浅谈海上采油平台结构设计

孙新涛（太重（天津）滨海重型机械有限公司技术中心，天津滨海新区300457）

浅谈海上采油平台结构设计

孙新涛（太重（天津）滨海重型机械有限公司技术中心，天津滨海新区300457）

对于我国的海洋生产行业而言，海上采油平台有着重要地位，是海洋生产过程中的主要组成部分，其设计安全不但涉及经济效益，同时还会影响着海洋环境、操作人员生命安全以及平台的管理效果。本文主要针对海上采油平台结构设计进行了简要分析。

海上；采油；平台；结构；设计

1 引言

在各类能源中，石油的应用极为广泛，石油开采近年来逐渐从陆地转移至海洋上，因此做好海上采油的相关研究具有必要性。为了保证海上采油工作顺利的进行，需加强海上采油平台结构的合理设计，以确保采油工作的安全、顺利进行。

2 海上采油平台的结构设计原则及思想分析

当前，我国陆地的石油资源逐渐不能满足社会需求，加强海上石油开采势在必行。但是，海洋和陆地不同，其环境相对复杂，存在诸多不确定因素，所以必须要做好海上采油平台的构建，制定合理的设计方案，确保海上采油工作顺利的开展。

2.1 海上采油平台的结构设计原则

平台设计常用的设计方法有以下几种：①母型设计，此种方法是仿照母型平台的设计，选取已建成并成功投入使用的平台作为母型设计；②规范设计，此种方法是根据各国的船舶检验局或者相关规范要求做好设计工作；③根据强度理论进行设计，此种方法主要是建立在结构力学以及有限元方法等理论的基础上，结合实际平台结构的情况按照既定环境条件以及设计要求做好平台强度的计算。按照不同设计阶段以及工程的相关要求，选取恰当的设计方法，或采用几种设计方法相结合。

2.2 海上采油平台的结构设计思想

2.2.1 强度校核优化结构

本平台的主体结构一般构件的所用钢板、型钢和支柱斜撑均用CCS-AH32船用高强度钢，对于高应力区的较厚钢板，则采用DH36的船用高强度钢。使用高强度钢，板厚和构建的尺寸均有所建好，所以板、构件的问题性也逐渐突出。在设计的过程中，对于受压的钢板、梁、纵骨、支柱和斜撑的稳定性均需进行计算校核。结构的纵骨、梁、支柱以及斜撑等构件的临界应力需要具有安全储备，保证满足平台的规范要求。由于甲板所采用的是纵骨架式结构，板纵向受压稳定性较强，不会出现失稳现象。但是板横向的受压临界应力较少，稳定性较差，存在失稳的可能性。要想保证甲板横向受压的稳定性得以提升，加强平台的强度，在两根强横梁间中间肋位上，进行横向加强筋设置，从而起到缩小甲板的板格、增大板格的横向受压临界应力的作用，以加强板横向的稳定性。

2.2.2 平台结构的优化设计

平台结构设计的主要矛盾是强度和重量控制的矛盾，结构优化设计都是围绕解决这一对主要矛盾而展开的。

（1）设计方法

平台结构的采用规范设计和强度计算互相结合的方法，平台结构的基本构建尺寸要先根据平台规范和海船规范的要求进行选取，其次按照强度计算确定内力分布规律，对构件的尺寸进行必要的调整修改，适当加强应力过大的构件，对应力较小的构件作相应的减弱，从而最后确定构件尺寸，确定构件尺寸的过程既是强度校核的过程，也是结构设计逐步优化的过程。

（2）用高强度低合金钢

例如在港海一号自升式钻井平台的结构设计为既减轻平台自重又不削弱平台的强度，平台主体结构采用船用高强度低合金钢，是一个好的选择，大量试验资料表明，高强度钢的抗脆性，抗破坏性，耐疲劳性，耐海水腐蚀性能，加工工艺性能，焊接工艺性能均不低于普通强度钢，其耐海洋大气锈蚀性能则明显优于普通强度钢，低合金钢在海洋大气中的腐蚀速度还不到低碳钢的1/3，采用高强度低合金钢对于降低锈蚀速度，延长平台寿命是有益的，这对升离海面作业的自升式钻井平台尤为合适。

（3）疲劳寿命分析

目前在技术发展的前沿阵地，首先需要加强解决平台的结构强度以及抗疲劳性的问题。特别是平台结构强度的设计，一定要确保其符合基本疲劳寿命分析。近年来，高强度钢在我国的船体结构中得到了广泛的应用，船体结构的疲劳破坏问题日渐突出。由于平台的主体结构复杂，我国疲劳寿命计算长期以经验公式进行估算，但是其精度根本无法满足现代平台工程的需要。近年来，科学技术不断进步，计算机软硬件的性能随之提高，促进计算平台主体结构所受到的波浪诱导荷载、船体响应长期预报、疲劳校核点应力集中计算等均成为可能。

3 根据实例分析海上采油平台的设计

3.1 工程实例

近年来，上海市外高桥造船有限公司深入的研究了自升式钻井平台结构设计以及优化措施，不但能够利用船级社规范的经验公式进行校核同时确定平台主体构件的尺寸结构设计方法，而且能够通过有限单元法对平台的架构强度、指导平台的主体结构以及构件尺寸结构设计与优化方法进行校核，按照实际工况进行特定荷载的施加，研究边界条件，确定自升式平台在不同工况下的主体结构强度，从而保证能够设计出满足强度要求的平台结构，以确保平台主体的安全性。除了平台的主体结构，通过相关研究还实现了按照不同的环境条件以及作业参数，借助有限元分析方法进行环境荷载的计算，对桩腿和桩靴的结构强度进行设计并校核，同时按照船级社以及SNAME规范对平台单根桩腿刚度以及抗倾稳性进行分析，同时对自升式钻井平台站立稳定性进行分析，形成自升平台基础设计能力。

研究成果应用于公司在建的JU2000E型以及CJ46型的自升式钻井平台，设计建造自升式钻井平台能够完全满足船级社要求，同时在确保结构强度的基础上，减少船体的本身重量，很大程度上加大自升式平台可变载荷，平台结构的设计和优化应用结果受到多方船东的好评及肯定，提供的结构减重以及优化的方案，有效的降低平台的建造成本，确保平台结构的安全性。

3.2 各种工况下的平台强度、刚度和稳定性的静力分析

平台强度关系到平台在组合载荷的作用下，材料能否满足强度要求，不至发生屈曲和疲劳破坏的危险。在评估平台总强度时考虑了总的功能载荷和可变载荷、设计环境载荷、惯性力和P-Delta效应，分作业工况和风暴自存工况，根据SNAME采用几何刚度法计算P-Delta效应，并且在不同作用水深下利用有限元模型分别计算环境载荷和惯性矩，分析了齿条的受力情况，校核了平台桩腿的屈服强度，并且对桩腿和桩靴在预压载的各个工况下强度进行了分析，保证了平台作业的安全性。

平台刚度的分析是振动理论以及稳定性分析的基础，按照ABS MODU 2015以及SNAME计算公式，将桩腿的泥下3米一端用作简支，另一端和主船体的刚固连接；在桩腿上施加载荷，除去轴向的重力以及水平环境载荷外，还需考虑预压载工况下的二阶重力效应对桩腿影响效果；按照SNAME公式的要求，考虑10%齿条剖面面积增量效应，对三种不同的作业水深、单个桩腿刚度进行计算，以确保整个平台的安全性。

平台的稳定性分析主要是分析在预压载时自升式钻井平台的桩腿稳定性分析，环境荷载的向量角为120°，对向量角载荷作用下平台进行研究，对目标自升式钻井平台抗倾覆稳性进行分析，从而在环境荷载的影响进行平台的安全评估，确定平台在设计环境荷载以及功能荷载综合工况下可以安全的工作（具体平台结构强度分析的有限模型如图1所示）。

图1 平台结构强度分析有限元模型示意图

3.3 具体施工方案

钢平台的施工场地一般有三个场地：陆上的钢结构加工车间、岸边的组对场地以及海上工地。①陆上的钢结构加工车间。陆上钢结构加工车间主要进行钢板号料和切割；钢管桩以及钢管分段卷制以及焊接接长和坡口加工。②岸边的组对场地。岸边的组对场地需要满足钢结构的组对焊接以及上船要求。在岸边的预制厂需要进行钢管桩的二次接长、导管架的焊接和上部甲板的分模块焊接。满足运输船的运输能力和钢桩自身稳定性的前提下，需要尽可能的增加钢桩的分段长度。③海上工地。此外，还需做好导管架的整体预制工作。上部甲板的组块组装需要按照船舶运输的能力和岸上、海上吊装的能力等，将上部的甲板分成若干个单元模块，继而实施组装。多个导管架以及钢桩根据计划的顺序借助驳船运输至施工的现场（具体平台设计如图2）。

3.4 防腐涂装设计

图2 海上采油平台结构设计示意图

由于海上采油平台在海上进行工作，海洋环境对于钢材的腐蚀严重，为了保证其使用寿命，必须进行防腐涂装设计，从而保证海洋环境钢结构的安全。海上采油平台导管架和海管防腐一般采用涂装和阴极保护联合保护的方法，其中阴极保护分为牺牲阳极法和外加电流法两种方法，其中牺牲阳极法的加工设计文件一般包括阳极结构图、阳极布置图、阳极采办料单、阳极施工料单等。编制涂装方案时，要充分了解各专业工作量、施工特点、工序、工期。涂料采办料单用于采办涂料，施工料单用于领料。涂料用量不仅与涂装面积有关，而且与施工方法、后期修补工作量等因素有关，因此计算涂料用量时不仅要考虑涂装面积，还要根据涂装方案、现场进度、结构形式、涂装方法等综合因素确定涂料的用量。涂料由施工人员直接到涂料供应商库房领取，未开封的涂料可以退库，从而较好地避免了涂料采办量不准确和施工浪费的问题。

4 结束语

总的来说，在海上采油平台结构构建的过程中，需要对其进行合理设计，从而有效保证海上采油工作能够顺利的开展。在进行平台结构选择的过程中，需根据海域制定合理的设计方案，从而有效提升采油效率，为我国的经济发展提供石油资源，以促进我国的可持续发展。

[1]王 泉，任贵永，杨树耕，等.海上桶形基础采油平台结构分析[J].中国海洋平台，2010，15（6）：17～20.

[2]甘 进.海上多功能工作平台结构设计关键技术研究[D].武汉理工大学，2012：98～99.

[3]张欢欢，丁鹤东，陈金钰.浅析海上采油平台用结构钢材料的检验[J].科技致富向导，2014（8）：224.

[4]王世圣，徐长胜.浅海采修一体化平台的结构设计[J].中国海上油气：工程，2003，15（3）：14～17.

TE92

A

2095-2066（2016）05-0220-02

2016-1-20

孙新涛（1981-），男，工程师，硕士，主要从事船舶海工设计工作。