趙志娟 唐友剛 李 焱 吳植融

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 天津 300350； 2. 水利工程仿真與安全國家重點實驗室 天津 300350；3. 上海交通大學(xué)高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 上海 200240； 4. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

隨著海洋油氣勘探開發(fā)的發(fā)展，邊際油田開發(fā)勢在必行[1]。我國近海存在很多邊際油田，其主要特點是油田儲量小、遠離在生產(chǎn)油田、周邊無可依托設(shè)施、開采期短等[2]。傳統(tǒng)的油田開采模式有 “FPSO+固定綜合平臺”、 “FPSO+水下井口”和“水下井口+浮式生產(chǎn)系統(tǒng)+FPSO”等[3]。然而，傳統(tǒng)船形FPSO不具備鉆探和完井功能，必須和水下井口或井口平臺配套使用[4]，且投入成本大、維護費用高，對于儲油量較小或不明確的小油田，存在較大的投資風(fēng)險[5]。

與鋼制平臺相比，混凝土平臺具有良好的抗沖擊、耐久性、造價低、易于維修等特點，可以設(shè)計成多功能、可重復(fù)使用的平臺，適合邊際油田的開采特點[6]。桶形基礎(chǔ)作為一種新型的海洋平臺基礎(chǔ)，在近海邊際油田開發(fā)中有著廣闊的應(yīng)用前景。最早的筒形基礎(chǔ)概念出現(xiàn)于20世紀70年代，其主要特點是海上安裝不需要打樁施工，可重復(fù)使用[7]。

本文借鑒混凝土平臺的特點、桶形基礎(chǔ)可移位的優(yōu)勢和各種新型海洋平臺的設(shè)計思路[8-16]，設(shè)計開發(fā)了一種新型多筒式混凝土生產(chǎn)儲卸油平臺(Multi-Cylinder Concrete Production Storage and Offloading，簡稱MCPSO)。這是一種可重復(fù)的，集鉆修井、生產(chǎn)及儲存外輸一體化功能的新型邊際油田生產(chǎn)開采儲油裝置，增加了鉆探、完井和移位重復(fù)使用等功能，有效降低了邊際油田開發(fā)和維護成本及開發(fā)風(fēng)險，為海上邊際油田開發(fā)提出了一種新的思路和技術(shù)儲備。由于MCPSO的外形和材料特殊，波浪載荷復(fù)雜，本文采用數(shù)值仿真模型分析了平臺受力和設(shè)計強度，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，指出了平臺建造中應(yīng)加強的部位,確保了結(jié)構(gòu)在極端載荷作用下有足夠的強度儲備，為MCPSO的設(shè)計和建造提供了依據(jù)。

1 MCPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計

MCPSO基本設(shè)計原則是適用于邊際油田的開發(fā)，提高邊際油田的開發(fā)效益。

1.1 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

MCPSO主要由上部組塊、主體和吸力樁基礎(chǔ)等3部分組成(圖1)。上部組塊通過甲板腿固定在混凝土主體結(jié)構(gòu)上。主體由6個按圓周布局、緊密連接的單元罐組成，罐體中央形成內(nèi)外海水相連的月池結(jié)構(gòu)。相鄰單元罐的相切位置由一塊底板和頂板連接，使得6個單元罐緊密連接。頂板和底板兼作為吸力樁基礎(chǔ)和接長桿的樁套筒。

圖1 MCPSO三維立體示意圖Fig .1 Three-dimensional schematic diagram of MCPSO

單元罐由混凝土外罐和一個1艙室的鋼制內(nèi)罐組成，內(nèi)罐為原油艙，內(nèi)罐底部與混凝土外罐之間為海水壓載艙(圖1)。內(nèi)外罐的直壁頂端采用滑移固定。外罐內(nèi)壁的中部環(huán)向建造牛腿，用于固定內(nèi)罐的直壁底部。內(nèi)外罐之間留有環(huán)向間隙作為隔離層，隔離層內(nèi)充滿氮氣。

吸力樁基礎(chǔ)具有抗滑移和抗傾覆功能，將外界環(huán)境條件對MCPSO的作用力傳遞至海床。基礎(chǔ)包括6根吸力樁，每根吸力樁上部連接接長桿，固定于接長桿套筒內(nèi)，下部通過樁套筒深入海底(圖1)。海上濕式拖航過程中，吸力樁基礎(chǔ)升起并臨時固定。平臺到達預(yù)定安裝位置后吸力式基礎(chǔ)貫入海床實現(xiàn)平臺就位；搬遷時，將吸力式基礎(chǔ)拔出海床并升起，從而實現(xiàn)平臺的重復(fù)利用。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

雙層罐的設(shè)計充分利用了混凝土的抗屈曲、防碰撞、耐腐蝕、耐久性強等優(yōu)勢，有效保護了鋼質(zhì)內(nèi)罐。鋼制內(nèi)罐儲油的形式，有效避免了熱油引起混凝土疲勞和開裂的風(fēng)險。雙層罐設(shè)計，儲油罐在內(nèi)部，可保證在事故破損狀態(tài)下原油不會外泄，安全環(huán)保。

混凝土平臺結(jié)構(gòu)自身水下重量較小，靠壓載艙室的排空和壓載時，艙室液體重量的改變實現(xiàn)平臺拖航和就位。平臺儲油和卸油過程中，壓載艙內(nèi)的壓載海水與原油進行等質(zhì)量置換，防止吸力樁基礎(chǔ)反復(fù)承受較大的豎向載荷。

由于重力式平臺基礎(chǔ)建造時一般要避開松散或者較厚的軟土地基，選擇較密實的砂土地基。而混凝土平臺的吸力樁基礎(chǔ)的設(shè)計適用于軟土地基，降低了地基的處理難度和工程量。同時，拖航過程中升起的吸力樁充當浮筒的效果。由于吸力樁的可重復(fù)使用和混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，使得MCPSO可以搬遷重復(fù)使用，服務(wù)于多個油田。

總之，MCPSO具有自安裝、海上零調(diào)試、安全環(huán)保、可搬遷重復(fù)使用等優(yōu)勢。

1.3 建造場地

MCPSO平臺設(shè)計以南海烏石東部油田為例。該油田距在生產(chǎn)油田較遠(約80 km)，海域水深14～28 m。MCPSO平臺下部結(jié)構(gòu)和6個吸力樁在塢內(nèi)或岸上可滑移的場地建造。塢內(nèi)進水起浮出塢或者滑道滑移下水，混凝土儲罐和吸力樁形成的氣浮艙共同提供浮力，水線面慣性矩保證穩(wěn)性。然后在碼頭漂浮安裝上部組塊，建造完成后濕拖至油田。如果吃水超過航道水深，需要加臨時浮筒。MCPSO平臺拖航狀態(tài)時總質(zhì)量約為4.8×104t，吸力樁充氣狀態(tài)下拖航吃水約為12 m。根據(jù)目標油田地理位置，可以就近選擇廣西的北海鐵山港和防城港[17]作為建造場地。

1.4 原油外輸

多筒式混凝土生產(chǎn)儲卸油平臺設(shè)計儲油量為2.3×104t。卸油頻率取決于油田的產(chǎn)油量、平臺儲油量和外輸油輪噸位。初步設(shè)計采用2.5×104t外輸油輪，對于100×104t級油田，外輸周期約為7 d；對于50×104t級油田，外輸周期約為2周；對于日產(chǎn)量為1 000 t的油田，3周外輸一次即可。如果外輸油輪噸位較小，則可增加卸油頻率?？傊?，必須保證平臺在實際儲油量增至設(shè)計儲油量之前卸油，從降低外輸操作成本角度考慮，應(yīng)盡可能采用儲油量大的外輸油輪，降低卸油頻率。

2 平臺有限元數(shù)值分析

MCPSO的主要載荷條件為波浪力。本文采用ANSYS軟件研究MCPSO在不同的波浪力作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和鋼結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力分布情況，以確定影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的主要因素，并分析鋼制內(nèi)罐和混凝土罐之間的受力特征。

2.1 水動力模型

采用ANSYS商業(yè)軟件建立MCPSO的三維數(shù)值模型，基于三維勢流理論計算作用于MCPSO表面的波浪力。固定式平臺MCPSO受到的輻射波浪力為零，因此MCPSO受到的波浪力主要由入射波浪力(Froude-Krylov力)和繞射波浪力組成。選擇不同的波浪頻率和入射角進行波浪搜索，得到MCPSO在給定的波浪方向、周期和波浪頻率下的波浪力。應(yīng)用AQWA-WAVE軟件，將AQWA-LINE計算的結(jié)果以面壓力的形式轉(zhuǎn)換成APDL載荷命令流，以壓力和加速度的形式映射到結(jié)構(gòu)有限元模型中，得到MCPSO在設(shè)計波作用下的波浪力[18]。

2.2 MCPSO有限元模型

應(yīng)用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型。主要采用SOLID65、SHELL63、MPC184 和 MASS21等4種單元，將混凝土視為無裂縫的均質(zhì)彈性體，采用ANSYS提供的SOLID65單元(三維結(jié)構(gòu)實體單元)來模擬MCPSO的混凝土結(jié)構(gòu)，單元劃分以計算精度較高的六面體單元為主。采用板殼單元SHELL63來模擬鋼結(jié)構(gòu)，單元劃分以四邊形單元為主。上部組塊質(zhì)量約1×104t，用MASS21單元模擬，簡化成質(zhì)量塊作用于其重心位置。上部組塊和主體之間的剛性約束用MPC184單元來模擬，實現(xiàn)載荷約束點與有限元模型的連接，起到傳力作用，用來傳遞上部組塊的重力載荷和風(fēng)載荷。SHELL單元和SOLID單元連接區(qū)域使用MPC單元連接，保證有限元模型的連通性一致。按照吸力式樁的實際位置，在底部樁套筒處施加固定約束。

2.3 材料參數(shù)與設(shè)計準則

MCPSO采用的鋼強度等級為D36，鋼材密度7 850 kg/m3,楊氏模量210 GPa,泊松比0.3，屈服強度355 MPa，自存工況許用應(yīng)力312 MPa。混凝土強度等級為C40，混凝土密度2 300 kg/m3，楊氏模量3.3 GPa，泊松比0.2,設(shè)計抗拉強度2.15 MPa，抗壓強度23 MPa[19]。

2.4 環(huán)境條件和載荷工況

數(shù)值分析時主要考慮平臺所受到靜水壓強、重力加速度、波浪載荷、風(fēng)載荷、艙室液體載荷和氣相空間壓力。艙室液體載荷和氣相空間壓力以面壓力的形式施加，由于海流引起的環(huán)境荷載較穩(wěn)定，不會對平臺總體結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生明顯影響，所以這部分荷載在分析中暫不予考慮[20]。

選擇百年一遇極限海況作為多筒式可搬遷儲油平臺的設(shè)計海況。有義波高8.8 m，對應(yīng)的波浪周期為10.3 s，設(shè)計工作水深22 m。風(fēng)載荷為定常力作用在上部組塊重心位置。

液體載荷根據(jù)平臺的裝載狀態(tài)分為滿載和空載兩種，以艙內(nèi)液體占艙容的比例來描述艙內(nèi)裝載狀態(tài)。滿載時原油艙內(nèi)裝載97%原油，壓載艙內(nèi)有3%的壓載海水；壓載時原油艙留有3%的原油，壓載艙除了原來的3%的海水外，又增加了相當于94%原油質(zhì)量的壓載海水，以保持艙室內(nèi)部載荷不變。MCPSO艙內(nèi)氣相空間表壓為0.06 MPa，混凝土和鋼制內(nèi)罐之間的隔離層氮氣表壓為0。液體載荷以面壓力形式施加到有限元模型中。

平臺受到的波浪力根據(jù)不同的環(huán)境條件分為靜水工況和波浪工況，選取0°、45°和90°入射角作為主要的波浪方向(圖2)，對結(jié)構(gòu)強度最不利的載荷組合工況作為設(shè)計工況(表1)。

圖2 MCPSO波浪方向示意圖Fig .2 Schematic diagram of wave direction of MCPSO表1 MCPSO設(shè)計工況組合Table 1 Design condition combination of MCPSO

組合工況工況描述工況1壓載+靜水+0°波浪 工況2壓載+靜水+45°波浪工況3壓載+靜水+90°波浪工況4滿載+靜水+0°波浪 工況5滿載+靜水+45°波浪工況6滿載+靜水+90°波浪

3 算例分析

針對南海某邊際油田開采初步確定平臺的主尺寸(圖3、表2)。對不同工況下MCPSO準靜力分析結(jié)果進行對比討論。

圖3 MCPSO尺寸示意圖(單位：m)Fig .3 Diagram of MCPSO dimension(unit:m)表2 MCPSO的主尺度Table 2 Principal dimension of MCPSO

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值吸力樁直徑/m14.0拱頂高度和直徑比0.5接長桿直徑/m3.0空船質(zhì)量/104t4.8混凝土單元罐直徑/m25.0儲油量/104t2.3混凝土單元罐厚度/m0.5滿載/壓載質(zhì)量/104t7.1儲油罐直徑/m23.6設(shè)計吃水/m22.0鋼板厚度/mm28.0

3.1 波浪載荷分析

根據(jù)設(shè)計尺寸建立MCPSO固定式平臺的波浪載荷計算模型(圖4)，模型中藍色部分表示MCPSO水下部分的勢表面單元。導(dǎo)入AQWA-LINE計算MCPSO的波浪載荷，得到給定的波浪方向、周期和波浪頻率下MCPSO的波浪載荷(圖5);再通過AQWA-WAVE將計算的波浪載荷轉(zhuǎn)換成面壓力的形式加載到MCPSO的有限元模型中(圖6)。

圖4 MCPSO三維波浪載荷計算模型Fig .4 Three-dimensional wave load analysis model of MCPSO

圖5 MCPSO平臺X方向波浪力變化曲線Fig .5 Wave force of surge of MCPSO

圖6 MCPSO波浪力分布云圖(單位:N)Fig .6 Distribution of wave force of MCPSO(unit:N)

3.2 MCPSO結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

研究波浪力作用下MCPSO不同位置的應(yīng)力特性，給出滿載工況不同浪向時混凝土外罐(罐頂除外)主拉應(yīng)力云圖(圖7)。由圖7可以看出，波浪能量主要集中在水線面位置附近，因此罐體配筋設(shè)計時須著重關(guān)注混凝土平臺水線面位置附近。

由不同工況時不同位置的拉壓應(yīng)力極值對比(圖8)可見，混凝土底板應(yīng)力主要受裝載情況的影響，滿載時底板的壓應(yīng)力明顯比空載大，分析結(jié)果與實際相符,因此混凝土底板配筋設(shè)計時須根據(jù)艙容和壓載艙裝載情況進行配筋設(shè)計。樁套筒的應(yīng)力分布受到裝載情況和波浪載荷雙重影響，整體受到的壓應(yīng)力較小，滿足規(guī)范要求。但是樁套筒受到的拉應(yīng)力較大，須根據(jù)規(guī)范進行重點校核。由圖7可以看出，相同裝載情況，X向波浪載荷引起的拉應(yīng)力極值比45°方向和Y向的拉應(yīng)力極值大。綜上分析可見，波浪方向?qū)短淄驳睦瓚?yīng)力影響明顯。

圖7 不同工況下MCPSO主拉應(yīng)力分布(單位：Pa)Fig .7 Main tensile stress distribution and location of MCPSO at different loading comditions(unit:Pa)

圖8 不同工況時不同位置的MCPSO拉壓應(yīng)力極值對比Fig .8 Extreme value of tensile stress and compressive stress at different loading conditions and locations for MCPSO

由結(jié)構(gòu)在無波浪載荷作用下壓載和滿載工況下牛腿主壓應(yīng)力云圖(圖9)可見，滿載工況下牛腿受到的主壓應(yīng)力較壓載工況普遍增大,但是壓應(yīng)力極值和位置變化不大。這說明牛腿強度足以承受內(nèi)罐載荷，且具有較大的安全裕度，而牛腿自重是影響牛腿極值的主要因素。

由不同工況下內(nèi)罐Von Mises應(yīng)力云圖對比(圖10)可見，工況1、工況2和工況3的內(nèi)罐應(yīng)力分布基本相同，工況4、工況5和工況6的內(nèi)罐應(yīng)力分布基本相同。取不同工況下內(nèi)罐中縱剖面Von Mises應(yīng)力進行對比(圖11),由于6種工況內(nèi)罐頂端始終存在3%的氣相空間，載荷情況始終保持不變，因此6條曲線在兩端完全重合，符合實際情況?？梢姡b載情況是影響內(nèi)罐應(yīng)力分布的主要因素，外部波浪載荷變化對內(nèi)罐應(yīng)力分布不產(chǎn)生影響。此外，值得注意的是內(nèi)罐直壁上下過渡區(qū)域應(yīng)力較大，出現(xiàn)極值的主要原因在于有限元網(wǎng)格在該過渡區(qū)域出現(xiàn)突變造成的應(yīng)力集中。

圖9 不同裝載情況下MCPSO牛腿壓應(yīng)力云圖 對比(單位：Pa)Fig .9 Main press stress nephogram of corbel at different loading conditions of MCPSO(unit:Pa)

圖10 不同工況下MCPSO內(nèi)罐Von Mises 應(yīng)力云圖對比(單位：Pa)Fig .10 Von Mises stress nephogram of inner tank at different load cases of MCPSO(unit:Pa)

圖11 MCPSO內(nèi)罐中縱剖面上Von Mises 應(yīng)力云圖對比Fig .11 Contrast of Von Mises stress at inner tank longitudinal section of MCPSO

綜上所述，影響混凝土外罐應(yīng)力分布的主要因素有波浪方向和壓載，須根據(jù)不同位置受力情況進行強度校核和配筋設(shè)計;影響內(nèi)罐應(yīng)力分布的主要因素是裝載情況，與波浪力無關(guān)。這表明MCPSO的混凝土外罐對鋼制內(nèi)罐起到有效的保護作用，避免了內(nèi)罐受到波浪載荷的直接影響，而且其獨特的“罐中罐”艙室設(shè)計使得結(jié)構(gòu)受力路徑清晰，充分發(fā)揮內(nèi)外罐各自結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.3 結(jié)構(gòu)強度校核

根據(jù)計算結(jié)果可知，MCPSO鋼制內(nèi)罐的最大應(yīng)力為108 MPa，小于許用應(yīng)力，計算結(jié)果滿足規(guī)范強度要求；MCPSO混凝土外罐的最大壓應(yīng)力為7.5 MPa，滿足規(guī)范設(shè)計強度。因此，MCPSO整體設(shè)計抗拉強度滿足規(guī)范設(shè)計抗拉強度。此外，樁套筒局部出現(xiàn)拉應(yīng)力較大的地方(圖12)，主要出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)線性突變的位置，引起應(yīng)力較大的主要原因是應(yīng)力集中，建造中對樁套筒與主體連接位置進行適當過渡和鋼筋加密布置可以降低局部應(yīng)力，從而避免主體和樁套筒連接位置受拉開裂。

圖12 MCPSO樁套筒局部拉應(yīng)力云圖(單位：Pa)Fig .12 Tensile stress nephogram of locality of pile sleeve of MCPSO(unit:Pa)

3.4 上部組塊及接長桿的影響

MCPSO主體的頂板應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在上部組塊的16條甲板腿的位置，且應(yīng)力變化范圍和分布位置隨著載荷工況的不同基本不發(fā)生改變(圖13)。由此可見，上部組塊作用是產(chǎn)生較大應(yīng)力的主要原因，配筋設(shè)計時須對甲板腿周圍進行著重考慮和局部加強設(shè)計，避免由于上部組塊重力和風(fēng)載荷引起的甲板腿位置失效。

圖13 MCPSO上部組塊對主體的影響(單位：Pa)Fig .13 Influence of the topside on the main body of MCPSO(unit:Pa)

此外，由于MCPSO主體在兩個單元罐過渡連接位置附近應(yīng)力較高(圖14)，因此合理的過渡和配筋設(shè)計可以有效增強混凝土罐體單元罐過渡位置的強度，從而避免局部波浪載荷增大引起的結(jié)構(gòu)失效。

圖14 MCPSO高應(yīng)力區(qū)分布(單位：Pa)Fig .14 Distribution of high stress area of MCPSO(unit:Pa)

4 結(jié)論

1) 針對海上邊際油田的開發(fā)特點，利用混凝土材料和鋼材各自的優(yōu)勢，設(shè)計了多筒式混凝土生產(chǎn)儲卸油平臺(MCPSO)。MCPSO綜合發(fā)揮了混凝土材料、鋼材和吸力式樁基各自的優(yōu)勢，是一種自安裝、海上零調(diào)試、安全環(huán)保、可搬遷重復(fù)使用的海上油氣開采裝置，從材料、施工、安裝等各層面降低了邊際油田的開采成本，為海上邊際油田的開發(fā)提供了一種靈活經(jīng)濟的工程設(shè)施和技術(shù)存儲。

2) 基于ANSYS有限元軟件，建立了MCPSO的波浪載荷計算模型和有限元模型，對平臺的應(yīng)力分布進行了分析。數(shù)值分析結(jié)果顯示，混凝土結(jié)構(gòu)強度變化受到波浪載荷方向和壓載的共同影響，結(jié)構(gòu)整體設(shè)計滿足規(guī)范設(shè)計強度要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理；下一步的工作將在滿足強度的基礎(chǔ)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)需要加強的部位和結(jié)構(gòu)尺寸，以期在滿足強度要求的前提下盡量減輕結(jié)構(gòu)重量?；炷镣夤迣︿撝苾?nèi)罐起到有效的保護作用，避免了內(nèi)罐受到波浪載荷的直接影響，而且其獨特的“罐中罐”艙室設(shè)計使得結(jié)構(gòu)受力路徑清晰，充分發(fā)揮內(nèi)外罐各自結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。上部組塊甲板腿與主體頂板連接位置應(yīng)力較高，接長桿和罐體之間的遮蔽效應(yīng)引起罐體相切位置局部波浪力增大，底部連接板和單元罐連接位置應(yīng)力集中產(chǎn)生較高的應(yīng)力，因此配筋設(shè)計時需要對甲板腿位置與頂板連接位置、樁套筒與主體過渡連接位置和罐體相切位置進行局部加強。