渤海湾海洋平台主结构标准化设计实践

毛建斌，辛晓辉，段艳丽，邓合霞，文 宇

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

0 引 言

渤海油田经过几十年的开发，已经形成了100 多座平台的规模，成为我国最大的海上油田。随着渤海油田设计、建造、安装等综合能力的提高，渤海湾海洋平台主腿、斜撑和框架梁等主结构型式和杆件规格趋向系列化、标准化。

常规海洋平台结构设计是依据确定的油藏、环境条件、工艺流程、总体布置和重控进行的正向设计。项目初期，在前提条件确定后才能进行后续设计，如果工艺流程、总体布置、重控发生变化，则需要重新进行结构计算校核，甚至重新设计，会造成工作的反复，乃至工期的增加。

平台主结构标准化设计是通过研究典型工艺流程和总体区域布置，设计一种适应不同工艺流程和设备布置的系列化海洋平台主结构图库，可与适应渤海不同区域的系列化导管架配套使用，以覆盖大部分渤海湾区域。拟建平台依据储量、油品、工艺流程和井口数等选择对标的标准化平台主结构图，从而实现海洋平台主结构设计的重复使用。小梁按确定规格均匀排列，针对实际项目采用具体设备设施时，其底座加强区域需使用方依据特定的设备设施进行二次设计。

1 主体结构标准化实施前提

渤海湾标准化组块主结构设计需要确定典型的工艺流程、总体布置、重控等前提条件和具有代表性的环境条件来适应目标海域。

1.1 典型工艺流程

常规海洋石油平台设计需要根据确定的油藏和在此基础上研究的工艺流程做定向设计，标准化平台则需要在研究梳理渤海区域油藏和对应的工艺流程基础上选取典型的工艺流程。现以中心处理平台为例，介绍标准化平台典型工艺流程确定过程。

中心平台需处理自产物流和周边井口物流，其中原油处理系统是中心平台上最重要的系统之一，系统影响因素多。常规工艺设计中，配产数据、原油物性、油水比、密度、温度等参数经模拟计算才能确定流程和设备尺寸及台套数。在标准化实施中，通过对渤海区域典型的中心平台的处理流程、油品性质、配产量进行分析研究，得出中心平台配产划档的标准化工艺设计方法，完成系列化的工艺配置及流程图，可满足大部分渤海区域的常规新建中心平台，进而得到典型的平台工艺流程、设备尺寸及台套数。

1.2 典型的总体布置

标准化平台分井口平台和中心平台，井口平台各系列化组块系统配置相对简单明确，依各专业需求开展正向设计，下层甲板考虑了可扩展区域，在不改变主体结构的情况下，可根据具体项目需求方便进行适应性调整，进而增加对设备布置的适用性。

中心平台开展同一单体内部不同工艺配置情况下的多种组合研究，按照重质油全流程标准化总图布置确定最大甲板轮廓；对于中质油/半处理等因设备减少造成的空白区域，考虑集中归集到4 轴东侧；下层和中层甲板4 轴东侧作为弹性布置区域按10 m宽度开展结构设计，如图1 所示，具体项目可根据实际需求自由调整。井口平台下层甲板考虑了可扩展区域，在不改变主体结构的情况下，可根据具体项目需求进行适应性调整，增加对设备布置的适用性。通过弹性布置区域的设置，实现了一套结构图纸适用多种不同工艺系统配置的应用。

图1 总图弹性布置Fig.1 General flexible layout

1.3 环境条件确定

对海洋平台设计影响较大的环境条件主要是风、波浪、流、强冰和地震。风、波、流采用组合形式确定，即将三者组合计算水平方向合力，取最大值对应的风、波浪、流参数作为标准化平台设计参数。针对渤海湾区域，强冰和地震是分区分布的，一般不同时出现，因此，取最大强冰和地震分别与典型的风、波、流进行组合作为环境条件。由此确定的环境条件，基本符合渤海湾海洋平台设计需要的环境条件。

2 主结构标准化实施方案

典型的工艺流程和总体布置等前提条件确定后，将平台进行系列化分类，并在此基础上开展主结构标准化的研究设计。确定主结构标准化实施的具体方案，即确定底甲板标高、安装方案、结构设计荷载、主结构规格、节点形式、计算方法等，以适应目标海域。

2.1 典型平台系列化分类

通过对已建设施对比分析，综合目前渤海湾平台的结构型式、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，确定以轴距、腿数等为主要因素，根据面积、井槽数量、钻修井配置、生产规模等将组块进行系列化分类，将平台分为四大类、11 个系列，如表1 所示。

表1 标准化组块分类Tab.1 Class ification of standardized topsides

2.2 底甲板标高确定

海洋平台各层工艺和总体布置区域相对固定，层间高基本确定，因此，底甲板标高确定后就可以确定平台的立面尺寸。底层甲板标高的确定主要考虑最大波浪下的水质点高度、安全间隙（最小1.5 m）和甲板结构梁高度，以保证波浪不会拍击到结构梁上［1］。《海油石油工程设计指南》［2］推荐了2 个方法计算下甲板标高的最小值，方法一是经验公式，方法二可以使用专业软件计算水质点高度得出。为了保证底层甲板标高能够覆盖整个渤海区域，数据选取时较为保守，以最大的底层甲板标高进行计算，以确保底层甲板标高尽可能满足渤海全域。

2.3 海上安装方案研究

海洋平台安装方式分吊装和浮托安装2 种，其中4 腿组块采用吊装方式，大型8 腿组块采用分块吊装或浮托安装2 种方式均可。受目前国内浮吊能力限制，安装重量较小的8 腿组块可采用分块吊装的方式，安装重量在1 万t以上较大的组块则采用浮托安装。

浮托安装工艺可以实现大型组块的整体安装，能够避免浮吊安装能力的限制而分模块吊装和现场调试，浮托组块的各功能模块组合和调试可以在建造场地完成，从而减少海上的调试时间和人员数量，并降低由此产生的费用。浮托按进船方向分纵向和横向2 种。通过总体布置、滑靴设计及支点反力、单位面积用钢量和面积拓展等主要方面的对比分析，渤海湾标准化浮托安装海洋平台推荐采用纵向浮托形式［3］。

2.4 荷载确定和加载方式

主结构设计主要考察平台主结构在静力、地震、装船、拖航和安装工况上的受力情况。

生活楼、钻修机等大型设施荷载是标准化程度较高的设计成果，作为确定荷载直接使用；针对根据工艺流程确定的各专业设备设施、平台活荷载等，以分区域面压荷载的方式来考虑其不确定性。分析以往国内外项目数据，在典型的工艺流程和总体布置基础上，用分层、分区域的一种标准面压法代替常规的组块载荷模拟，可适应具体的项目［4］。

2.5 节点形式

撑杆与梁相交的节点位置需要加强，通常采用板式或管式筋板形式，如图2 所示。标准化节点采用管状筋板形式，常规板式筋板设计周期长，在总体布置、设备重量重心确定后，先进行整体分析，将各工况的节点受力数据提取出来后再进行筋板节点强度校核，三维建模或CAD出图后才能由加工设计进行主材排版，故设计周期长。管状筋板和主结构同步计算、出图，再由加工设计进行排版，从而缩短设计周期。

图2 管状筋板Fig.2 Tubular steel stiffeners

3 主结构标准化适用性

3.1 不同荷载的适应性

对荷载进行分类研究，区分确定荷载和不确定荷载，确定荷载按照实际重量加载，不确定荷载采用面压形式加载，在没有具体的工艺流程、准确的总体布置情况下完成标准化设计。

对装船、拖航和吊装等安装进行分析，组块上各专业的荷载按照重控数据进行加载，在此基础上再考虑吊装不利方向上0.5 m的偏移，对机械、配管、电气、仪表、舾装、安全等专业的重量额外考虑10%的不确定系数，以通过工况组合的重量作为组块结构校核的基本荷载，并结合不同安装情况进行主结构校核。

3.2 不同环境的适应性

整体校核中，环境数据（风、波浪、流、冰、地震等）的选取覆盖整个渤海海域，因而提高了设计成果的适应性。

以最大的底层甲板标高进行设计计算，提高了设计成果的适应性，通过调节主腿长度，提高了平台的高度适应性，如图3 所示。

图3 高度调整范围Fig.3 Height adjustment

3.3 满足弹性布置

中心平台按照重质油全流程标准化总图布置，从而确定最大甲板轮廓；对于中质油/半处理工艺等因设备减少造成的空白区域，考虑集中归集到4 轴东侧；对相应设备布置进行适当调整。下层和中层甲板4 轴东侧作为弹性布置区域，按10 m宽度开展结构设计，具体项目可根据实际需求自由调整。

井口平台下层甲板考虑了可扩展区域，在不改变主体结构的情况下，可根据具体项目需求方便进行适应性调整，从而增加对设备布置的适用性。

通过弹性布置区域的设置，实现了一套结构图纸适用多种不同工艺系统配置的应用。

3.4 生活楼支撑优化

组块生活楼支撑由传统的支点式变化为连续式支撑，如图4 所示。通过优化生活楼下方的组块支撑大梁，使生活楼在组块上的位置更便于调整。

图4 生活楼支撑形式：支点式和连续式Fig.4 Point or continuous supporting of living quarters

4 结 论

主结构标准化设计实践与常规的设计方案相比，通过结构优化配置和标准化设计，使其在渤海海域内具有很强的适用性，省去了前期结构方案设计环节，减少了基本设计阶段平台主结构建模、计算、绘图、校审等环节的工时，缩短了设计周期，适用于项目前期开发阶段方案的选择、审批及经济评价。同时，此系列组块具备标准化的结构型式、杆件规格和节点形式，是采办、建造、安装等各个板块标准化的基础，可实现组块结构件和节点批量化预制及组装，能有效降低各环节的人力投入、缩短项目周期、降低投资费用。■