東方13-2海洋平臺(tái)裝船關(guān)鍵受力工況分析

黃山田，秦立成，王浩宇，魏佳廣

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

伴隨能源需求量的增大，海上油氣田勘探開(kāi)發(fā)不斷增加，海洋石油工業(yè)迅猛發(fā)展，海上平臺(tái)正向大型化、集約化方向發(fā)展，平臺(tái)上部組塊的整體重量也隨之增加。高速發(fā)展的海洋油氣田開(kāi)發(fā)，對(duì)海上超大型平臺(tái)的裝船技術(shù)及作業(yè)能力提出了更高的要求[1-6]。

1 概況

東方13-2 CEPB平臺(tái)是國(guó)內(nèi)第二大海洋油氣平臺(tái)，中海福陸重工有限公司在珠海高欄港區(qū)建造，將作為東方13-2氣田群的中心平臺(tái)使用，整個(gè)氣田群投產(chǎn)后每年可為珠海、香港、海南等地供氣26億m3。該平臺(tái)是一座高溫高壓燃?xì)饩C合處理平臺(tái)，裝備了3臺(tái)22.5 MW的天然氣發(fā)電機(jī)組，設(shè)有4層甲板，配備可供120人居住的生活樓及鉆機(jī)模塊等生活生產(chǎn)設(shè)施。整個(gè)平臺(tái)浮托質(zhì)量17 247 t，總體建造尺寸為長(zhǎng)115 m、寬46 m、高96 m。

海洋平臺(tái)在陸地建造完畢后為了拖拉裝船都要進(jìn)行一系列的受力分析。目前，研究主要集中在平臺(tái)就位后，本文結(jié)合不同載荷工況，首次進(jìn)行了碼頭及平臺(tái)強(qiáng)度分析，確保了平臺(tái)本其自身強(qiáng)度及陸地碼頭強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；通過(guò)對(duì)關(guān)鍵工況進(jìn)行平臺(tái)和碼頭的數(shù)值分析，確保了裝船的可行性和安全性，并最終完成了東方13-2萬(wàn)噸級(jí)平臺(tái)裝船，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

圖1 東方13-2平臺(tái)裝船完畢

2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

2.1 CEPB平臺(tái)及場(chǎng)地主要參數(shù)

東方13-2 CEPB平臺(tái)自身質(zhì)量約15 517 t，組塊及滑靴DSF的總質(zhì)量約16 736 t。平臺(tái)建造完畢后，需要進(jìn)行建造工況、重量轉(zhuǎn)移工況、稱(chēng)重工況、拖拉工況的平臺(tái)強(qiáng)度及地基承載力的強(qiáng)度校核，確保項(xiàng)目的安全。建造位置在1#滑道，布置在總裝場(chǎng)地的最南側(cè)，其上布置2個(gè)半潛式平臺(tái)的總裝工位，同時(shí)兼顧3.5×104t及以下的組塊建造，可根據(jù)海工結(jié)構(gòu)尺寸選擇任意兩個(gè)滑道進(jìn)行建造。1#滑道共布置3條滑道板，滑道板縱向長(zhǎng)度320 m，其中陸域滑道長(zhǎng)度為248 m，水域滑道長(zhǎng)度為72 m。1#滑道陸域滑道每條滑道板寬度18 m，滑道板中間13 m寬范圍為設(shè)計(jì)承載區(qū)域，兩側(cè)各2.5 m為非設(shè)計(jì)承載區(qū)域。1#滑道為樁基承臺(tái)結(jié)構(gòu)，滑道頂高程5.0 m，滑道板厚度2.2 m，樁基采用φ800 PHC管樁，根據(jù)荷載使用位置樁基橫向間距為2 600 mm或3 000 mm，縱向間距為2 400 mm或2 600 mm，滑道頂面設(shè)置350×350×12×19H型鋼，縱向間距4m。

海洋平臺(tái)在陸地建造完畢后為了拖拉裝船要進(jìn)行一系列的受力分析，確保平臺(tái)本身強(qiáng)度及陸地碼頭強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。本文針對(duì)東方13-2 CEPB平臺(tái)裝船進(jìn)行了研究，根據(jù)東方組塊的裝船施工情況分為建造工況、重量轉(zhuǎn)移工況、稱(chēng)重工況、拖拉滑移工況等4種工況。

2.2 計(jì)算模型

本平臺(tái)模型利用SACS建模進(jìn)行計(jì)算，而承載力核算利用ANSYS通用有限元軟件建模，采用彈性嵌固點(diǎn)法，模型中樁底采用彈性嵌固約束，即約束樁底的兩個(gè)水平向的位移和三個(gè)方向轉(zhuǎn)角，根據(jù)樁基承載力計(jì)算樁底豎向彈簧約束，樁頂與上部結(jié)構(gòu)采用鉸接約束?；腊搴统信_(tái)采用混凝土C40，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=17.5 MPa，彈性模量E=3.25×104MPa，泊松比ν=0.2。PHC管樁用混凝土C80，彈性模量E=3.8×104MPa，泊松比ν=0.2；φ1 000 mm灌注型嵌巖樁用混凝土C35，彈性模量E=3.15×104MPa，泊松比ν=0.2。對(duì)可能作用在結(jié)構(gòu)上的荷載進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的持久組合和正常使用極限狀態(tài)的頻遇組合計(jì)算。結(jié)構(gòu)自重荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，滑靴（或支撐荷載）荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，滑靴（或支撐荷載）荷載的頻遇值系數(shù)取0.7。承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，本工程結(jié)構(gòu)等級(jí)為二級(jí)，系數(shù)取1.0；Sd為作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd為承載能力極限狀態(tài)持久組合的結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值，簡(jiǎn)稱(chēng)持久組合力設(shè)計(jì)值。

正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：

式中：C為正常使用極限狀態(tài)頻遇組合的結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值，簡(jiǎn)稱(chēng)頻遇組合抗力設(shè)計(jì)值。

3 工況類(lèi)型

3.1 建造工況

平臺(tái)建造時(shí)在總裝場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)有8個(gè)支撐點(diǎn)，場(chǎng)地分別為已有滑道結(jié)構(gòu)上的4個(gè)支撐點(diǎn)（A2、B2、A3、B3），新建造滑道上的4個(gè)支撐點(diǎn)（A1、B1、A4、B4），分布如圖2，根據(jù)SACS的計(jì)算，得出8個(gè)支撐點(diǎn)的支反力見(jiàn)表1，在8點(diǎn)支撐下，平臺(tái)的最大變形為48 mm。

圖2 SACS模型及底部支撐點(diǎn)分布

表1 支撐點(diǎn)支反力

3.2 重量轉(zhuǎn)移工況

建造工況完畢后為重量轉(zhuǎn)移工況，組塊外4腿的承載力全部轉(zhuǎn)移到內(nèi)4腿上，即由4個(gè)支撐點(diǎn)A2、B2、A3、B3支撐承擔(dān)，其中2號(hào)軸線(xiàn)上的A2、B2支撐點(diǎn)在已有滑道結(jié)構(gòu)上，3號(hào)軸線(xiàn)上的A3、B3支撐點(diǎn)在新建承臺(tái)結(jié)構(gòu)上，承臺(tái)支撐點(diǎn)支墊方式為每個(gè)支撐點(diǎn)下鋪設(shè)兩層50 mm厚鋼板，并井字形鋪設(shè)三層滑塊，單個(gè)滑塊尺寸長(zhǎng)×寬×高=6.0 m×2.0 m×1.2 m，三層滑塊總高度3.6 m，滑塊堆疊底寬6.0 m，如圖3所示。

圖3 底部承臺(tái)結(jié)構(gòu)

重量轉(zhuǎn)移工況下，各支撐點(diǎn)豎向荷載受力情況見(jiàn)表2，結(jié)構(gòu)整體變形為56 mm。2號(hào)軸線(xiàn)上的A2、B2兩個(gè)支撐點(diǎn)中最大支撐荷載為37 198 kN，3號(hào)軸線(xiàn)上的A3、B3兩個(gè)支撐點(diǎn)中最大支撐荷載為51 900 kN。每個(gè)支撐點(diǎn)上重量轉(zhuǎn)移裝置、千斤頂?shù)鹊母郊雍奢d為1 251 kN，支撐點(diǎn)下布置三層滑塊，滑塊重量根據(jù)實(shí)際布置區(qū)域換算均布荷載為90 kPa。根據(jù)圖3承臺(tái)受力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了如圖4所示的碼頭有限元模型。

表2 重量轉(zhuǎn)移后支撐點(diǎn)受力情況

圖4 碼頭有限元計(jì)算模型

重量轉(zhuǎn)移工況下，新建承臺(tái)結(jié)構(gòu)上的A3、B3兩個(gè)支撐點(diǎn)位于兩個(gè)相同的承臺(tái)結(jié)構(gòu)上，選取最大支撐荷載51 900 kN計(jì)算，根據(jù)受力特點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，校核地基承載力。新建承臺(tái)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，其結(jié)果都滿(mǎn)足要求。

表3 新建承臺(tái)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果

3.3 稱(chēng)重工況

稱(chēng)重工況是裝船前載荷轉(zhuǎn)移完畢后，對(duì)組塊稱(chēng)重以便將DSU等設(shè)備放到組塊的正下方，稱(chēng)重工況組塊由4個(gè)支撐點(diǎn)A2、B2、A3、B3支撐，與載荷轉(zhuǎn)移工況相同，其中2號(hào)軸線(xiàn)上的A2、B2支撐點(diǎn)在已有滑道結(jié)構(gòu)上，3號(hào)軸線(xiàn)上的A3、B3支撐點(diǎn)在新建承臺(tái)結(jié)構(gòu)上。承臺(tái)結(jié)構(gòu)及支墊布置方式同重量轉(zhuǎn)移工況。稱(chēng)重工況支撐點(diǎn)位置見(jiàn)圖2，豎向荷載數(shù)值與載荷轉(zhuǎn)移一致；稱(chēng)重工況每個(gè)支撐點(diǎn)各有2個(gè)稱(chēng)重區(qū)域，每個(gè)稱(chēng)重區(qū)域平面尺寸為1.5 m×3.3 m，稱(chēng)重區(qū)域內(nèi)布置一定數(shù)量的千斤頂。稱(chēng)重工況對(duì)于2號(hào)軸線(xiàn)上A2、B2兩個(gè)支撐點(diǎn)，在已有滑道上布置三層滑塊，支墊布置方式及荷載傳遞區(qū)域見(jiàn)圖2，稱(chēng)重工況已有滑道結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值與抗力設(shè)計(jì)值對(duì)比都滿(mǎn)足要求，見(jiàn)表4。

表4 稱(chēng)重工況已有滑道受力設(shè)計(jì)值對(duì)比結(jié)果

3.4 拖拉滑移工況荷載

拖拉滑移工況指準(zhǔn)備拖拉及拖拉滑移過(guò)程中滑靴尚未上駁船的過(guò)程。包括滑移前的靜止?fàn)顟B(tài)（組塊重量剛剛?cè)哭D(zhuǎn)移到滑靴上，準(zhǔn)備拖拉滑移前）和滑移過(guò)程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（組塊被拖拉的過(guò)程，即滑靴強(qiáng)制位移10 mm）兩種狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求拖拉滑移工況組塊由4個(gè)支撐點(diǎn)支撐，支撐點(diǎn)下設(shè)置滑靴，4個(gè)支撐點(diǎn)均位于滑道上，其中2.1軸上的兩個(gè)支撐點(diǎn)A2.1和B2.1位于東側(cè)滑道板，2.3軸上的兩個(gè)支撐點(diǎn)A2.3和B2.3位于西側(cè)滑道板，支撐點(diǎn)的位置見(jiàn)圖5。與滑移前靜止?fàn)顟B(tài)和滑移過(guò)程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的支撐力，滑移過(guò)程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)每個(gè)支撐點(diǎn)的支撐力大于滑移前靜止?fàn)顟B(tài)，因此按滑移過(guò)程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的支撐力核算滑道結(jié)構(gòu)即可，滑移過(guò)程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)支撐點(diǎn)荷載數(shù)值見(jiàn)表5，此時(shí)平臺(tái)整體變形為58 mm。

圖5 拖拉滑移工況支撐點(diǎn)位置

表5 拖拉滑移工況支撐點(diǎn)荷載數(shù)值

東方項(xiàng)目組塊拖拉滑移工況滑靴下支墊采用了兩層滑塊，結(jié)構(gòu)類(lèi)似于重量轉(zhuǎn)移工況，單個(gè)滑塊尺寸長(zhǎng)×寬×高=6.0 m×2.0 m×1.2 m，雙層滑道塊總高度2.4 m，滑塊堆疊底寬2.0 m。拖拉滑移工況滑道上支墊方式及荷載傳遞區(qū)域由滑靴直接傳遞到滑道上，再由滑道傳遞到碼頭地面上，支撐點(diǎn)下兩層滑塊在滑移過(guò)程中，滑塊數(shù)量按7個(gè)計(jì)算，根據(jù)荷載傳遞區(qū)域計(jì)算分析拖拉滑移工況滑道結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值與抗力設(shè)計(jì)值滿(mǎn)足項(xiàng)目要求，具體見(jiàn)表6。

表6 拖拉滑移工況滑道結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)值對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)東方13-2項(xiàng)目質(zhì)量達(dá)17 247 t（包含滑靴質(zhì)量等）的平臺(tái)船體，進(jìn)行了建造工況、重量轉(zhuǎn)移工況、稱(chēng)重工況、拖拉滑移工況等4種工況的研究，確保了該項(xiàng)目的順利實(shí)施，表明珠海場(chǎng)地具備了大型海洋平臺(tái)的建造和拖拉裝船能力，為深水海洋工程建造和施工奠定了基礎(chǔ)，其成功實(shí)施對(duì)后續(xù)同類(lèi)工程項(xiàng)目有著重要參考意義。