海上石油平台结构设计浅议

刘 涛

海上平台结构设计是海上平台设计的一个非常重要的组成部分。特别是对于海上平台的安全性和可靠性至关重要。海上平台结构设计包括设计导管架结构及甲板结构和附属结构等各个方面的内容。例如确定结构布置原则，正确地选用材料和计算荷载方法，选取适用的荷载系数，确定荷载组合方式，进行强度、刚度和稳定性计算，编制材料表以及有关设计文件等。

1 平台结构设计的原则

平台结构设计总的原则是:先进、合理、安全、经济、满足规范要求，且方便采办、制造、安装、检验和维护等。结构总体布置的基本原则是:总体布局合理，传力路径短，构件综合利用性好，材料利用率高，满足其他专业对结构形式的要求。结构材料选取的基本原则是:结构材料的选取既要考虑强度要求，又要考虑结构工作场所的环境条件，在结构中的部位和可能使用的加工方法等。为了具体实施平台结构设计的原则，设计人员需要不断地总结经验，有所发现，有所发明，有所创造，有所前进。

2 固定设施的类型

海上油田的生产必须以固定设施为基础。固定设施是指建立在海上的固定建筑物。固定设施的工作年限较长，一般都在15年以上，而且在使用期内又不能移动，所以固定设施的安全性和可靠性非常重要，它要承受在使用期限内该海域可能出现的最大环境荷载，而且要在最恶劣的环境条件下能够生存和继续工作，否则将造成严重的人员伤亡、设备损失、油田停产与环境污染等危害事件。由于海洋水深及海况的差异、油藏面积的不同、开采年限不一，因此固定设施类型众多。对于海洋石油系统常用的分类方法，固定设施基本上可分为以下五大类:

1)桩基式固定设施。桩基式固定设施一般系指桩基式固定平台，通常为钢质固定平台，是目前海上油(气)生产中应用最多的一种结构形式。2)重力式固定设施。重力式固定设施一般系指重力式平台，是与桩基平台不同的另一种形式的平台。它不需要用插入海底的桩去承担垂直荷载和水平荷载，完全依靠本身的质量直接稳定在海底。根据建造材料的不同，又分为混凝土重力式平台和钢重力式平台两大类。3)人工岛。人工岛是在海上建造的人工陆域，可以很方便地将人类的活动由陆地延伸到海上。人工岛的形式多种多样，主要有三类常见的人工岛形式:斜坡式人工岛，沉箱式人工岛，钢管式人工岛。4)顺应型平台。顺应型平台是指在海洋环境荷载作用下，围绕支点可发生允许范围内某一角度摆动的深水采油平台。这种平台是一种细长的框架结构，沿高度方向的横截面一般不变。框架每隔一定的高度有重复的结构形式，井槽在平台的中部。有的顺应型平台在每个角各有数根桩支持，桩穿过导管打下后，桩顶部约高出泥线某一高度，套管约上至平台高度的一半，桩与导管之间灌注水泥浆，凝固后便组成一套管与桩的组合体，在这个组合体的顶部附接导管架。这样大的长度提供了足够的轴向弹性来产生柔性恢复力，调整组合体的长度可得到系统适应不同环境的结构参数。有的顺应型平台或/和借助牵索(如绷绳塔平台)用一些浮筒(如浮塔式平台)来产生恢复力，浮筒也可给平台提供向上的浮力，从而可减少结构的轴向压力。5)其他海上新型固定设施及简易平台。

3 结构分析工具软件

我国和国外许多单位都已研制开发出有关海洋平台结构的分析程序。下面是一些常用的海洋平台分析软件:

1)SACS程序。SACS(Structural Analysis Computer System)程序由Engineering Dynamics，INC.开发，是用于海洋平台结构分析的软件。它被遍及世界的上百个与海洋工程有关的设计公司或石油公司使用，并得到世界各个权威检验机构的认可。2)MOSES程序。MOSES(Multi-Operational Structural Engineering Simulator)程序由 Ultramarine，inc.开发，是用于海洋工程结构分析等领域的软件。其前身为1977年问世的Oscar程序(该程序至今仍然广泛用于浮式结构的分析和设计)。3)SESAM程序。SESAM程序由DNV开发，是用于海洋工程结构分析等领域的软件。适用范围包括:导管架和上部设施;半潜式平台;张力腿平台;系泊系统;浮式系统和重力式平台。4)ANSYS程序。ANSYS程序由ANSYS，Inc.开发，为第一个通过ISO9001质量认证的分析设计类软件。在海洋工程领域，ANSYS程序已用于导管架平台结构有限元分析，海底管线有限元分析，半潜式平台及锚泊定位系统有限元分析。另外，ANSYS程序的Design Space等模块曾经用于深海探测器的结构分析与设计，据应用者反映该程序使工作进度大大加快。5)TNOWAVE(PDPWAVE)程序。TNOWAVE(PDPWAVE)程序由Profound B.V.开发，是用于桩基础分析等领域的软件。

4 平台上部结构设计

4.1 甲板结构总体布置

1)基本原则:传力路径短，构件综合利用好，材料利用率高。2)在进行甲板结构总体布置时，一般考虑如下几个方面:a.甲板结构布置:在甲板上的设备布置尽量做到重量对称的情况下，甲板结构布置尽量对称，以利于结构均匀受力;b.杆件数量:应尽量使杆件在各种受力状态下都能发挥较大作用，杆件数量力求尽可能少;c.节点设计:要尽可能使用简单节点，避免使用搭接节点;d.隔水导管和甲板的连接:要明确隔水导管支撑两端的连接方法;e.滑靴横向间距的确定:如果考虑甲板结构滑移装船，则滑靴横向间距的确定应考虑预制场地滑道和驳船滑道间距的可调整范围;f.应考虑钻井、修井的要求:如使用平台钻机、修井机，则需考虑结构的局部加强;如使用钻井船进行修井作业等，则需要考虑甲板标高和悬臂尺度是否能满足使用要求。

4.2 甲板标高确定

1)底甲板梁底的标高确定:底甲板的标高=2/3最大波高(重现期为50年或100年)+极端高水位+1.5 m不确定因素。2)甲板的层数:根据需要，由总图专业确定。3)甲板的层间距:要考虑设备的高度、设备操作空间、电缆及管线的放置。

4.3 结构构件的选取

结构杆件的选取要遵循以下几个原则:1)大小梁尺寸:要有明显差别，以便区分和连接;2)杆件类型、材料规格:不宜太多，必要时可予以调整;3)对管型杆件的选取要考虑D/t比，一般介于20～60之间(最好大于30);如果大于 60，则要按照API RP 2A的要求对材料的容许应力进行折减;kl/r:对主要杆件不宜大于120。

4.4 结构材料的选取

1)结构材料的选取既要考虑强度的要求，又要考虑工作环境的要求;2)甲板立柱上的主要节点、吊点用板应使用Z向性能钢材;3)在性质满足要求的情况下，钢材应尽量使用国产材料。

由于篇幅所限，本文只能从整体方面介绍关于海上石油平台结构设计所涉及到的基本原则、固定设施、常用软件与上部平台的总体布置方法，希望与大家讨论。

[1] 赵英年.海洋石油生产平台平面布置设计原则[J].中国海上油气(工程)，1994(1):39-40.

[2] 何学谦.对结构设计中两个关键问题的探讨[J].山西建筑，2009，35(8):91-93.

[3] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程平台结构设计[M].第4册.北京:石油工业出版社，2009.