劉 娟，王 亮，李晨光

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

我國(guó)渤海、南海分布著眾多小型邊際油氣田，若按常規(guī)方式和技術(shù)開(kāi)發(fā)這些油氣田，則不具備開(kāi)采效益。因此，尋求一種能降低開(kāi)發(fā)投資、提高經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)安全可靠的新技術(shù)成為必然趨勢(shì)，簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)使小型邊際油氣田的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)成為可能。簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)發(fā)展至今已有30 多年歷史，其結(jié)構(gòu)型式表現(xiàn)出多樣化，美國(guó)開(kāi)發(fā)的MOSS 簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)，主要采用裙樁支撐垂直導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、LL&E 簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)，為裙樁三腳導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)也發(fā)展迅速，主要有獨(dú)柱多樁式、兩柱三樁式和三柱三樁式3 種結(jié)構(gòu)型式。不同類(lèi)型的簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)適合的水深和海況條件不同，因此對(duì)簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型研究十分必要。本文主要針對(duì)中石化南海北部灣某小型邊際油氣田進(jìn)行簡(jiǎn)易導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)，通過(guò)方案對(duì)比研究，形成推薦方案，為開(kāi)發(fā)該小型邊際油氣田導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)概述

簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理、方法和手段與常規(guī)導(dǎo)管架平臺(tái)并無(wú)區(qū)別，應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也相同，但需重點(diǎn)考慮的內(nèi)容有所不同[1]。由于簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冗余度較小，因此需特別考慮平臺(tái)的疲勞分析；在進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，需控制安全余量、考慮適度的強(qiáng)度儲(chǔ)備，因此有必要進(jìn)行倒塌分析。本文針對(duì)簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)，主要從靜力分析、疲勞分析和倒塌分析三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

1.1 靜力分析

靜力分析是海洋平臺(tái)最基礎(chǔ)的分析，目的是確保海洋平臺(tái)在操作和極端環(huán)境條件下具有承受上部設(shè)施荷載的能力，滿(mǎn)足油氣田開(kāi)發(fā)的需要。本文運(yùn)用海洋工程分析軟件SACS，評(píng)估了平臺(tái)結(jié)構(gòu)在操作環(huán)境工況和極端環(huán)境工況下，構(gòu)件的整體應(yīng)力水平情況，保證其不超過(guò)許用應(yīng)力。分析計(jì)算時(shí)，操作環(huán)境工況采用一年一遇環(huán)境條件，極端工況采用百年一遇環(huán)境條件，根據(jù)API RP 2A[2]規(guī)定，極端風(fēng)暴工況下，允許構(gòu)件的許用應(yīng)力增大1/3。

1.2 疲勞分析

處于海洋環(huán)境中的導(dǎo)管架平臺(tái)由于長(zhǎng)期遭受隨機(jī)波浪荷載的作用，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的應(yīng)力，平臺(tái)抵抗這種交變應(yīng)力的能力隨著時(shí)間的累積而逐年降低，這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低的現(xiàn)象即為疲勞破壞。對(duì)于單腿導(dǎo)管架平臺(tái)，腿柱上的管節(jié)點(diǎn)極易發(fā)生低周疲勞破壞[3-4]，因此，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到提高節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的能力至關(guān)重要。

本文采用線性累計(jì)損傷法中的譜分析法評(píng)估管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，該方法主要根據(jù)應(yīng)力循環(huán)（SN）曲線計(jì)算每一級(jí)的荷載造成的損傷，按照Miner 準(zhǔn)則通過(guò)累積損傷度估算節(jié)點(diǎn)疲勞壽命。選用美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)的推薦做法估算管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命。

1.3 倒塌分析

海洋平臺(tái)作為大型超靜定鋼結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)階段通常具有一定的強(qiáng)度冗余，即當(dāng)某一局部桿件達(dá)到屈服強(qiáng)度后，平臺(tái)仍有可能繼續(xù)承受較大的荷載[5-6]。因此，需要通過(guò)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行倒塌分析來(lái)評(píng)估平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。

本文運(yùn)用DNV 研發(fā)的結(jié)構(gòu)有限元軟件USFOS進(jìn)行簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)的倒塌計(jì)算分析。USFOS 軟件在結(jié)構(gòu)遭受碰撞或損壞后的完整性評(píng)價(jià)、倒塌分析等方面表現(xiàn)突出，能夠較精確地模擬平臺(tái)結(jié)構(gòu)從屈服到完全變形直至最后傾倒的全過(guò)程。倒塌分析采用百年一遇的環(huán)境條件，垂向荷載一步加載到平臺(tái)結(jié)構(gòu)上，水平環(huán)境荷載實(shí)行分步加載，直至平臺(tái)發(fā)生倒塌，倒塌時(shí)的環(huán)境力系數(shù)即為結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)（RSR），通常用來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體安全性能，根據(jù)規(guī)定，RSR 設(shè)計(jì)值一般不小于1.6[7]。

2 分析研究實(shí)例

本文選定我國(guó)南海北部灣某油田作為目標(biāo)研究區(qū)塊，該油田屬于邊際油田，水深50 m（海圖水深）。針對(duì)該區(qū)域海洋環(huán)境條件和油田產(chǎn)量，并結(jié)合各類(lèi)型簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，初步選定單腿三樁的簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)作為研究對(duì)象，平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命為20 年。在滿(mǎn)足油田正常生產(chǎn)的情況下，進(jìn)行了最簡(jiǎn)化設(shè)備配置，組塊上不設(shè)油氣處理設(shè)施，不設(shè)生活樓、火炬臂和直升機(jī)甲板，油氣水通過(guò)海管混輸?shù)街苓吰脚_(tái)進(jìn)行處理。為了對(duì)結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)選，在保持主腿柱、相同部位拉筋尺寸不變和組塊設(shè)備荷載相同的情況下，分別設(shè)計(jì)了方案一（獨(dú)立樁腿型式）和方案二（主立柱兼作樁腿）兩種結(jié)構(gòu)型式（圖1）。

圖1 兩種方案結(jié)構(gòu)模型

2.1 設(shè)備配置

該簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)在滿(mǎn)足生產(chǎn)要求情況下，按照最簡(jiǎn)化原則進(jìn)行設(shè)備配置[8]。平臺(tái)設(shè)備配置見(jiàn)表1，主要配備主工藝系統(tǒng)、開(kāi)閉排（放空）系統(tǒng)、化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)、公用系統(tǒng)及消防救生系統(tǒng)等。

本簡(jiǎn)易平臺(tái)上部甲板分為主甲板和二層甲板，其中二層甲板上主要布置配電間和儲(chǔ)藏間。在設(shè)備布置時(shí)進(jìn)行了整體考慮，各設(shè)備之間留有一定的空間，既能保證工藝流程合理順暢并能滿(mǎn)足操作、維修等需要。組塊甲板布置圖見(jiàn)圖2。

2.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

導(dǎo)管架主腿柱直徑選為1 727 mm（68 in），隔水套管布置在主腿柱內(nèi)，直徑選為610 mm（24 in），鋼樁直徑選為1 372 mm（54 in），入泥深度40 m。組塊主甲板尺寸為14 m×14 m。

2.3 靜力分析

靜力分析考慮了環(huán)境荷載和使用荷載對(duì)平臺(tái)的作用，其中：環(huán)境荷載包括風(fēng)、浪、流等荷載；使用荷載指平臺(tái)在位使用期間，平臺(tái)本身及上部設(shè)施產(chǎn)生的重量荷載。組合載荷考慮了可能的最不利的荷載組合，包括結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備重量、設(shè)備操作重量、活荷載、操作環(huán)境荷載、極端環(huán)境荷載等，荷載組合系數(shù)見(jiàn)表2。靜力分析主要包含4 個(gè)輸入文件，分別為模型文件（sacinp）、海況文件（seainp）、樁土文件（psiinp）和節(jié)點(diǎn)校核文件（jcninp）。海況文件主要包含潿洲海域的風(fēng)、浪、流、海生物等參數(shù)，參照相關(guān)報(bào)告輸入。樁土文件包含土壤參數(shù)，程序根據(jù)輸入的psiinp文件生成相應(yīng)的樁土非線性彈簧。節(jié)點(diǎn)校核文件主要設(shè)置了節(jié)點(diǎn)校核標(biāo)準(zhǔn)，并定義需要校核的節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)，程序按照節(jié)點(diǎn)編號(hào)及校核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一校核。

表1 簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)備表

圖2 組塊甲板布置圖

表2 荷載組合系數(shù)表

對(duì)兩種方案的簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行靜力分析，得到圖3 所示的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，兩種方案下結(jié)構(gòu)的UC 值均小于1，符合規(guī)范要求。方案一中，最大應(yīng)力發(fā)生在桿件LG2, 主腿柱和拉筋的連接桿件處，最大UC 值為0.52。方案二中，各桿件受力較均勻，最大應(yīng)力發(fā)生在桿件LG3，同樣為主腿柱和拉筋的連接位置處，最大UC 值為0.28，從靜力結(jié)果分析可知，兩種方案均沒(méi)有出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 靜力計(jì)算應(yīng)力云圖

2.4 疲勞分析

在疲勞分析之前需使用DYNPAC 模塊分析結(jié)構(gòu)固有頻率，以便確定采用動(dòng)態(tài)譜疲勞還是靜態(tài)譜疲勞分析方法。DYNPAC 程序模塊可生成結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，包括特征值/固有頻率和特征向量/模態(tài)形狀。為了得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的適當(dāng)代表值，并不需要把所有振型都包括在內(nèi)，按質(zhì)量參與系數(shù)的大小進(jìn)行篩選。模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表3，其中，方案一列出前4 階模態(tài)，方案二列出前5 階模態(tài)。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

考慮到單立柱平臺(tái)節(jié)點(diǎn)少，節(jié)點(diǎn)疲勞分析至關(guān)重要，本項(xiàng)目采用譜疲勞方法對(duì)簡(jiǎn)易平臺(tái)兩種方案分別進(jìn)行了疲勞分析，S-N 曲線采用“API X”。平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命20 年，采用增加1 年壽命來(lái)考慮運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的疲勞損傷，疲勞分析中平臺(tái)需滿(mǎn)足21 年疲勞壽命要求（考慮5 倍安全系數(shù)）。SACS 疲勞分析主要流程見(jiàn)圖4。

疲勞分析結(jié)果顯示，兩種方案的疲勞壽命均滿(mǎn)足規(guī)范要求。方案一最小疲勞壽命為70.52 年，發(fā)生在2001 節(jié)點(diǎn)（2001-203S）；方案二最小疲勞壽命發(fā)生在301L 節(jié)點(diǎn)（301L-2001），疲勞壽命為24.57 年，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)譜疲勞分析流程

表4 最小疲勞壽命點(diǎn)

2.5 倒塌分析

倒塌分析中考慮樁-土相互作用，土壤數(shù)據(jù)根據(jù)《平臺(tái)軸向樁承載力設(shè)計(jì)參數(shù)表》輸入，模型中土壤直徑越大，表示土層越強(qiáng)。倒塌分析計(jì)算時(shí)主要考慮的荷載包括：結(jié)構(gòu)垂向荷載（甲板設(shè)備荷載、活荷載、陽(yáng)極塊重量和結(jié)構(gòu)自重）和結(jié)構(gòu)水平荷載（環(huán)境荷載）。在USFOS 中設(shè)置分析步數(shù)為50 步，最大加載步長(zhǎng)為1，最小步長(zhǎng)增量0.01。分析中選取了八個(gè)典型方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°）施加環(huán)境荷載。環(huán)境荷載用百年一遇環(huán)境條件（表5）。

表5 百年一遇環(huán)境參數(shù)

在實(shí)際分析過(guò)程中，由于風(fēng)荷載對(duì)上部組塊的影響較小且在倒塌分析中不起主要作用，因此，此次計(jì)算分析忽略風(fēng)荷載的影響。

對(duì)5 種荷載及8 個(gè)環(huán)境力工況進(jìn)行組合分析，得到兩種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)的倒塌分析結(jié)果，用儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)RSR 來(lái)表示平臺(tái)的極限承載力，分析結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6 看出，兩種方案的導(dǎo)管架平臺(tái)都具備一定的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)，均滿(mǎn)足規(guī)范要求，整體上方案一的平臺(tái)結(jié)構(gòu)承載力更大。在270°環(huán)境力載荷方向上，方案一RSR 最大值達(dá)3.1，即在百年一遇環(huán)境工況下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)仍能承受2.1 倍的極端環(huán)境載荷。方案二中，各方向上RSR 系數(shù)相差不大。

表6 兩種方案倒塌分析計(jì)算結(jié)果

從0°方向倒塌分析塑性變形圖（圖5）中可以看出，主腿柱和拉筋的節(jié)點(diǎn)處桿件應(yīng)力最大，屬于平臺(tái)結(jié)構(gòu)桿件薄弱區(qū)，與靜力計(jì)算中SACS結(jié)果吻合。兩種方案下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體剛度較大，而樁基相對(duì)薄弱，出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 0°方向倒塌分析塑性變形圖

3 結(jié)論和建議

本文設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)型式的單腿三立柱簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)，方案一為獨(dú)立樁腿型式，方案二為主立柱兼作樁腿型式，分別從靜力、疲勞和倒塌三個(gè)方面進(jìn)行分析研究，得到結(jié)論如下。

（1）靜力分析結(jié)果表明，主樁腿和拉筋的連接桿件為整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)，但兩種設(shè)計(jì)方案仍均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，并且有一定的余量，因此，靜力分析不能作為方案比選的依據(jù)。

（2）疲勞分析結(jié)果表明，方案一中的最小疲勞壽命為70.52 年，遠(yuǎn)大于方案二的最小疲勞壽命24.57 年，說(shuō)明在同樣條件下，方案二簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)更易發(fā)生疲勞破壞。

（3）倒塌分析結(jié)果表明，方案一的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)總體高于方案二，說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體剛性更大，且沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)。兩種方案中，樁為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部分，采用該結(jié)構(gòu)型式時(shí)，建議重點(diǎn)關(guān)注樁基承載力。

（4）通過(guò)綜合分析，選擇方案一獨(dú)立單腿三立柱簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式為推薦方案。