度鋼顯著提高［3］，但鋼材強(qiáng)度的增加和桿件壁厚的減小，導(dǎo)致了平臺(tái)整體剛度變小、自振周期變大，因此與波浪散布數(shù)據(jù)概率分布最廣泛部分的波浪疊加更為明顯，疲勞損傷相對(duì)更大；而且隨著鋼材壁厚或者桿件尺寸規(guī)格的下降，桿件內(nèi)部應(yīng)力將進(jìn)一步增加，應(yīng)力幅值變大，允許的疲勞循環(huán)次數(shù)也會(huì)減少，導(dǎo)致疲勞性能變差。

2 導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼材料標(biāo)準(zhǔn)

導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼由于其特殊性，采用的鋼材標(biāo)準(zhǔn)有別于陸地通用的建筑物結(jié)構(gòu)用鋼。目前，世界范圍內(nèi)廣泛采用的鋼材標(biāo)準(zhǔn)是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10225和美國(guó)石油協(xié)會(huì)API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)采用的是中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 712—2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》。除了上述標(biāo)準(zhǔn)外，一些石油公司對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)不同部位鋼材的使用提出了更具體、明確的規(guī)定，這里以道達(dá)爾公司為例進(jìn)行介紹。

2.1 歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10225

EN 10225《海上固定平臺(tái)用焊接結(jié)構(gòu)鋼——交付技術(shù)條件》是歐洲現(xiàn)行的導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于北海油田，現(xiàn)行版本于2019年頒布。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，導(dǎo)管架平臺(tái)鋼材沖擊性能的試驗(yàn)溫度需要達(dá)到-40℃，以便適應(yīng)氣溫較低的區(qū)域環(huán)境。EN 10225的鋼材等級(jí)參照EN 10025《熱軋非合金結(jié)構(gòu)鋼——交付技術(shù)條件》中的熱軋結(jié)構(gòu)鋼而制定，并在EN 10025的基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制合金成分，提高了韌性要求。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的鋼材強(qiáng)度等級(jí)、交貨狀態(tài)和厚度限制見(jiàn)表1［4］。

表1 歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10225鋼材等級(jí)和相關(guān)信息Table 1 Steel grade and related information in European standard EN 10225

2.2 美國(guó)石油協(xié)會(huì)API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)石油協(xié)會(huì)API結(jié)構(gòu)用鋼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括API SPEC 2H、API SPEC 2Y和API SPEC 2W，主要應(yīng)用于墨西哥灣海域。①API SPEC 2H涵蓋屈服強(qiáng)度289、345 MPa 2個(gè)等級(jí)鋼材，分別標(biāo)識(shí)為API 2H-42和API 2H-50，交貨狀態(tài)為正火，對(duì)于API 2H-50，當(dāng)鋼材厚度大于63.5 mm時(shí)，可與業(yè)主商量以調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨［5］；②API SPEC 2Y涵蓋屈服強(qiáng)度345、414 MPa 2個(gè)等級(jí)鋼材，分別標(biāo)識(shí)為API 2Y-50和API 2Y-60，交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)［6］；③API SPEC 2W涵蓋屈服強(qiáng)度345、414、483和552 MPa 4個(gè)等級(jí)鋼材，分別標(biāo)識(shí)為API 2W-50、API 2W-60、API 2W-70和API 2W-80，交貨狀態(tài)為熱機(jī)械軋制［7］。

2.3 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 712

中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 712的最初版本只針對(duì)船體用結(jié)構(gòu)鋼，名稱為《船體用結(jié)構(gòu)鋼》，2011年修訂時(shí)參照中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》增加了海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼方面的內(nèi)容，并將名稱修改為GB 712—2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》。該標(biāo)準(zhǔn)將鋼材按照強(qiáng)度級(jí)別分為一般強(qiáng)度、高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度3類船舶及海洋工程用鋼（表2）［8］，在導(dǎo)管架平臺(tái)使用時(shí)要求以正火狀態(tài)交貨。

表2 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 712鋼材分類及牌號(hào)Table 2 Classification and grade of steel in Chinese standard GB 712

2.4 道達(dá)爾公司導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼要求

道達(dá)爾公司制定了詳細(xì)的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼材選擇標(biāo)準(zhǔn)。首先，按照導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)桿件的重要性和使用部位，將鋼材分為特殊、一類和二類材料3類（表3）；然后，按照鋼材的最小屈服強(qiáng)度，再將鋼材分為低強(qiáng)度、中強(qiáng)度、高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼材4類。其中，超高強(qiáng)度鋼材的使用需要先征得業(yè)主同意；屈服強(qiáng)度460 MPa及以上級(jí)別的鋼材禁止用于貫入式鋼樁、貫入式隔水套管和導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)；結(jié)構(gòu)構(gòu)件二類材料禁止使用超高強(qiáng)度鋼材。道達(dá)爾公司導(dǎo)管架平臺(tái)鋼材產(chǎn)品用鋼等級(jí)要求見(jiàn)表4。

表3 道達(dá)爾公司導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)物類型及其鋼材分類Table 3 Steel classification and grade of structural members of jacket platform of Total

表4 道達(dá)爾公司導(dǎo)管架平臺(tái)鋼材產(chǎn)品用鋼等級(jí)要求Table 4 Classification grade of steel products used for jacket platform of Total

3 導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼實(shí)踐

3.1 超高強(qiáng)度鋼材的生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化

自2006年以來(lái)，國(guó)內(nèi)大型鋼廠開(kāi)始生產(chǎn)超高強(qiáng)度海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼材［9］，主要用于船、橋梁和風(fēng)電設(shè)施結(jié)構(gòu)。鋼材供貨狀態(tài)有調(diào)質(zhì)和熱機(jī)械軋制2種，多出口歐洲，采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10225，調(diào)質(zhì)態(tài)交貨的最大厚度95 mm，熱機(jī)械軋制態(tài)交貨的最大厚度80 mm。

超高強(qiáng)度鋼在國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)主要用于自升式鉆井平臺(tái)的齒條鋼，采用標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A517，以調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨。舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司研制出了屈服強(qiáng)度大于690 MPa、厚度177.8 mm的A517Gr Q鋼板［10］。另外，南海陵水17-2氣田由于所在海域水深超過(guò)1 000 m，為了減輕平臺(tái)總體質(zhì)量，同時(shí)滿足浮式平臺(tái)上部組塊立柱空間跨距大、對(duì)桿件剛度和強(qiáng)度要求高的特點(diǎn)，首次在新建半潛平臺(tái)的上部組塊中采用了國(guó)產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼API 2Y-60。該鋼材最大板厚90 mm，由湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司生產(chǎn)，使用規(guī)模達(dá)到4 500 t，是國(guó)內(nèi)第一次在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)上大規(guī)模使用超高強(qiáng)度鋼材。

3.2 國(guó)內(nèi)導(dǎo)管架平臺(tái)普遍采用高強(qiáng)度鋼

目前，我國(guó)導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)鋼材標(biāo)準(zhǔn)為GB 712—2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》，鋼材等級(jí)為DH36＆EH36、最小屈服強(qiáng)度355 MPa的高強(qiáng)度鋼，該級(jí)別鋼材在1998年已全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

荔灣3-1中心平臺(tái)（圖3）是目前亞洲第一大導(dǎo)管架平臺(tái)，采用高強(qiáng)度鋼DH36（Z35）進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，并于2013年建成投產(chǎn)。平臺(tái)所在水深189 m，水下鋼樁135 m，總高度336 m。上部組塊質(zhì)量3.2萬(wàn)t，導(dǎo)管架安裝質(zhì)量3.1萬(wàn)t，鋼樁質(zhì)量1.2萬(wàn)t。最大管材直徑4.2 m，管材最大壁厚100 mm。

圖3 荔灣3-1中心平臺(tái)安裝現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Offshore installation worksite of LW 3-1 CEP platform

截至2020年，國(guó)內(nèi)已建造完工和處于建造階段的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有選用更高強(qiáng)度的鋼材。值得注意的是，目前處于基本設(shè)計(jì)階段的南海流花11-1油田深水導(dǎo)管架平臺(tái)（所在水深約330 m）將采用API 2Y-60級(jí)別的超高強(qiáng)度鋼材，質(zhì)量約1萬(wàn)t。

3.3 國(guó)強(qiáng)外度導(dǎo)鋼管架平臺(tái)通常采用高強(qiáng)度鋼和超高

國(guó)外導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼通常以高強(qiáng)度鋼為主，受力大的主結(jié)構(gòu)部分區(qū)域可能使用超高強(qiáng)度鋼。據(jù)國(guó)內(nèi)專門(mén)從事海洋工程結(jié)構(gòu)物建造的深圳赤灣勝寶旺工程有限公司統(tǒng)計(jì)，自2006年以來(lái)，該公司為國(guó)外業(yè)主共建造了5座使用了超高強(qiáng)度鋼導(dǎo)管架平臺(tái)，涉及的超高強(qiáng)度鋼材等級(jí)包括API 2W-60、EN 10225 S420和EN 10225 S460，交貨狀態(tài)包括調(diào)質(zhì)和熱機(jī)械軋制2種，最大厚度100 mm，鋼材由德國(guó)和日本的大型鋼廠供貨。

歐洲導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼通常選用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10225，在北海油田導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)時(shí)，由于海洋環(huán)境惡劣，導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)受力較大，關(guān)鍵部位通常選用最小屈服強(qiáng)度在420～460 MPa級(jí)別的鋼材，疲勞敏感節(jié)點(diǎn)和吊點(diǎn)部位經(jīng)常使用鑄造大型節(jié)點(diǎn)。

2015年在墨西哥灣海域完成安裝的COEALCANTH導(dǎo)管架平臺(tái)由美國(guó)Oil Field Development Engineering公司設(shè)計(jì)，該導(dǎo)管架平臺(tái)所在水深360 m，主結(jié)構(gòu)大量使用了高強(qiáng)度鋼API 2W-50和API 2Y-50，對(duì)應(yīng)的最小屈服強(qiáng)度均為345 MPa。為了控制導(dǎo)管架質(zhì)量和改善結(jié)構(gòu)性能，在應(yīng)力較大的區(qū)域使用了超高強(qiáng)度鋼API 2W-60和API 2Y-60，對(duì)應(yīng)的最小屈服強(qiáng)度均為414 MPa。

4 導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景

4.1 發(fā)展趨勢(shì)

由于導(dǎo)管架平臺(tái)所處環(huán)境惡劣，開(kāi)發(fā)具有高強(qiáng)度、厚規(guī)格、良好的加工工藝適應(yīng)性、較強(qiáng)的抗層狀撕裂性能、強(qiáng)抗腐蝕性能，以及抑制海生物附著的性能等的超高強(qiáng)度鋼材，是今后導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼的發(fā)展趨勢(shì)［11］。

1）高強(qiáng)度。高強(qiáng)度一直是海洋工程用鋼發(fā)展的方向，通過(guò)提高鋼的強(qiáng)度，可減少海洋平臺(tái)的質(zhì)量，減少焊接工作量，降低成本，加工過(guò)程中還應(yīng)保證高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)質(zhì)量的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2）厚規(guī)格。隨著導(dǎo)管架平臺(tái)應(yīng)用于200～350 m的較深水海域，更大的環(huán)境力使其結(jié)構(gòu)桿件壁厚也逐漸增大，因此，需要開(kāi)發(fā)100 mm以上的特厚鋼板，并關(guān)注材料的低溫韌性和耐腐蝕開(kāi)裂等性能。

3）良好的加工工藝適應(yīng)性。導(dǎo)管架平臺(tái)的建造施工環(huán)境相對(duì)惡劣，因此研究與高強(qiáng)度鋼相匹配的焊材，開(kāi)發(fā)更為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的焊接工藝，對(duì)超高強(qiáng)度鋼材在導(dǎo)管架平臺(tái)的應(yīng)用極為重要。

4）較強(qiáng)的抗層狀撕裂性能。導(dǎo)管架平臺(tái)由眾多桿件和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)的安全直接關(guān)系平臺(tái)安全，因此要求高強(qiáng)度鋼材具有較強(qiáng)的抗層狀撕裂性能。

5）高耐腐蝕性能。導(dǎo)管架平臺(tái)長(zhǎng)期處于海水和干濕交替的復(fù)雜環(huán)境中，容易產(chǎn)生腐蝕問(wèn)題。通過(guò)添加不同元素和組織，優(yōu)化冶金、焊接等工藝，需要開(kāi)發(fā)耐海水腐蝕用鋼材，以降低鋼材腐蝕開(kāi)裂的可能性。

6）抑制海生物附著的性能。中國(guó)南海海域的水溫度和含氧量較高，大量繁殖的海洋生物附著在導(dǎo)管架上，不僅極大影響了平臺(tái)安全，且后期清理成本也很高昂。因此，需要開(kāi)發(fā)具備抑制海生物附著性能的鋼材或相關(guān)涂層。

4.2 應(yīng)用前景

隨著導(dǎo)管架平臺(tái)開(kāi)發(fā)水深的逐步增加，波浪力產(chǎn)生的底部彎矩會(huì)變得更大，平臺(tái)所需桿件的直徑和壁厚必將進(jìn)一步增加，導(dǎo)管架整體質(zhì)量呈指數(shù)上升，對(duì)施工資源的考驗(yàn)也將更加嚴(yán)峻。因此在導(dǎo)管架平臺(tái)上部組塊和導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，迫切需要選用最小屈服強(qiáng)度更高的鋼材。

導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用屈服強(qiáng)度420 MPa級(jí)別鋼材替換目前通用的屈服強(qiáng)度355 MPa的鋼材，有以下2方面的優(yōu)勢(shì)：①屈服強(qiáng)度增加約18%，相應(yīng)的平臺(tái)剛度減小約15%，自振周期增大8%，此時(shí)平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)增大有限，不會(huì)影響平臺(tái)的適用性和舒適性；②結(jié)構(gòu)桿件規(guī)格降低，不僅保持了原有相對(duì)成熟的焊接技術(shù)，而且使焊接工作量大大減少。但如果采用更高強(qiáng)度的鋼材（最小屈服強(qiáng)度＞500 MPa），則會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)顯著增大，疲勞設(shè)計(jì)的難度加大。因此在水深大于200 m導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，采用最小屈服強(qiáng)度420 MPa級(jí)別的鋼材，不但可以有效減少結(jié)構(gòu)物質(zhì)量，降低對(duì)駁船和浮吊的要求，而且不會(huì)顯著影響平臺(tái)性能，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著國(guó)家對(duì)能源戰(zhàn)略安全的重視，深水和較深水海洋石油開(kāi)發(fā)是未來(lái)重點(diǎn)的發(fā)展方向。在350 m的水深范圍內(nèi)，導(dǎo)管架平臺(tái)的開(kāi)發(fā)模式仍將長(zhǎng)期占據(jù)統(tǒng)治地位；在200～350 m水深時(shí)，為了控制導(dǎo)管架平臺(tái)質(zhì)量在施工資源能力范圍之內(nèi)，上部組塊和導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用最小屈服強(qiáng)度420 MPa的超高強(qiáng)度鋼材將變得更為普遍。

目前，我國(guó)在海洋平臺(tái)用超高強(qiáng)度鋼的研發(fā)和應(yīng)用方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相比，海洋平臺(tái)用超高強(qiáng)度鋼仍存在性能不夠穩(wěn)定、強(qiáng)度和厚度不高、規(guī)格不全、標(biāo)準(zhǔn)不完善、焊接性能較差等方面的不足。因此，研發(fā)和完善更高強(qiáng)度、厚規(guī)格、可焊性好、強(qiáng)耐腐蝕性能的導(dǎo)管架平臺(tái)用超高強(qiáng)度鋼是我國(guó)今后的重點(diǎn)研究方向。