浮式生产平台上部组块结构形式及设计特点研究

付殿福，贾 旭，文志飞，沈晓鹏

(1. 中海油研究总院，北京 100029；2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

浮式生产平台是深水油气资源开发重要手段，国际上常见的浮式生产平台主要包括半潜式生产平台（SEMI）、张力腿平台（TLP）、单柱式平台（SPAR）等。上述3种类型的生产平台在深水油气田开发中的应用比例基本相当，且各有优缺点。

目前我国自行开发研制的海洋油气开发装备主要是导管架平台与自升式平台，这些平台的工作区域主要集中在浅海和近海海域，水深基本都小于200 m[1]。1996年3月，我国第1座半潜式生产平台“南海挑战”号投产于南海流花11-1油田，它是由1艘1975年建造的半潜式钻井平台改装而成，其作业水深为310 m[2]。张力腿平台（TLP）、单柱式平台（SPAR）目前在国内海域未有应用案例。

目前大多数针对深水结构物的研究多集中于船体结构、系泊系统及深水立管系统等方面，较少有涉及深水结构物上部组块结构的研究文献。本文重点研究讨论了各种类型浮式生产平台的上部组块，对其受力特点、结构形式、结构设计中的一些关键点进行总结分析。

1 固定平台与浮式平台上部组块受力特点

固定式平台是近海油气田开发重要平台，以导管架平台较为常见，其结构分为上部组块、导管架和钢桩3部分，整个平台结构通过钢桩固定于海底。导管架结构自身刚度较大，整个平台所受波浪力主要由导管架承担，并通过钢桩最终传递到海底土壤中，如图1所示。

以导管架平台为代表的固定式平台上部组块受到的环境荷载包括风荷载、波浪荷载、流荷载以及地震荷载。但因其自身结构特点，绝大多数波浪荷载和流荷载均通过导管架结构和钢桩传递到海底土壤中。以南海某8腿导管架钻采平台为例，其上部组块所受波浪和流力合力大小约为6 000 t，但这部分力最终都表现为导管架平台的基底剪力，几乎对8根组块腿不产生挤压力或分离力。

浮式平台是深水油气田开发重要平台，以半潜式生产平台、张力腿平台、单柱式平台较为常见，其结构分为上部组块、船体、系泊系统（或张力腿）和桩基础4部分。其船体结构刚度与导管架平台相比较弱；用于固定平台的系泊系统（或张力腿）刚度则更弱，如图2所示。

浮式平台的上部组块受到的环境荷载包括风荷载、波浪荷载。与固定式平台不同的是，浮式平台上部组块受到的波浪荷载作用效果分为两部分：1）由于浮式平台多为四立柱的半潜式船体结构，且船体刚度较弱，不同相位的波浪作用于船体会产生较大的挤压力、分离力及扭转力；2）上部组块随着船体一起在波浪中运动产生的加速度荷载。以南海某张力腿平台为例，其所上部组块所受挤压力（分离力）约为7 000 t。

2 浮式平台上部组块的结构形式

浮式生产平台上部组块的功能主要分为两方面：1）提供空间，包括上部设备设施的安装及操作空间、管线电缆的布置空间、安全及救逃生集合空间、日常办公生活空间等；2）保证强度，包括上部设施的支撑强度、陆地建造强度、海上运输及施工强度、在位状态下的风浪流及地震等强度。

近年来，各类新建浮式生产平台的上部组块根据其结构形式主要可分为箱型组块、桁架型组块及混合型组块3类，如图3所示。

根据统计发现，在服役的浮式平台中半潜式生产平台上部组块结构形式较为多样，既有箱型又有桁架型和混合型；在服役的张力腿平台几乎全部采用桁架型组块；单柱式平台几乎全部采用桁架型组块。

其中桁架型组块根据其受力特点可分为承载式、非承载式、Seastar式和平衡式4种形式。

相对于钻井平台来说，生产平台要求的甲板空间和可变载荷有所差别，生产平台因有大量的油气处理设施，需要较多的开放式甲板空间便于设备通风，因此生产平台采用桁架型组块较多。

2.1 半潜式生产平台

1975年，世界上第1座半潜式生产平台Argyll FPF诞生，它由Transworld 58号半潜式钻井平台改造而成，作业于北海海域Argyll 油田。该平台为一代半潜式钻井平台，上部组块型式单层甲板无横撑设计。

在服役的半潜式生产平台中有9座采用箱型组块，7座采用桁架型组块，7座采用混合式组块[3]。

箱型甲板的主要特点是：甲板由板格结构构成，相对封闭，上部甲板载荷可以通过板格构成的舱壁直接传递到立柱的舱壁上。其优点为：总体强度好；甲板与船体的连接简单；可以为平台提供大倾角稳性。缺点为：建造难度较大；用钢量较大。

桁架式甲板主要由桁架结构构成开放空间，上部甲板载荷经由强梁传递到与立柱上。其优点为：甲板与船体相对独立，可以分开建造，利于选择建造资源甲板钢结构重量小。缺点为：组块与船体连接处受力集中，疲劳问题严重。

混合式甲板由板和桁架结构共同构成，一般四角为板壳结构，之间通过桁架结构连接，上部甲板载荷经由四角的板格结构传递到立柱的舱壁上[4]。优缺点介于箱型甲板和桁架型甲板之间。

2.2 张力腿平台（TLP）

世界上第1座真正应用于实际生产的 TLP是Hutton平台，它在 1984 年由 Conoco 公司安装到了北海Hutton油田，就位水深 157 m[5]。其上部组块采用了导管架平台常用的桁架型结构。在其后陆续建造的Auger，Mars，Marlin，Malikai等TLP平台上部组块全部采用桁架型结构。

按主体类型的不同，张力腿平台可以分为传统式张力腿平台（CTLP）、延伸式张力腿平台（ETLP）、海星式张力腿平台（Seastar TLP）和MOSES张力腿平台（MOSES TLP）4类[6]。根据其不同的船体结构形式，其上部组块结构受力形式也有较大差异，因此桁架型的TLP平台上部组块根据其受力形式又可分为承载式、非承载式、Seastar式。

1）承载式（Integrated topsides ）。上部组块结构承受挤压和拉伸荷载以及运动引起的加速度。承载式组块自身刚度较强，在组块下方的船体立柱之间不设置斜撑结构。如图4所示，其代表平台为Auger，Mars等TLP。

2）非承载式（Top hull frames）。在组块与船体对接腿下方的4个立柱间设有较强的斜撑，因此上部组块结构不承受挤压和拉伸荷载，仅承受运动引起的加速度。虽然不承受挤压和拉伸荷载，但由于4个立柱间距较大，非承载式组块自身也有较高刚度要求。如图5所示，其代表平台为Auger，Mars等TLP。

3）SeaStar式。因其船体结构由单浮筒构成，组块对接腿位于单浮筒上方，上组组块随船体整体运动，不承受挤压力和分离力，仅承受加速度。但在连接处有较大的弯矩。如图6所示，其代表平台为Auger，Mars等 TLP。

2.3 单柱式平台（Spar）

立柱式平台（Spar）的主体由单个或多个竖直柱形浮体与下部桁架及压载舱组成，支撑上部模块[7]。1996 年Oryx 能源公司在墨西哥湾水深590 m 的Viosco knoll 826 区块安装了第1座Spar 油气开发平台Neptune，标志着第1代Classic Spar 平台的诞生[8]。其上部组块采用了导管架平台常用的桁架型结构。

后续设计建造的Spar平台的上部组块结构形式较为统一，基本全部为桁架形式。Spar平台上部组块受力特点与功能需求与SEASTAR式TLP平台类似，二者上部组块结构形式基本一致。

3 结构设计关键点

浮式平台上部组块的结构形式多样、受力复杂，其结构设计与常规固定平台有所区别。总体来看，浮式平台上组块结构设计始终围绕如何减重和改善疲劳性能2个重要方面开展。本文以桁架型承载式组块为例总结其结构设计与常规固定平台的不同点及关键点。

1）结构设计控制工况

以在位强度要求设计平台，其他运输安装工况通过加临时结构解决。

2）结构材料选择

常规固定平台的上部组块结构材料选择常常是强度和刚度控制，浮式平台受强度和刚度控制外，疲劳更需控制。钢材强度的提高并不能提高结构的抗疲劳性能。超高强钢的选用应综合权衡结构杆件的强度水平和疲劳寿命。特别是疲劳关键部位选用超高强钢，由于许用应力的提高，结构应力水平高，反而缩短疲劳寿命。

3）空间构型

变截面梁较多以降低实际应力；所有节点都尽量采用圆弧过渡/坡过渡，改善力的传递路径，避免结构突变，减小应力集中。

4）组块与船体连接结构高度疲劳敏感性

承担组块与船体对接及在位状态下的荷载，高度一般为1～3 m，由于组块和船体的全部荷载均通过此对接结构传递，因此该结构的强度和疲劳性能要求非常高。个别实际项目中为达到强度和疲劳性能的双重要求可能采用铸造材料。

浮式生产平台上部组块结构设计分析方法与固定平台基本一致，但由于其结构形式、受力特点、合拢方案等不同，导致各计算分析的要求与固定平台有一定差异。因浮式平台上部组块一般不受地震影响，因此无需进行地震分析。需注意在位分析的船体刚度、各类施工临时结构刚度的模拟。

4 结 语

随着海洋石油不断向深水挺进，各类浮式生产平台的应用越来越广泛。通过本文所叙述的浮式生产平台上部组块受力特点、结构形式、结构设计关键点可见，浮式平台上部组块在选型和设计中与常规固定平台有较多不同。

结构选型是浮式平台前期设计阶段一项重要工作，开展结构选型时应综合考虑船体的结构形式及其与组块的连接方式、上部组块重量、拖航稳性、安装方式等方面。

开展浮式平台上部组块结构设计时，应注意其与常规固定式平台上部组块设计的区别：包括结构形式、材料、功能方面的区别；规范、设计工况、方法及侧重点变化等方面的变化。在设计过程中应始终围绕减重和改善结构疲劳性能2个重要方面开展。

参考文献：

[1]付殿福. 非线性载荷下半潜式平台强度评估方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学. 2010.

[2]范模. 深水半潜式生产平台总体设计思路与应用前景[J]. 中国海上油气, 2012, 24(6): 54–57.

[3]杜庆贵, 冯玮, 时忠民, 等. 半潜式生产平台发展现状及应用浅析[J]. 石油矿场机械, 2015, 44(10): 72–78.DU Qing-gui, FENG Wei, SHI Zhong-min, et al. Preliminary study on development and application of SEMI[J]. Oil Field Equipment, 2015, 44(10):72–78.

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[5]闫功伟. 新型深吃水多柱延伸式张力腿平台的概念设计与耦合运动响应分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学. 2013.

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[8]黄维平, 白兴兰, 孙传栋, 等. 国外Spar 平台研究现状及中国南海应用前景分析[J], 中国海洋大学学报(自然科学版)2008,38(4): 675–680, 63.