魏曉添

導管架是由導管(或稱腿柱)和連接導管的縱橫桿系所構(gòu)成的空間構(gòu)架。

目前,在海洋油氣中,導管架平臺主要由兩大部分組成:一部分由導管架和鋼管樁組成,用來支承上部設(shè)施與設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),稱為支承結(jié)構(gòu);一部分由甲板及其上的設(shè)施和設(shè)備組成,作為收集和處理油氣、生活及其他用途的場所,稱為上部設(shè)施與設(shè)備。

1 導管架結(jié)構(gòu)的主要形式

1.1 上部結(jié)構(gòu)的主要形式及其特點

導管架平臺上部結(jié)構(gòu)的形式可以分為:桁架式、梁—板—柱組成的框架式以及兼而有之的混合式。桁架式結(jié)構(gòu)特點是整個結(jié)構(gòu)由梁和桁架等構(gòu)件組成,上下層平臺甲板由桁架連接為整體結(jié)構(gòu),承受作用在甲板上的載荷,并通過桁架將載荷傳給導管架及樁基。梁—板—立柱組成的框架式結(jié)構(gòu)其特點是上下層甲板由立柱連接為整體結(jié)構(gòu),承受作用在甲板上的載荷,載荷通過立柱傳給導管架和樁基。混合式結(jié)構(gòu)特點是上下層甲板由立柱或桁架連接成為一個整體結(jié)構(gòu),承受作用在甲板上的載荷,并通過立柱或桁架傳給導管架和樁基。這種結(jié)構(gòu)不僅具有框架式結(jié)構(gòu)的特點,還在梁跨度較大的部位增設(shè)桁架,以增強平臺的總體剛度、增加甲板的承載能力。

1.2 導管架的主要形式

導管架的主要構(gòu)件是導管,導管架按導管數(shù)量的多少分類通常有以下幾種形式:1)三導管導管架。這種導管架有三條呈等邊三角形布置的導管。該種導管架主要用于井口保護平臺、火炬塔支撐平臺以及一些機械設(shè)施支撐結(jié)構(gòu)。2)四導管導管架。該種導管架有四根導管,一般導管布置呈正方形或矩形。該種導管架是海上油氣田開發(fā)中常用的一種結(jié)構(gòu)形式,主要用于井口保護平臺、生活平臺、壓縮機平臺,也常用于油(氣)生產(chǎn)平臺和鉆井平臺。其四根導管根據(jù)使用要求可以設(shè)計成等斜度的,也可設(shè)計成一側(cè)垂直而另一側(cè)傾斜的。3)八導管導管架。這種導管架有八根導管,是用于海上石油開發(fā)的一種典型的結(jié)構(gòu)形式,導管一般按矩形布置,呈雙斜對稱布置,每行有四根導管。該種導管架主要用于綜合平臺,其甲板面積大,承載能力高。

此外,還用六,九,十二,十六,二十四導管的導管架。我國早期安裝的導管架多為十六導管,也有九導管和二十四導管。

2 導管架節(jié)點的連接形式及分類

目前工程中常用的鋼管結(jié)構(gòu)節(jié)點類型有:空心鋼球焊接節(jié)點,螺栓球節(jié)點,半球節(jié)點,扁球形節(jié)點,鋼板節(jié)點,再分桿樹狀節(jié)點,相貫節(jié)點,鼓形節(jié)點,套管節(jié)點。

相貫節(jié)點又稱簡單節(jié)點(simple joint)、無加勁節(jié)點(unstiffened joint)或直接焊接節(jié)點(directly-welding joint)[5]。節(jié)點處只有在同一軸線上的兩個最粗的相鄰桿件處貫通,其余桿件通過端部相貫線加工后,直接焊接在貫通桿件的外表。一般來說,鋼管相貫節(jié)點具有傳力路線明確,受力性能好,承載能力強,構(gòu)造簡單,無附加外凸的節(jié)點構(gòu)件,次要構(gòu)件連接簡便,建筑外表美觀,在實際工程中不僅節(jié)省鋼材和焊接工作量,而且更易于維護保養(yǎng)?；谙嘭灩?jié)點的眾多優(yōu)點,近十年來相貫節(jié)點在空間鋼管結(jié)構(gòu)特別是大跨度建筑鋼管結(jié)構(gòu)中得到了空前的應用。

按照組成節(jié)點的鋼管截面形式分類,鋼管相貫節(jié)點可分為:圓管—圓管相貫節(jié)點、矩形管—矩形管相貫節(jié)點、矩形管—圓管相貫節(jié)點和圓管—矩形管相貫節(jié)點。

按照節(jié)點的幾何形式分類,鋼管相貫節(jié)點可以分為單平面節(jié)點(uniplanar joint)和多平面節(jié)點(multiplanar joint)兩大類。前者為所有桿件軸線處于或幾乎處于同一平面內(nèi)的節(jié)點,否則為空間節(jié)點。在節(jié)點處貫通的鋼管通常稱為弦桿(chord),焊接于弦桿之上的鋼管稱為腹桿(brace)。

工程中遇到較多的平面節(jié)點有:T形(Y形)、X形、K形(N形)、KT形(即在弦桿一側(cè)有三根腹桿的情況)、平面YY形、平面KK形。

根據(jù)節(jié)點中桿件內(nèi)力平衡方式分類:1)當腹桿軸力在垂直于弦桿的垂直分量全部由弦桿橫截面剪力所平衡時,節(jié)點劃分為Y形或T形節(jié)點。2)當腹桿軸力通過弦桿由另一側(cè)腹桿所平衡時,節(jié)點劃分為X形節(jié)點。3)當位于弦桿同一側(cè)的腹桿軸力在垂直于弦桿長度方向能自相平衡時,節(jié)點劃分為K形或N形節(jié)點。(對于有些K形節(jié)點,根據(jù)腹桿軸力垂直分量的平衡方式劃分節(jié)點類型的原則,斜腹桿軸力的50%由豎腹桿平衡,另50%由弦桿橫截面剪力所平衡,因此劃分為部分K形節(jié)點、部分Y形節(jié)點。

3 導管架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

在海洋開發(fā)中,導管架平臺被廣泛的采用,主要是由于導管架平臺具有如下特點:

1)平臺的支撐結(jié)構(gòu)——導管架是以圓鋼管為主要構(gòu)件的鋼結(jié)構(gòu),因此結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好。由于圓鋼管的截面為各向同性,便于加工成型,結(jié)構(gòu)制造方便。此外,圓鋼管呈封閉截面,與海水接觸面積相對較小,有利于防腐;在施工中,還可以利用浮力,減輕結(jié)構(gòu)在海水中重量。

2)由于樁是通過導管架導管或裙筒打入海床,因此在比較惡劣的海洋環(huán)境中,樁打的準、打的直。該種結(jié)構(gòu)適于水深、浪高、風大的海域。

3)打樁作業(yè)可以大大簡化,只要把導管架定位于指定地點,立即就可以進行打樁作業(yè)。這種結(jié)構(gòu)形式是解決海上打樁定位和施工期間穩(wěn)定樁基的有效方法。同時,導管架作為樁基的一部分,可以保證平臺結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4)平臺可以在陸上分塊預制,海上組裝,既能保證施工質(zhì)量,又可以縮短海上吊裝與組裝時間,節(jié)省投資。

5)導管架平臺設(shè)計、制造及安裝技術(shù)成熟、實踐經(jīng)驗多,適用性強。

4 工程應用意義及前景展望

4.1 石油平臺

到目前為止,在油氣工業(yè)中,導管架平臺的應用是比較普遍的,我國的油氣資源十分豐富,石油資源的開發(fā)有著非常廣闊的前景。1966年我國依靠自己的技術(shù)力量在渤海海域成功地安裝了第一座導管架式海洋平臺。近年來隨著近海石油開發(fā)的迅速發(fā)展,我國的平臺設(shè)計、制造和安裝也有了突破性進展。自20世紀60年代以來,已經(jīng)陸續(xù)建造了近百座海上平臺。從渤海、南海以及國外的海上油田開發(fā)來看,水深5 m～200 m范圍內(nèi),導管架平臺是應用最多的一種平臺形式,約占90%以上。并且海上油田開發(fā)實踐證明,這類平臺是比較行之有效的一種結(jié)構(gòu)形式。

而在世界范圍內(nèi),自20世紀40年代美國安裝使用了世界上第一座鋼質(zhì)導管架式平臺(Steol Jaoket offshore Platform)以來,這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為中淺海海洋平臺的主要結(jié)構(gòu)形式。隨著海洋石油開發(fā)的迅速發(fā)展,導管架式海洋平臺被廣泛用于海上油田開發(fā)、海上觀光以及海洋科學觀測等方面。

4.2 海上風力發(fā)電[5]

目前,海上風力發(fā)電場的建設(shè)有兩個發(fā)展趨勢:1)風電場的建設(shè)水深由淺海向深海發(fā)展;2)風力發(fā)電機的單機容量不斷增大[6-8]。由于導管架平臺的結(jié)構(gòu)特點和風機結(jié)構(gòu)規(guī)模的大型化,就決定了在淺海域的各種水深條件下,導管架平臺用于近海風力發(fā)電是比較合適甚至是最好的選擇,比較合適的基礎(chǔ)形式有三腳架式和導管架式兩種。三腳架式基礎(chǔ)類似單樁結(jié)構(gòu),只是采用了標準的三腿支撐結(jié)構(gòu),相對于由鋼管焊接而成的導管架式基礎(chǔ)。

風力機組的塔筒構(gòu)件是高聳結(jié)構(gòu)物,風力機組在工作時,上部結(jié)構(gòu)受到的載荷非常大,因此要求其下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體剛度比較大,能抗較大的傾覆力矩,因此,在近海50 m以內(nèi)的水深范圍,固定式基礎(chǔ)更能滿足要求。而在固定式平臺當中,腿式平臺和牽索塔平臺是屬于柔性支承,整體剛度不如剛性支承的導管架平臺和重力式平臺;由前面分析可知,在未來的風能開發(fā)中,重力式平臺的優(yōu)勢不如導管架平臺。

5 結(jié)語

現(xiàn)代港口的發(fā)展趨勢之一就是港口建設(shè)深水化與外?；?。由于導管架平臺的結(jié)構(gòu)特點,就決定了在淺海域的各種水深條件下,導管架平臺用于建設(shè)深水碼頭是比較合適甚至是最好的選擇。還有,深水油碼頭也同樣可以嘗試采用導管架結(jié)構(gòu)。由于油船噸位大,吃水深度要高于普通船只。而導管架結(jié)構(gòu)在深海打樁作業(yè)可以大大簡化,同時導管架作為樁基的一部分,可以保證平臺結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

[1] 李健民.文昌有天平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].中國海上油氣(工程),2001,13(1):1-3.

[2] 邵炎林,何炎平,關(guān) 宇.構(gòu)造形式對導管架平臺極限承載力的影響[J].中國海洋平臺,2005(46):253-260.

[3] 武俊憲,牛文金,李 琦.遼河海上稠油熱采井口平臺結(jié)構(gòu)分析[J].中國造船,2005(46):253-260.

[4] 許 濱,申仲翰.海洋導管架平臺的極限強度分析[J].中國海洋平臺,1994,12(3):8-16.

[5] 李才志.近海風力發(fā)電導管架平臺結(jié)構(gòu)分析與數(shù)值模擬[D].上海:上海海事大學,2008.

[6] 王興國,周 晶,康海貴.基于穩(wěn)定的導管架海洋平臺的多目標優(yōu)化設(shè)計[J].中國海洋平臺,2001,16(5):5-11.

[7] 陸文發(fā),李林普,高明道.近海導管平臺[M].北京:海洋出版社,1992.

[8] 王興國.導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[D].大連:大連理工大學,2003.