王 榕

（中國船級社青島分社，山東 青島 266071）

0 引 言

淺海領域的采油主要借助于海上固定平臺，這種固定平臺尤其以我國渤海灣數(shù)量眾多，由于其特殊的結構形式，在建造或營運檢驗過程中，平臺的強度校核對平臺安全評價尤為重要。特別是平臺樁腿結構形式對平臺的強度影響，其主要有兩種形式：1) 非灌漿型的樁腿，海上安裝周期短，工程進度快；2) 灌漿樁腿，需要在海上打樁后向樁與腿之間的環(huán)形區(qū)域灌注水泥，海上操作復雜，安裝周期長，費用較大。

考慮到分析和計算這兩種樁腿安裝形式對平臺設計和海上安裝具有重要的實際指導意義。故以勝利淺海某中心固定平臺為例，利用專用于海洋結構工程的靜動力結構分析系統(tǒng)的計算軟件，對海上固定平臺樁腿上述兩種形式進行強度和節(jié)點位移的計算和比較，并得出初步結論。此結果對設計、施工和檢驗工作具有參考價值。

1 平臺數(shù)據(jù)

1.1 主要參數(shù)

以勝利埕島油田某新建中心平臺為例。該中心平臺由生活動力平臺和生產(chǎn)平臺組成，選取生活動力平臺進行分析計算。

生活動力平臺采用4腿導管架形式，導管架4個面的斜度均為10：1。導管架頂標高5.5m,底標高-13.7m，工作點標高7.0 m。主導管采用φ1532×28鋼管， 成矩形布置，在標高4.5m、-3.0m和-12.2m處設加強段，采用φ1566×45鋼管，加強段設水平拉筋及水平斜拉筋，分別采用φ700×25鋼管和φ500×19鋼管，管節(jié)點在密集區(qū)加強，分別采用φ1000×38鋼管和φ700×32鋼管。導管架內(nèi)置消防泵護管4根，采用φ944×22鋼管，在標高4.5m和-3.0m處設與導管架水平連接構件，分別采用φ500×19鋼管和φ325×14鋼管。導管架上設靠船構件、登船平臺等附屬構件。生活平臺導管架見圖1。

圖1 生活動力平臺導管架A立面

1.2 工作環(huán)境參數(shù)

1.2.1 水深

取平臺所在位置處黃海平均海平面的水深12.2m作為計算條件。

1.2.2 波浪

海區(qū)以風浪為主，涌浪次之。夏季盛行SE浪，秋季主要為NE浪，春季浪向紊亂。波浪、海流數(shù)據(jù)以50a重現(xiàn)期為計算依據(jù)。校核高水位最大可能波高6.83m；對應波浪周期8.6s；設計高水位最大可能波高5.0m；對應波浪周期8.6s。

1.2.3 海流

海區(qū)潮流的運動形式為往復流，50a重現(xiàn)期漲潮最大實測流速：表層 167cm/s；中層 92cm/s；底層79cm/s。落潮最大實測流速：表層167cm/s；中層81cm/s；底層73cm/s。

1.2.4 風

按50a重現(xiàn)期1min平均風速30.5m/s。

1.2.5 海冰

設計冰厚（50a一遇）0.45 m；抗壓強度2244kPa；流冰速度0.52～1.03m/s。

1.2.6 海生物

平均海平面以下的構件考慮10cm厚的海生物附著。

1.2.7 地質資料

采用國家海洋局第一海洋研究所《埕島油田某中心平臺地形測量及地質勘察成果報告》。

2 載荷計算

2.1 風載荷

作用在結構上的風荷載采用SY/T 10030-2004中2.3.2.c節(jié)中的風力計算公式：

式中：F——風力；ρ——空氣的密度；u——形狀系數(shù)；A——物體面積。

假定風速沿結構物高度不變。極端波浪工況采用50a重現(xiàn)期的1min平均風速；極端冰工況采用20a重現(xiàn)期的 1min平均風速。形狀系數(shù)的取值按 SY/T 10030-2004中的規(guī)定確定：梁 1.5；建筑物的側面1.5；圓柱形構件0.5；平臺總投影面積1.0。

2.2 冰載荷

作用于樁腿上的冰力采用SY/T10031-2000中公式5.27計算：

式中：F——作用于樁腿上的冰力；Pe——單位面積冰壓力；D——冰接觸區(qū)域結構的寬度或直徑；t——冰的厚度。其中Pe取值為2244kPa，D為樁腿的直徑，t=0.45 m 。

2.3 載荷工況組合

荷載組合按SY/T 10030-2004中建議的做法進行，平臺結構設計時應按對結構產(chǎn)生最惡劣影響的荷載條件進行設計。荷載條件應包括適當?shù)墓潭ê奢d和活荷載。分別考慮了工作波浪條件、極端波浪條件、極端冰、地震載荷等工況。其中，地震載荷根據(jù)實際的地震與地質資料，設計地震水平加速度為0.15G，X、Y方向系數(shù)為1.0，Z方向系數(shù)為0.5，根據(jù)API標準，X、Y方向土類型為B型，Z方向土類型為C型，地震響應譜選用API標準譜，各階模態(tài)響應組合用CQC法對平臺進行了強度計算。正常工作條件下，根據(jù)不同的來流方向、不同的吊機載荷方向，進行模擬計算分析。冰載工況為在正常作業(yè)工況下加上冰載荷進行計算。

3 計算結果分析

3.1 結構分析軟件

所有結構分析工作都使用SACS軟件進行，該系統(tǒng)功能齊全，方法先進，便于使用。

3.2 生活平臺模型建立

根據(jù)風、浪、流及冰載荷與平臺所成的不同夾角進行了組合，對平臺的導管架底部樁腿處采取了固定約束。冰工況中考慮了相應的風、流載荷，并考慮了冰的遮蔽效應。三維模型見圖2。

圖2 生活動力平臺三維模型

3.3 生活平臺計算結果

3.3.1 特定節(jié)點比較

選取101L、201L、303L、3003四個節(jié)點，對灌漿樁腿的內(nèi)部采取設計方提供的1.8t/ m3的泥漿密度進行填充，非灌漿平臺采用1.0t/ m3的海水進行填充。比較兩者位移的大?。ㄒ姳?）。

表1 灌漿樁腿與非灌漿樁腿節(jié)點位移

可見灌漿樁腿與非灌漿樁腿在正常作業(yè)工況下，位移都比較小。在冰載工況下，位移稍大，但都在安全范圍內(nèi)。非灌漿樁腿較灌漿樁腿整體位移偏大，非灌漿樁腿的節(jié)點位移較灌漿樁腿的節(jié)點位移大30%～80%左右，可見灌漿樁腿較之非灌漿樁腿在抵抗節(jié)點位移方面有著較好的優(yōu)勢。由于節(jié)點位移影響著平臺的晃動，所以灌漿樁腿平臺較之非灌漿樁腿平臺晃動較小，工作環(huán)境較舒適。

3.3.2 桿件安全系數(shù)比較

將樁腿部分在各種工況中所受的最大應力，在灌漿樁腿和非灌漿樁腿作一比較，其中樁腿部分采用DH36高強度鋼，其屈服強度為355N/mm2（見表2）。

表2 樁腿所受應力值比較

可見，水面下的樁腿受力明顯大于水面上的樁腿，非灌漿樁腿應力值略大于灌漿樁腿的應力值，但兩者差距較小，均不超過355N/mm2?？梢姽酀{樁腿較之非灌漿樁腿在強度上沒有起到特別重要的作用。

3.4 冰載計算結果分析

對下部基礎在兩種冰力下的所有桿件UC值進行比較，其中，50a一遇的單樁冰載為2000kN，100a一遇的單樁冰載為3000kN（見表3）。

表3 兩種冰力下桿件UC值比較

分析上表可知，樁腿強度可以很好的應對50a一遇的冰載，當單樁冰載為100a一遇的狀態(tài)時，結構強度已處于不滿足要求的臨界點，且構件集中于H12和H24兩組中，尤其是H12組中的構件，按照木桶原理，只要對H12組中的構件進行加強，便可以提高結構的整體強度。

4 結 語

通過對勝利埕島油田某中心固定平臺進行各種工況組合下的模擬計算，分析比較了灌漿樁腿和非灌漿樁腿的優(yōu)劣，分析所得數(shù)據(jù)，得出如下結論：

1）在相同工況下，比較相同節(jié)點在是否為灌漿形式下的位移，可見非灌漿樁腿的節(jié)點位移較灌漿樁腿的節(jié)點位移大30%～80%左右；

2）比較灌漿樁腿和非灌漿樁腿部分所受的應力大小，灌漿樁腿所受應力略小于非灌漿樁腿，其作用并不明顯；

3）灌漿樁腿平臺較之非灌漿樁腿平臺晃動較小，灌漿樁腿平臺人員舒適度更好；

4）當單樁冰力采用100a一遇工況時，生產(chǎn)平臺結構出現(xiàn)過大應力值，集中于H12和H24兩組構件中，且H12構件組最大UC值達到0.99，所以只需要提高H12組中構件的強度，即-7.0～-12.2m的φ500×16的水平斜拉筋便可以抵御100a一遇的冰載荷，使得生產(chǎn)平臺整體強度達到一個新的層面。

[1] 國家海洋局第一海洋研究所. 《埕島油田某中心平臺地形測量及地質勘察成果報告》[R]. 2009.

[2] 中國船級社. 淺海固定平臺建造與檢驗規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2004.

[3] 中國石油天然氣總公司. 淺海環(huán)境條件與荷載技術規(guī)范[S]. 北京：石油工業(yè)出版社，1995.

[4] 唐友剛. 高等結構動力學[M]. 天津：天津大學出版社，2002.

[5] API RP 2A-WSD 21stEdition. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing fixed Offshore Platforms Working Stress Design[S]. 2000.