渤海井口平台标准化结构设计面压载荷法

王晓蕾，杨文希，董 滨，文 宇，高 伟

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

我国渤海油田有着近40年的开发经验，渤海海域已建成的固定式平台有150余座[1]。对渤海已建平台进行深度研究分析，以渤海海域拟建项目为目标，以系列化工程设施标准化为手段进行渤海海域平台标准化设计，形成技术成熟、方案合理、专业齐全的系列化和标准化设施方案和设计文件，可缩短设计、采办、建造周期，加快渤海油田建设速度，提高油田开发效率[2]。

以往的平台结构设计均根据各工程项目的总体布置和具体设备设施数据等条件来进行，载荷的加载需要根据每个设备设施的准确重量控制(简称“重控”)信息，然而标准化组块结构设计是在没有具体的工艺流程和总体规划的基础条件下开展的，形成的标准化平台结构方案需要适应多种设备分布。因此，常规的载荷加载方式并不适用于标准化结构设计，需要找到一种适用性好的加载方式来近似等效替代常规加载方法，并保证合理的设计裕量。为此，分析对比以往项目经验，选取典型平台进行载荷研究，明确以分层、分区域的面压加载法替代常规载荷模拟，形成一套适用于标准化平台的面压推荐值，用于后续上部组块的标准化设计。

1 面压研究

1.1 典型平台定义

对已建设施进行对比分析，综合目前渤海平台的结构形式、总体布置、面积、轴距、结构自重及操作重、井槽数量、海上安装方式、生活楼和修井机等主要设备设施的布置情况等确定以面积、轴距等为主要因素，根据井槽数量、钻修井配置、生产规模等将组块进行系列化分类，分为4大类，共11个子类。选取其中一个子类作为用于面压研究的典型平台，其设计规模如表1所示。

表1 典型平台设计规模

1.2 面压设计法的确定过程

1.2.1 面压概述

根据井口平台设备设施的特性，将上部模块载荷分为确定载荷和不确定载荷。确定载荷是可以提供明确重控的载荷，可对其重量、重心、尺寸、位置作出限定，可用常规重控方式加载，如生活楼和钻修机反力。标准化平台上部模块的设备设施根据不同的厂家资料和生产工艺，有多种多样的布置形式，重量、尺寸和位置有多种可能性，这部分载荷为不确定载荷。为保证标准化平台可适用于多种总体布置方案，将不确定载荷用面压载荷进行等效替代，即在规定区域内选定一个以kN/m2为单位的均布载荷，使其对结构产生的效果与局部集中载荷的效果趋于相同。

根据典型平台总体布置，上部模块载荷主要包括结构自重、修井机反力、生活楼反力等确定载荷，以及结构附属构件载荷、设备设施载荷、活载荷、修井机附属设施载荷等不确定载荷，用面压加载。典型平台上部模块载荷构成[3]如表2所示。

表2 典型平台上部模块载荷构成

1.2.2 面压取值

国内外已投产的井口平台较多，选取若干个已投产具体项目中的样本平台进行载荷研究[4]，主要内容如下：

(1)选取样本平台包括具有代表性的国际项目，如蓬莱19-9、阿联酋BELBAZEM、陵水17-2，以及渤海海域与典型平台规模相近的秦皇岛32-6项目、渤中34-9项目、渤中29-4项目、旅大10-1项目、绥中36-2项目等14座井口平台进行载荷研究，对载荷的区域划分、载荷取值进行对比分析[5]。

(2)上部模块载荷区域划分主要依据总体布置方案，针对不同功能区域将平台各层甲板划分为设备区、房间、走道、井口、卸货区，其中的设备区可根据具体项目情况再细分为若干类。

(3)载荷取值数据分析主要依据重控报告和计算报告，通过计算汇总几处区域所施加的载荷总数，得出施加在各区域上的均布载荷。各平台的处理能力、生产工艺各不相同，各平台配置的设备设施有所差异，均布载荷也有所差异。

通过对比分析，最终形成一套均布载荷数据作为标准化设计面压的基础数据，如表3所示。

表3 在役平台不同区域载荷基础数据

续表3 在役平台不同区域载荷基础数据

(4)典型平台顶层甲板为钻修机甲板，主要设施为HXJ180-C型修井机及相关附属设施。因此在载荷研究样本平台中再选取使用了HXJ180-C型修井机的样本平台，包括曹妃甸6-4 CEPA、渤中34-9CEPA、旅大16-3 CEPA等6座平台，统计分析钻修机设施载荷。修井机载荷包括修井机支点反力和相关配套设施载荷，其中：修井机支点反力可通过修井机厂家资料确定，属于确定载荷；相关配套设施载荷(包括管堆场、泥浆系统、钻井附属设施)属于不确定载荷，需用面压加载。表4列举了渤海使用HXJ180-C型修井机的在役井口平台配套设施载荷取值。

表4 HXJ180型修井机配套设施载荷基础数据

1.3 典型平台面压区域划分和面压推荐值确定

根据典型平台总体布置图，将甲板按使用功能划分为若干个区域。将不同配置的设备设施统一划归为设备区，例如换热设备、化学药剂、生产管汇等设备所占用的整个面积统一划归为设备区；将开关间、控制间、变压器间等范围划归为房间区；平台的安全通道和井口分别划归为走道区、井口区；平台的顶层甲板布置修井配套设施，划分为管堆场、泥浆系统和附属设施区。平台各层甲板总体布置和面压分区加载信息如图1～ 图5所示。

对国内外大量在役井口平台载荷数据进行对比分析，给出典型平台面压取值推荐值，如表5所示。

单位：mm图1 顶层甲板总体布置和面压加载信息

单位：mm图2 中层甲板总体布置和面压加载信息

图3 夹层总体布置和面压加载信息

单位：mm图4 下层甲板总体布置和面压加载信息

单位：mm图5 工作甲板总体布置和面压加载信息

表5 典型平台面压推荐值

续表5 典型平台面压推荐值

1.4 典型平台载荷汇总

根据面压区域划分和面压值可计算典型平台不同功能区域的载荷。计算结果表明，平台甲板面积为4 716 m2，面压载荷总计51 549 kN，即5 260 t，主结构自重可由SACS软件模拟得出，修井机反力和生活楼反力由相关设计方提供，则平台操作重量为84 735 kN，即8 646 t。典型平台重心为(-2.08 m，4.08 m，24.59 m),操作重量汇总如表6所示。

表6 典型平台操作重量汇总(面压加载)

2 面压合理性论证

将加载的面压值分别与重控值及在役平台重控统计值进行比较，并用SACS对平台结构进行在位分析，对比杆件在面压和重控下的UC值。

2.1 典型面压值与标准化重控值对比

汇总典型平台上部模块各专业标准化设计方提供的一版重控，得出在重控条件下的平台总重，从而对典型平台重控和面压进行对比。典型平台重心为(-2.08 m，3.83 m，25.44 m)，重控如表7所示。

对比表6与表7，可得出：

表7 典型平台重控

(1)被面压取代的集中载荷为机械、暖通、配管、电气、仪表、通信、安全、舾装、管堆场、修井附属设施、泥浆系统、起重机，这部分重量为2 546 t，则面压值为重控值的2.06倍。

(2)面压加载的典型平台总重是重控加载的1.35倍。

(3)通过重控加载的典型平台重心与面压加载的重心的x坐标和z坐标相近，而面压加载的y坐标偏心更大，可满足组块重心的包络要求。

2.2 典型平台面压值与在役平台载荷统计值对比

目前渤海湾在役四腿中型井口平台有14座，平台面积为3 495～4 518 m2，操作重量为4 241～5 922 t，结构用钢量为1 162～1 794 t，最大单位面积操作重为1.45 t/m2，因此标准化平台的单位面积操作重设计值推荐取1.45 t/m2。

由此可以得出面积为4 717 m2的典型平台操作重量设计值为4 717 m2×1.45 t/m2≈6 840 t。则面压加载的操作重是设计值的1.26倍。

2.3 结构整体计算校核

采用SACS软件对典型平台结构模型进行整体在位分析计算，典型平台结构3D模型通过SACS软件模拟，模型如图6所示。

图6 SACS模型

在其他载荷取值完全相同的情况下，分别采取标准面压法和重控加载两种方式进行结构在位分析计算，比较相同杆件在不同加载方式下的UC值。UC值对比表如表8所示。

表8 UC值对比表

结构整体计算结果分析如下：

(1)相同主要构件按面压加载得到的最大UC值大于按重控加载的UC值，且误差不大，说明对主结构来说两种加载方法的结构响应规律较为一致，采用面压加载替代真实平台载荷加载具有一定的可行性。

(2)各层甲板主梁UC值误差不大于10%，说明采用面压加载的载荷推荐值满足设计需求，且不会过于保守。

(3)主腿、立柱、斜撑UC值的误差跨度较大，这是由于面压加载的操作重大于重控加载的载荷，反应在主腿、立柱、斜撑上的UC值倍数关系符合操作重的倍数关系。

3 结 论

对渤海现役井口平台载荷数据进行统计和对比，总结国内外工程项目井口平台设计经验，提出一套适用于渤海标准化井口平台的面压设计方法，并对面压加载的载荷推荐值进行分析和验证。对标准化平台结构设计提出以下结论和建议：

(1)使用面压加载设计方法进行标准化平台结构设计可保证平台结构对于多种总体布置方案的适应性，消除不确定载荷对结构设计的影响。

(2)标准化平台的面压载荷与集中载荷呈一定倍数关系，面压载荷需大于集中载荷，但倍数需控制在合理范围内，典型平台的面压载荷是其集中载荷的1.8倍，同时在面压加载下得出的平台总重是集中载荷下得出的平台总重的1.3倍，经过结构校核，此倍数关系与结构杆件UC值的倍数趋势一致。

(3)面压加载的合理性需考虑重心的包络性。

面压设计方法的提出积极推动了标准化结构设计进程，相对于常规项目设计流程，面压方法可快速确定组块主结构布局，节省项目初期的设计人力和工时，有利于确定建造和安装等施工资源，推动渤海地区标准化设计的重大发展。