毛建斌，辛?xí)暂x，段艷麗，鄧合霞，文 宇

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

0 引 言

渤海油田經(jīng)過幾十年的開發(fā)，已經(jīng)形成了100 多座平臺(tái)的規(guī)模，成為我國最大的海上油田。隨著渤海油田設(shè)計(jì)、建造、安裝等綜合能力的提高，渤海灣海洋平臺(tái)主腿、斜撐和框架梁等主結(jié)構(gòu)型式和桿件規(guī)格趨向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。

常規(guī)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是依據(jù)確定的油藏、環(huán)境條件、工藝流程、總體布置和重控進(jìn)行的正向設(shè)計(jì)。項(xiàng)目初期，在前提條件確定后才能進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)，如果工藝流程、總體布置、重控發(fā)生變化，則需要重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算校核，甚至重新設(shè)計(jì)，會(huì)造成工作的反復(fù)，乃至工期的增加。

平臺(tái)主結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是通過研究典型工藝流程和總體區(qū)域布置，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)不同工藝流程和設(shè)備布置的系列化海洋平臺(tái)主結(jié)構(gòu)圖庫，可與適應(yīng)渤海不同區(qū)域的系列化導(dǎo)管架配套使用，以覆蓋大部分渤海灣區(qū)域。擬建平臺(tái)依據(jù)儲(chǔ)量、油品、工藝流程和井口數(shù)等選擇對(duì)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)主結(jié)構(gòu)圖，從而實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重復(fù)使用。小梁按確定規(guī)格均勻排列，針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目采用具體設(shè)備設(shè)施時(shí)，其底座加強(qiáng)區(qū)域需使用方依據(jù)特定的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。

1 主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施前提

渤海灣標(biāo)準(zhǔn)化組塊主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要確定典型的工藝流程、總體布置、重控等前提條件和具有代表性的環(huán)境條件來適應(yīng)目標(biāo)海域。

1.1 典型工藝流程

常規(guī)海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)需要根據(jù)確定的油藏和在此基礎(chǔ)上研究的工藝流程做定向設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)則需要在研究梳理渤海區(qū)域油藏和對(duì)應(yīng)的工藝流程基礎(chǔ)上選取典型的工藝流程。現(xiàn)以中心處理平臺(tái)為例，介紹標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)典型工藝流程確定過程。

中心平臺(tái)需處理自產(chǎn)物流和周邊井口物流，其中原油處理系統(tǒng)是中心平臺(tái)上最重要的系統(tǒng)之一，系統(tǒng)影響因素多。常規(guī)工藝設(shè)計(jì)中，配產(chǎn)數(shù)據(jù)、原油物性、油水比、密度、溫度等參數(shù)經(jīng)模擬計(jì)算才能確定流程和設(shè)備尺寸及臺(tái)套數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施中，通過對(duì)渤海區(qū)域典型的中心平臺(tái)的處理流程、油品性質(zhì)、配產(chǎn)量進(jìn)行分析研究，得出中心平臺(tái)配產(chǎn)劃檔的標(biāo)準(zhǔn)化工藝設(shè)計(jì)方法，完成系列化的工藝配置及流程圖，可滿足大部分渤海區(qū)域的常規(guī)新建中心平臺(tái)，進(jìn)而得到典型的平臺(tái)工藝流程、設(shè)備尺寸及臺(tái)套數(shù)。

1.2 典型的總體布置

標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)分井口平臺(tái)和中心平臺(tái)，井口平臺(tái)各系列化組塊系統(tǒng)配置相對(duì)簡單明確，依各專業(yè)需求開展正向設(shè)計(jì)，下層甲板考慮了可擴(kuò)展區(qū)域，在不改變主體結(jié)構(gòu)的情況下，可根據(jù)具體項(xiàng)目需求方便進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，進(jìn)而增加對(duì)設(shè)備布置的適用性。

中心平臺(tái)開展同一單體內(nèi)部不同工藝配置情況下的多種組合研究，按照重質(zhì)油全流程標(biāo)準(zhǔn)化總圖布置確定最大甲板輪廓；對(duì)于中質(zhì)油/半處理等因設(shè)備減少造成的空白區(qū)域，考慮集中歸集到4 軸東側(cè)；下層和中層甲板4 軸東側(cè)作為彈性布置區(qū)域按10 m寬度開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1 所示，具體項(xiàng)目可根據(jù)實(shí)際需求自由調(diào)整。井口平臺(tái)下層甲板考慮了可擴(kuò)展區(qū)域，在不改變主體結(jié)構(gòu)的情況下，可根據(jù)具體項(xiàng)目需求進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，增加對(duì)設(shè)備布置的適用性。通過彈性布置區(qū)域的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了一套結(jié)構(gòu)圖紙適用多種不同工藝系統(tǒng)配置的應(yīng)用。

圖1 總圖彈性布置Fig.1 General flexible layout

1.3 環(huán)境條件確定

對(duì)海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)影響較大的環(huán)境條件主要是風(fēng)、波浪、流、強(qiáng)冰和地震。風(fēng)、波、流采用組合形式確定，即將三者組合計(jì)算水平方向合力，取最大值對(duì)應(yīng)的風(fēng)、波浪、流參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)。針對(duì)渤海灣區(qū)域，強(qiáng)冰和地震是分區(qū)分布的，一般不同時(shí)出現(xiàn)，因此，取最大強(qiáng)冰和地震分別與典型的風(fēng)、波、流進(jìn)行組合作為環(huán)境條件。由此確定的環(huán)境條件，基本符合渤海灣海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)需要的環(huán)境條件。

2 主結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施方案

典型的工藝流程和總體布置等前提條件確定后，將平臺(tái)進(jìn)行系列化分類，并在此基礎(chǔ)上開展主結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的研究設(shè)計(jì)。確定主結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施的具體方案，即確定底甲板標(biāo)高、安裝方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載、主結(jié)構(gòu)規(guī)格、節(jié)點(diǎn)形式、計(jì)算方法等，以適應(yīng)目標(biāo)海域。

2.1 典型平臺(tái)系列化分類

通過對(duì)已建設(shè)施對(duì)比分析，綜合目前渤海灣平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式、總體布置、面積、軸距、結(jié)構(gòu)自重及操作重、井槽數(shù)量、海上安裝方式、生活樓和修井機(jī)等主要設(shè)備設(shè)施的布置情況，確定以軸距、腿數(shù)等為主要因素，根據(jù)面積、井槽數(shù)量、鉆修井配置、生產(chǎn)規(guī)模等將組塊進(jìn)行系列化分類，將平臺(tái)分為四大類、11 個(gè)系列，如表1 所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化組塊分類Tab.1 Class ification of standardized topsides

2.2 底甲板標(biāo)高確定

海洋平臺(tái)各層工藝和總體布置區(qū)域相對(duì)固定，層間高基本確定，因此，底甲板標(biāo)高確定后就可以確定平臺(tái)的立面尺寸。底層甲板標(biāo)高的確定主要考慮最大波浪下的水質(zhì)點(diǎn)高度、安全間隙（最小1.5 m）和甲板結(jié)構(gòu)梁高度，以保證波浪不會(huì)拍擊到結(jié)構(gòu)梁上［1］?！逗Ｓ褪凸こ淘O(shè)計(jì)指南》［2］推薦了2 個(gè)方法計(jì)算下甲板標(biāo)高的最小值，方法一是經(jīng)驗(yàn)公式，方法二可以使用專業(yè)軟件計(jì)算水質(zhì)點(diǎn)高度得出。為了保證底層甲板標(biāo)高能夠覆蓋整個(gè)渤海區(qū)域，數(shù)據(jù)選取時(shí)較為保守，以最大的底層甲板標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算，以確保底層甲板標(biāo)高盡可能滿足渤海全域。

2.3 海上安裝方案研究

海洋平臺(tái)安裝方式分吊裝和浮托安裝2 種，其中4 腿組塊采用吊裝方式，大型8 腿組塊采用分塊吊裝或浮托安裝2 種方式均可。受目前國內(nèi)浮吊能力限制，安裝重量較小的8 腿組塊可采用分塊吊裝的方式，安裝重量在1 萬t以上較大的組塊則采用浮托安裝。

浮托安裝工藝可以實(shí)現(xiàn)大型組塊的整體安裝，能夠避免浮吊安裝能力的限制而分模塊吊裝和現(xiàn)場調(diào)試，浮托組塊的各功能模塊組合和調(diào)試可以在建造場地完成，從而減少海上的調(diào)試時(shí)間和人員數(shù)量，并降低由此產(chǎn)生的費(fèi)用。浮托按進(jìn)船方向分縱向和橫向2 種。通過總體布置、滑靴設(shè)計(jì)及支點(diǎn)反力、單位面積用鋼量和面積拓展等主要方面的對(duì)比分析，渤海灣標(biāo)準(zhǔn)化浮托安裝海洋平臺(tái)推薦采用縱向浮托形式［3］。

2.4 荷載確定和加載方式

主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考察平臺(tái)主結(jié)構(gòu)在靜力、地震、裝船、拖航和安裝工況上的受力情況。

生活樓、鉆修機(jī)等大型設(shè)施荷載是標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的設(shè)計(jì)成果，作為確定荷載直接使用；針對(duì)根據(jù)工藝流程確定的各專業(yè)設(shè)備設(shè)施、平臺(tái)活荷載等，以分區(qū)域面壓荷載的方式來考慮其不確定性。分析以往國內(nèi)外項(xiàng)目數(shù)據(jù)，在典型的工藝流程和總體布置基礎(chǔ)上，用分層、分區(qū)域的一種標(biāo)準(zhǔn)面壓法代替常規(guī)的組塊載荷模擬，可適應(yīng)具體的項(xiàng)目［4］。

2.5 節(jié)點(diǎn)形式

撐桿與梁相交的節(jié)點(diǎn)位置需要加強(qiáng)，通常采用板式或管式筋板形式，如圖2 所示。標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)采用管狀筋板形式，常規(guī)板式筋板設(shè)計(jì)周期長，在總體布置、設(shè)備重量重心確定后，先進(jìn)行整體分析，將各工況的節(jié)點(diǎn)受力數(shù)據(jù)提取出來后再進(jìn)行筋板節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核，三維建?；駽AD出圖后才能由加工設(shè)計(jì)進(jìn)行主材排版，故設(shè)計(jì)周期長。管狀筋板和主結(jié)構(gòu)同步計(jì)算、出圖，再由加工設(shè)計(jì)進(jìn)行排版，從而縮短設(shè)計(jì)周期。

圖2 管狀筋板Fig.2 Tubular steel stiffeners

3 主結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化適用性

3.1 不同荷載的適應(yīng)性

對(duì)荷載進(jìn)行分類研究，區(qū)分確定荷載和不確定荷載，確定荷載按照實(shí)際重量加載，不確定荷載采用面壓形式加載，在沒有具體的工藝流程、準(zhǔn)確的總體布置情況下完成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

對(duì)裝船、拖航和吊裝等安裝進(jìn)行分析，組塊上各專業(yè)的荷載按照重控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行加載，在此基礎(chǔ)上再考慮吊裝不利方向上0.5 m的偏移，對(duì)機(jī)械、配管、電氣、儀表、舾裝、安全等專業(yè)的重量額外考慮10%的不確定系數(shù)，以通過工況組合的重量作為組塊結(jié)構(gòu)校核的基本荷載，并結(jié)合不同安裝情況進(jìn)行主結(jié)構(gòu)校核。

3.2 不同環(huán)境的適應(yīng)性

整體校核中，環(huán)境數(shù)據(jù)（風(fēng)、波浪、流、冰、地震等）的選取覆蓋整個(gè)渤海海域，因而提高了設(shè)計(jì)成果的適應(yīng)性。

以最大的底層甲板標(biāo)高進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)成果的適應(yīng)性，通過調(diào)節(jié)主腿長度，提高了平臺(tái)的高度適應(yīng)性，如圖3 所示。

圖3 高度調(diào)整范圍Fig.3 Height adjustment

3.3 滿足彈性布置

中心平臺(tái)按照重質(zhì)油全流程標(biāo)準(zhǔn)化總圖布置，從而確定最大甲板輪廓；對(duì)于中質(zhì)油/半處理工藝等因設(shè)備減少造成的空白區(qū)域，考慮集中歸集到4 軸東側(cè)；對(duì)相應(yīng)設(shè)備布置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。下層和中層甲板4 軸東側(cè)作為彈性布置區(qū)域，按10 m寬度開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體項(xiàng)目可根據(jù)實(shí)際需求自由調(diào)整。

井口平臺(tái)下層甲板考慮了可擴(kuò)展區(qū)域，在不改變主體結(jié)構(gòu)的情況下，可根據(jù)具體項(xiàng)目需求方便進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，從而增加對(duì)設(shè)備布置的適用性。

通過彈性布置區(qū)域的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了一套結(jié)構(gòu)圖紙適用多種不同工藝系統(tǒng)配置的應(yīng)用。

3.4 生活樓支撐優(yōu)化

組塊生活樓支撐由傳統(tǒng)的支點(diǎn)式變化為連續(xù)式支撐，如圖4 所示。通過優(yōu)化生活樓下方的組塊支撐大梁，使生活樓在組塊上的位置更便于調(diào)整。

圖4 生活樓支撐形式：支點(diǎn)式和連續(xù)式Fig.4 Point or continuous supporting of living quarters

4 結(jié) 論

主結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)實(shí)踐與常規(guī)的設(shè)計(jì)方案相比，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使其在渤海海域內(nèi)具有很強(qiáng)的適用性，省去了前期結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，減少了基本設(shè)計(jì)階段平臺(tái)主結(jié)構(gòu)建模、計(jì)算、繪圖、校審等環(huán)節(jié)的工時(shí)，縮短了設(shè)計(jì)周期，適用于項(xiàng)目前期開發(fā)階段方案的選擇、審批及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。同時(shí)，此系列組塊具備標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)型式、桿件規(guī)格和節(jié)點(diǎn)形式，是采辦、建造、安裝等各個(gè)板塊標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)組塊結(jié)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)批量化預(yù)制及組裝，能有效降低各環(huán)節(jié)的人力投入、縮短項(xiàng)目周期、降低投資費(fèi)用?！?/p>