簡易導管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型研究

劉 娟，王 亮，李晨光

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

我國渤海、南海分布著眾多小型邊際油氣田，若按常規(guī)方式和技術(shù)開發(fā)這些油氣田，則不具備開采效益。因此，尋求一種能降低開發(fā)投資、提高經(jīng)濟效益、技術(shù)安全可靠的新技術(shù)成為必然趨勢，簡易導管架平臺使小型邊際油氣田的經(jīng)濟有效開發(fā)成為可能。簡易導管架平臺發(fā)展至今已有30 多年歷史，其結(jié)構(gòu)型式表現(xiàn)出多樣化，美國開發(fā)的MOSS 簡易導管架平臺，主要采用裙樁支撐垂直導管架結(jié)構(gòu)、LL&E 簡易導管架平臺，為裙樁三腳導管架結(jié)構(gòu)。近年來，國內(nèi)簡易導管架平臺也發(fā)展迅速，主要有獨柱多樁式、兩柱三樁式和三柱三樁式3 種結(jié)構(gòu)型式。不同類型的簡易導管架平臺適合的水深和海況條件不同，因此對簡易導管架平臺進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型研究十分必要。本文主要針對中石化南海北部灣某小型邊際油氣田進行簡易導管架結(jié)構(gòu)選型設(shè)計，通過方案對比研究，形成推薦方案，為開發(fā)該小型邊際油氣田導管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 簡易導管架平臺設(shè)計概述

簡易導管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理、方法和手段與常規(guī)導管架平臺并無區(qū)別，應(yīng)用的標準和規(guī)范也相同，但需重點考慮的內(nèi)容有所不同[1]。由于簡易導管架平臺結(jié)構(gòu)的冗余度較小，因此需特別考慮平臺的疲勞分析；在進行平臺設(shè)計時，需控制安全余量、考慮適度的強度儲備，因此有必要進行倒塌分析。本文針對簡易導管架平臺，主要從靜力分析、疲勞分析和倒塌分析三個方面進行設(shè)計和分析。

1.1 靜力分析

靜力分析是海洋平臺最基礎(chǔ)的分析，目的是確保海洋平臺在操作和極端環(huán)境條件下具有承受上部設(shè)施荷載的能力，滿足油氣田開發(fā)的需要。本文運用海洋工程分析軟件SACS，評估了平臺結(jié)構(gòu)在操作環(huán)境工況和極端環(huán)境工況下，構(gòu)件的整體應(yīng)力水平情況，保證其不超過許用應(yīng)力。分析計算時，操作環(huán)境工況采用一年一遇環(huán)境條件，極端工況采用百年一遇環(huán)境條件，根據(jù)API RP 2A[2]規(guī)定，極端風暴工況下，允許構(gòu)件的許用應(yīng)力增大1/3。

1.2 疲勞分析

處于海洋環(huán)境中的導管架平臺由于長期遭受隨機波浪荷載的作用，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生隨時間變化的應(yīng)力，平臺抵抗這種交變應(yīng)力的能力隨著時間的累積而逐年降低，這種結(jié)構(gòu)強度降低的現(xiàn)象即為疲勞破壞。對于單腿導管架平臺，腿柱上的管節(jié)點極易發(fā)生低周疲勞破壞[3-4]，因此，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計達到提高節(jié)點疲勞壽命的能力至關(guān)重要。

本文采用線性累計損傷法中的譜分析法評估管節(jié)點的疲勞壽命，該方法主要根據(jù)應(yīng)力循環(huán)（SN）曲線計算每一級的荷載造成的損傷，按照Miner 準則通過累積損傷度估算節(jié)點疲勞壽命。選用美國石油協(xié)會(API)的推薦做法估算管節(jié)點疲勞壽命。

1.3 倒塌分析

海洋平臺作為大型超靜定鋼結(jié)構(gòu)，在設(shè)計階段通常具有一定的強度冗余，即當某一局部桿件達到屈服強度后，平臺仍有可能繼續(xù)承受較大的荷載[5-6]。因此，需要通過對平臺進行倒塌分析來評估平臺結(jié)構(gòu)的極限強度。

本文運用DNV 研發(fā)的結(jié)構(gòu)有限元軟件USFOS進行簡易導管架平臺的倒塌計算分析。USFOS 軟件在結(jié)構(gòu)遭受碰撞或損壞后的完整性評價、倒塌分析等方面表現(xiàn)突出，能夠較精確地模擬平臺結(jié)構(gòu)從屈服到完全變形直至最后傾倒的全過程。倒塌分析采用百年一遇的環(huán)境條件，垂向荷載一步加載到平臺結(jié)構(gòu)上，水平環(huán)境荷載實行分步加載，直至平臺發(fā)生倒塌，倒塌時的環(huán)境力系數(shù)即為結(jié)構(gòu)儲備強度系數(shù)（RSR），通常用來評估結(jié)構(gòu)的整體安全性能，根據(jù)規(guī)定，RSR 設(shè)計值一般不小于1.6[7]。

2 分析研究實例

本文選定我國南海北部灣某油田作為目標研究區(qū)塊，該油田屬于邊際油田，水深50 m（海圖水深）。針對該區(qū)域海洋環(huán)境條件和油田產(chǎn)量，并結(jié)合各類型簡易導管架平臺結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用現(xiàn)狀，初步選定單腿三樁的簡易導管架平臺作為研究對象，平臺設(shè)計壽命為20 年。在滿足油田正常生產(chǎn)的情況下，進行了最簡化設(shè)備配置，組塊上不設(shè)油氣處理設(shè)施，不設(shè)生活樓、火炬臂和直升機甲板，油氣水通過海管混輸?shù)街苓吰脚_進行處理。為了對結(jié)構(gòu)型式進行優(yōu)選，在保持主腿柱、相同部位拉筋尺寸不變和組塊設(shè)備荷載相同的情況下，分別設(shè)計了方案一（獨立樁腿型式）和方案二（主立柱兼作樁腿）兩種結(jié)構(gòu)型式（圖1）。

圖1 兩種方案結(jié)構(gòu)模型

2.1 設(shè)備配置

該簡易導管架平臺在滿足生產(chǎn)要求情況下，按照最簡化原則進行設(shè)備配置[8]。平臺設(shè)備配置見表1，主要配備主工藝系統(tǒng)、開閉排（放空）系統(tǒng)、化學藥劑注入系統(tǒng)、公用系統(tǒng)及消防救生系統(tǒng)等。

本簡易平臺上部甲板分為主甲板和二層甲板，其中二層甲板上主要布置配電間和儲藏間。在設(shè)備布置時進行了整體考慮，各設(shè)備之間留有一定的空間，既能保證工藝流程合理順暢并能滿足操作、維修等需要。組塊甲板布置圖見圖2。

2.2 平臺設(shè)計參數(shù)

導管架主腿柱直徑選為1 727 mm（68 in），隔水套管布置在主腿柱內(nèi)，直徑選為610 mm（24 in），鋼樁直徑選為1 372 mm（54 in），入泥深度40 m。組塊主甲板尺寸為14 m×14 m。

2.3 靜力分析

靜力分析考慮了環(huán)境荷載和使用荷載對平臺的作用，其中：環(huán)境荷載包括風、浪、流等荷載；使用荷載指平臺在位使用期間，平臺本身及上部設(shè)施產(chǎn)生的重量荷載。組合載荷考慮了可能的最不利的荷載組合，包括結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備重量、設(shè)備操作重量、活荷載、操作環(huán)境荷載、極端環(huán)境荷載等，荷載組合系數(shù)見表2。靜力分析主要包含4 個輸入文件，分別為模型文件（sacinp）、海況文件（seainp）、樁土文件（psiinp）和節(jié)點校核文件（jcninp）。海況文件主要包含潿洲海域的風、浪、流、海生物等參數(shù)，參照相關(guān)報告輸入。樁土文件包含土壤參數(shù)，程序根據(jù)輸入的psiinp文件生成相應(yīng)的樁土非線性彈簧。節(jié)點校核文件主要設(shè)置了節(jié)點校核標準，并定義需要校核的節(jié)點名稱，程序按照節(jié)點編號及校核標準對節(jié)點進行逐一校核。

表1 簡易導管架平臺設(shè)備表

圖2 組塊甲板布置圖

表2 荷載組合系數(shù)表

對兩種方案的簡易導管架平臺進行靜力分析，得到圖3 所示的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，兩種方案下結(jié)構(gòu)的UC 值均小于1，符合規(guī)范要求。方案一中，最大應(yīng)力發(fā)生在桿件LG2, 主腿柱和拉筋的連接桿件處，最大UC 值為0.52。方案二中，各桿件受力較均勻，最大應(yīng)力發(fā)生在桿件LG3，同樣為主腿柱和拉筋的連接位置處，最大UC 值為0.28，從靜力結(jié)果分析可知，兩種方案均沒有出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 靜力計算應(yīng)力云圖

2.4 疲勞分析

在疲勞分析之前需使用DYNPAC 模塊分析結(jié)構(gòu)固有頻率，以便確定采用動態(tài)譜疲勞還是靜態(tài)譜疲勞分析方法。DYNPAC 程序模塊可生成結(jié)構(gòu)動力特性，包括特征值/固有頻率和特征向量/模態(tài)形狀。為了得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的適當代表值，并不需要把所有振型都包括在內(nèi)，按質(zhì)量參與系數(shù)的大小進行篩選。模態(tài)分析結(jié)果見表3，其中，方案一列出前4 階模態(tài)，方案二列出前5 階模態(tài)。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

考慮到單立柱平臺節(jié)點少，節(jié)點疲勞分析至關(guān)重要，本項目采用譜疲勞方法對簡易平臺兩種方案分別進行了疲勞分析，S-N 曲線采用“API X”。平臺設(shè)計壽命20 年，采用增加1 年壽命來考慮運輸過程中產(chǎn)生的疲勞損傷，疲勞分析中平臺需滿足21 年疲勞壽命要求（考慮5 倍安全系數(shù)）。SACS 疲勞分析主要流程見圖4。

疲勞分析結(jié)果顯示，兩種方案的疲勞壽命均滿足規(guī)范要求。方案一最小疲勞壽命為70.52 年，發(fā)生在2001 節(jié)點（2001-203S）；方案二最小疲勞壽命發(fā)生在301L 節(jié)點（301L-2001），疲勞壽命為24.57 年，分析結(jié)果見表4。

圖4 簡易導管架平臺譜疲勞分析流程

表4 最小疲勞壽命點

2.5 倒塌分析

倒塌分析中考慮樁-土相互作用，土壤數(shù)據(jù)根據(jù)《平臺軸向樁承載力設(shè)計參數(shù)表》輸入，模型中土壤直徑越大，表示土層越強。倒塌分析計算時主要考慮的荷載包括：結(jié)構(gòu)垂向荷載（甲板設(shè)備荷載、活荷載、陽極塊重量和結(jié)構(gòu)自重）和結(jié)構(gòu)水平荷載（環(huán)境荷載）。在USFOS 中設(shè)置分析步數(shù)為50 步，最大加載步長為1，最小步長增量0.01。分析中選取了八個典型方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°）施加環(huán)境荷載。環(huán)境荷載用百年一遇環(huán)境條件（表5）。

表5 百年一遇環(huán)境參數(shù)

在實際分析過程中，由于風荷載對上部組塊的影響較小且在倒塌分析中不起主要作用，因此，此次計算分析忽略風荷載的影響。

對5 種荷載及8 個環(huán)境力工況進行組合分析，得到兩種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的簡易導管架平臺的倒塌分析結(jié)果，用儲備強度系數(shù)RSR 來表示平臺的極限承載力，分析結(jié)果見表6。

從表6 看出，兩種方案的導管架平臺都具備一定的儲備強度系數(shù)，均滿足規(guī)范要求，整體上方案一的平臺結(jié)構(gòu)承載力更大。在270°環(huán)境力載荷方向上，方案一RSR 最大值達3.1，即在百年一遇環(huán)境工況下，平臺結(jié)構(gòu)仍能承受2.1 倍的極端環(huán)境載荷。方案二中，各方向上RSR 系數(shù)相差不大。

表6 兩種方案倒塌分析計算結(jié)果

從0°方向倒塌分析塑性變形圖（圖5）中可以看出，主腿柱和拉筋的節(jié)點處桿件應(yīng)力最大，屬于平臺結(jié)構(gòu)桿件薄弱區(qū)，與靜力計算中SACS結(jié)果吻合。兩種方案下的平臺結(jié)構(gòu)整體剛度較大，而樁基相對薄弱，出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 0°方向倒塌分析塑性變形圖

3 結(jié)論和建議

本文設(shè)計了兩種不同結(jié)構(gòu)型式的單腿三立柱簡易導管架平臺，方案一為獨立樁腿型式，方案二為主立柱兼作樁腿型式，分別從靜力、疲勞和倒塌三個方面進行分析研究，得到結(jié)論如下。

（1）靜力分析結(jié)果表明，主樁腿和拉筋的連接桿件為整個平臺結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)，但兩種設(shè)計方案仍均能滿足規(guī)范要求，并且有一定的余量，因此，靜力分析不能作為方案比選的依據(jù)。

（2）疲勞分析結(jié)果表明，方案一中的最小疲勞壽命為70.52 年，遠大于方案二的最小疲勞壽命24.57 年，說明在同樣條件下，方案二簡易導管架平臺更易發(fā)生疲勞破壞。

（3）倒塌分析結(jié)果表明，方案一的儲備強度系數(shù)總體高于方案二，說明結(jié)構(gòu)整體剛性更大，且沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)。兩種方案中，樁為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部分，采用該結(jié)構(gòu)型式時，建議重點關(guān)注樁基承載力。

（4）通過綜合分析，選擇方案一獨立單腿三立柱簡易導管架平臺結(jié)構(gòu)型式為推薦方案。