刚／柔性连接对导管架平台振动特性影响研究

范 晓，段梦兰，庹 鑫，侯金林，刘 洋，谭双妮，杨 磊

（1．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；2．中海油研究总院，北京 100027）①

刚／柔性连接对导管架平台振动特性影响研究

范 晓1，段梦兰1，庹 鑫1，侯金林2，刘 洋1，谭双妮1，杨 磊1

（1．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；2．中海油研究总院，北京 100027）①

海上油田二次开发时通常采取加密井网综合调整的措施，在工程上经常会在老平台旁建新的导管架平台。为满足设备和资源的共享，新老平台有刚、柔2种连接方式，即平台短距离直接连接或栈桥连接。分析了2种连接方式对新老平台整体振动特性的影响，得到不同情况下适宜的连接方式，并借助SACS软件进行工程实例验证。

导管架平台；刚性连接；柔性连接；振动特性

我国大部分近海油田已进入开发的中后期，为提高采收率往往会对老油田进行二次开发。加密井网综合调整是行之有效的二次开发措施，加密井网一般会在油田上新建导管架平台，为满足设备和资源的共享一般会将新旧导管架平台连接，而连接的方式主要分为刚性连接（即平台短距离直接连接）和柔性连接（即栈桥连接）2种方式。

导管架平台在海上长期处于复杂的载荷环境下，由外载引起的平台振动是危害工作人员健康和平台安全的重要因素。现阶段，新老平台间的连接形式往往由具体功能的需求来确定，很少研究连接形式对振动特性带来的影响。

1 刚／柔性连接形式特点

1．1 刚性连接

为实现模块钻机在新建平台与老平台间的往复滑移，以满足新老平台钻完井及修井的需要，并大幅度降低投资开发成本，新旧平台连接多选择刚性连接形式即海上平台短距离直接连接。刚性连接形式在设计时需要考虑的因素较多，海上的作业难度高，对模块钻机的改造工作量较大。刚性连接形式的设计有3方面的要点：

1） 模块钻机改造设计。其中包括了多模块之间所连接的管线、仪表缆、动力缆和服务臂的结构改造；同时，为了满足钻井作业的需要，应在新老平台间建立临时管堆场和猫道。

2） 定位导向桩系统设计。为了保证新老平台各个方向轴线处在同一水平面上，新老平台导管架部分需要利用定位导向桩系统连接过渡。

3） 组块滑道梁设计。常规的模块钻机滑轨使用T型梁，而组块部分的主梁往往为工字梁，在设计时应满足新滑轨梁腹板与新组块滑道梁腹板在垂直方向的一致性。

图1为平台短距离连接技术在绥中36-1一期及旅大5-2油田调整工程开发项目中的成功应用［1］。

图1 渤海油田两平台间刚性连接形式

1．2 柔性连接

柔性连接即为栈桥连接形式，具体连接方式为在新老平台间搭建栈桥，为保证栈桥的水平自由度，栈桥与平台的链接采取一端焊接一段销接的方式。

栈桥连接形式最大程度地保持了老平台的力学性能，新增平台只会向老平台传递垂向的载荷，水平向的载荷可忽略不计。这样，在新老平台共同工作时老平台不会因为新平台的影响而发生危险。柔性连接设计难度小，改造量小，但新老平台间不能进行原有设备的共享，二次开发成本较高。两平台栈桥连接如图2所示。

图2 两平台间栈桥连接示意

2 连接形式对平台振动特性的影响

导管架平台的动力平衡方程可表达为

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；x（t）为随时间变化的节点位移矢量；˙x（t）为随时间变化的节点速度矢量；¨x为随时间变化的节点加速度矢量；F（t）为随时间变化的节点上的外载荷矢量。

其中，质量矩阵表示模型的质量分布。在一般计算方法中，质量矩阵即将构建的自身质量、构建内部可能有的质量以及一些附加质量堆聚在各个结点或几个关键结点上。一般省去单元的转动惯量和非主振方向的质量。这样，质量矩阵M是一个对角阵。平台上任意的细长构件在i振动方向上的附加质量力与流体密度、浸水部分体积、杆件与i方向夹角、i方向相对加速度有关。平台结构的刚度矩阵一般是考虑剪切的影响，决定性因素是构建的几何特性。阻尼矩阵一般考虑为粘性阻尼，以阻尼比来表示。

在自由振动时，阻尼项可忽略不计，平台结构的动力学方程可简化为［2］

式中：ω为结构的固有振动频率。

刚、柔性连接形式即通过改变导管架平台质量矩阵与刚度矩阵来改变平台的振动特性［3］。在实际工程计算中，刚、柔性连接对原平台刚度矩阵影响远小于对质量矩阵的影响。

由上述分析可推出结论：刚性连接后原平台质量大幅增加，平台固有振动频率降低，加大平台结构在环境荷载作用下的响应幅值，降低导管架平台的安全性。柔性连接后由于仅向原平台传递纵向载荷，原平台质量变化较小，对原平台振动特性影响较小。

3 算例

3．1 目标平台情况概述

选取BZ34-1CEPA中心平台为本次计算目标平台。渤中34-1油田位于渤海中部海域，北纬39°～41°的区域内。紧邻南部的渤中34-2／4油田，距东北的渤中28-1油气田约22 km，属于渤中34油田群，水深约为20 m。渤中BZ34-1CEPA中心平台是1座集钻修井、生产及生活为一体的12腿、12桩的综合平台，其桩腿为浮拖法安装，8腿主桩＋4腿辅桩（支撑隔水套管）；共有2个井口区、40个井槽。平台布置有3台Solar70的透平发电机组，负责提供油田群所需电力，并处理油田群的物流。平台设计寿命为20 a。

计划在CEPA平台北侧新增4腿井口平台WHPD，下文将详细分析刚、柔性连接对CEPA平台振动特性影响，本次计算采用SACS通用有限元计算程序。

3．2 原平台在位振动特性与结构强度分析

根据目标平台所处的海域参数和平台设计之初的q-z曲线、t-z曲线、p-y曲线及详细的设计图纸、历次改造文件、平台结构具体检测结果，利用SACS软件对平台结构、桩基础、设备质量分布、载荷分布整体建模，如图3所示。

图3 BZ34-1CEPA平台整体模型

BZ34-1CEPA平台结构调整、评估、校核参照以下规范和标准：

1） API RP 2A Recommended Practice for Planning，Designing，and Constructing Fixed Offshore Platforms-21stEdition WSD，2000．

2） AWS D1．1／D1．1M Structural Welding Code-Steel，2002．

3） AISC Specification for Structural Steel Buildings—Allowable Stress Design and Plastic Design，1995．

4） DNV DNV（Det Norske Veritas）CN 30．5，2000；DNV（Det Norske Veritas）Guideline No．14，1998．

渤中BZ34-1CEPA导管架主要节点冲剪校核考虑轴向、弯曲应力组合，利用相互作用的2个方程进行节点冲剪校核。主要管节点处尺寸为ø60 cm× 1．5 cm的加强段，屈服应力为355 MPa。

在极端风浪、极端冰条件下，按照API RP 2AWSD规定的基本许用应力，并增加到1．33倍，进行结构所有构件的应力校核。

考虑BZ34-1CEPA平台正常在位时可能遇到的工况组合，对其进行平台在位振动特性与结构强度分析。提取模型前6阶阵型，如表1所示。

表1 BZ34-1CEPA平台前6阶自振频率

导管架平台的整体校核通常进行在位、地震、疲劳、桩基础4个方面的校核［4］。主要标准为各处杆件、节点、桩基础的UC值（UNITY CHECK）是否大于1，若UC值均小于1则满足规范要求［5］。

BZ34-1CEPA平台的主要校核结果为：在位分析中，平台杆件、节点冲剪均满足规范要求，其中最危险杆件为F04L-F05T，其UC值为0．93，最危险节点为L0FF，其UC值为0．97；地震分析中平台桩基础、杆件、节点冲剪均满足规范要求，其中桩基础为主要校核指标，桩基础校核西南角主桩为最危险的桩，该桩的桩基承载能力安全系数为1．53，强度校核UC值达到0．95；选取A平台导管架上各管节点进行疲劳校核，可得最不利节点为F028，从2012年可继续服役49 a至2061年；桩基础分析中，西南角主桩为最危险的桩，该桩的桩基承载能力安全系数为1．60，强度校核UC值达到0．63［6］。

3.3 刚性连接后CEPA平台在位振动特性与结构强度分析

进行刚性连接即甲板直接连接后，CEPA-WHPD平台整体结构如图4所示。

图4 CEPA-WHPD平台刚性连接整体模型

考虑CEPA-WHPD平台刚性连接后正常在位时可能遇到的工况组合，对其进行平台在位振动特性与结构强度分析。提取模型前6阶阵型，如表2所示。

表2 CEPA-WHPD平台刚性连接前6阶自振频率

CEPA-WHPD平台刚性连接后的主要校核结果［7］为：在位分析中，最危险杆件仍然为F04LF05T，其UC值为0．98，最危险节点仍然为L0FF，其UC值为1．01；地震分析中，桩基础校核西南角主桩仍然为最危险的桩，该桩的桩基承载能力安全系数为1．43，强度校核UC值达到0．99；选取A平台导管架上各管节点进行疲劳校核，可得最不利节点仍然为F028，从2012年可继续服役33 a至2045年；桩基础分析中，西南角主桩仍然为最危险的桩，该桩的桩基承载能力安全系数为1．47，强度校核UC值达到0．88。

由上述分析可知：新老平台进行刚性连接后固有振动频率降低，强度校核中各项结果UC值均有所升高，接近或超过规范要求的临界值。

3.4 柔性连接后CEPA平台在位振动特性与结构强度分析

进行柔性连接即栈桥连接后，CEPA-WHPD平台整体结构如图5所示。

图5 CEPA-WHPD平台柔性连接整体模型

考虑CEPA-WHPD平台柔性连接后正常在位时所可能遇到的工况组合，对其进行平台在位振动特性与结构强度分析［8］。提取模型前6阶阵型，如表3所示。

表3 CEPA-WHPD平台柔性连接前6阶自振频率

CEPA-WHPD平台柔性连接后的主要校核结果［9］为：在位分析中，最危险杆件仍然为F04LF05T，其UC值为0．94，最危险节点仍然为L0FF，其UC值为0．97；地震分析中，桩基础校核西南角主桩仍然为最危险的桩，该桩的桩基承载能力安全系数为1．51，强度校核UC值达到0．96；选取A平台导管架上各管节点进行疲劳校核，可得最不利节点仍然为F028，从2012年可继续服役47 a至2059年；桩基础分析中，西南角主桩仍然为最危险的桩，该桩的桩基承载能力安全系数为1．59，强度校核UC值达到0．65。

由上述分析可知：新老平台进行柔性连接后，对平台振动特性与强度校核影响较小。

4 结论

1） 刚性连接可大幅降低油田二次开发成本，但海上施工难度高且对原平台改造较大；柔性连接海上施工相对简单，对原平台改造较小但大幅提高了二次开发成本。

2） 刚性连接对平台力学性能影响较大，新老导管架平台进行刚性连接后，平台固有振动频率降低，平台各项强度校核UC值升高。

3） 柔性连接对平台力学性能影响较小，对平台固有振动频率影响几乎可以忽略不计。

4） 对于有些校核值已经处于临界状态的平台，二次开发时应进行柔性连接，以保证平台的安全性；对于所有校核值均留有一定余量的平台，二次开发时可进行刚性连接，降低开发成本，提高资源利用率。

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Vibration Characteristics of Jacket Platforms Influenced by Rigid and Flexible Connections

FAN Xiao1，DUAN Meng-lan1，TUO Xin1，HOU Jin-lin2，LIU Yang1，TAN Shuang-ni1，YANG Lei1
（1．College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Increasing the number of wellheads and comprehensive adjustment always use in redevelopment of offshore oilfield．The new platform always was built beside the old jacket platform in redevelopment of offshore oilfield．There are two ways to connect the old and new platform to meet the sharing of equipment and resources．Researching was carried out for the vibration characteristics of jacket platforms influenced by rigid and flexible connection to prove the conclusions with SACS．

jacket platforms；rigid connection；flexible connection；vibration characteristics

TE951

A

1001-3482（2014）05-0001-04

2013-11-27

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目“基于振动检测的现役海洋平台结构安全评估技术研究”（2008AA09701-3）

范 晓（1989-），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事海洋油气工程研究，E-mail：fanxiao32＠163．com。