孫 錕 劉 文 楊 盛 陳曉東 郭 飛

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

隨著水深的增加，海洋油氣田可開(kāi)采規(guī)模隨之大幅增加。全球范圍內(nèi)，海上油氣資源有一半以上分布在300 m以深的水域，深水海洋油氣的開(kāi)發(fā)離不開(kāi)各種各樣的水下結(jié)構(gòu)物。將采出的油、氣、水多相或單相流體進(jìn)行匯集，并回接到附近水下、水面或陸上依托設(shè)施，實(shí)現(xiàn)海上油氣田的開(kāi)發(fā)。

深水水下結(jié)構(gòu)物是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要組成部分，根據(jù)功能不同，分為管匯、防沉板、控制系統(tǒng)模塊等。面對(duì)海底不平整的地形和復(fù)雜的土質(zhì)，有必要為這些海底結(jié)構(gòu)物設(shè)置堅(jiān)實(shí)的水下基礎(chǔ)。防沉板作為海洋油氣開(kāi)采設(shè)備的首選基礎(chǔ)形式，具有安裝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)[1-3]。為此該文從設(shè)計(jì)出發(fā)，針對(duì)防沉板基礎(chǔ)的在位工況和吊裝工況，提出對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)計(jì)算和校核方法，可為后續(xù)類(lèi)似工程項(xiàng)目提供參考。

1 水下結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)類(lèi)型及特點(diǎn)

水下結(jié)構(gòu)物的基座形式可以分為三種類(lèi)型，對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 三種基礎(chǔ)形式特點(diǎn)比較

1.1 防沉板形式

防沉板制作簡(jiǎn)單、容易安裝，防沉板陸地建造設(shè)計(jì)的設(shè)備、耗材少，并適用于各種海床條件，應(yīng)用范圍廣泛?？梢灾苯拥跹b入泥，如果不平整，可以通過(guò)壓塊達(dá)到預(yù)期的平整度，可控性較高。但對(duì)較軟的土質(zhì)，防沉板必須很大，會(huì)增加安裝難度。

1.2 吸力錨形式

吸力錨直徑大，長(zhǎng)度小，為頂端封閉、下端敞開(kāi)的圓柱樁體，主要是通過(guò)頂部吸力泵抽出錨內(nèi)的水形成負(fù)壓，從而依靠負(fù)壓實(shí)現(xiàn)沉錨過(guò)程。正是這一特殊的沉錨施工方法，可使吸力錨適用于軟黏土等各種非巖性土，具有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)性。另外，吸力錨具有提供較大的水平和垂直合成載荷的能力。

1.3 樁形式

樁是一種傳統(tǒng)基礎(chǔ)形式，但作為深水水下結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)，安裝工期長(zhǎng)，費(fèi)用大。對(duì)于深水水下結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，樁基礎(chǔ)由于安裝的費(fèi)用和施工難度等問(wèn)題存在很多局限性。

一般情況下，建議采取防沉板形式的基礎(chǔ)，原因有以下4點(diǎn)：1）土壤的條件決定了吸力錨的最終尺寸數(shù)據(jù)，不同的吸力錨只能適用于特定的地質(zhì)條件，適用范圍較窄。2）吸力錨沉降過(guò)程太長(zhǎng)，不利于其上的海底結(jié)構(gòu)物安裝時(shí)間的安排。3）防沉板建造簡(jiǎn)單，安裝時(shí)間短，便于分體式安裝，可以減少海底結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量。4）樁式基座，需要專門(mén)船舶資源，安裝時(shí)間長(zhǎng)。

防沉板形式的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要面臨如下技術(shù)問(wèn)題：1）結(jié)構(gòu)物自身強(qiáng)度的評(píng)估。用于評(píng)估防沉板結(jié)構(gòu)本體抵抗外界載荷的能力。2）地基承載力的評(píng)估。防沉板用于支撐其上結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量，須保證在服役期間基礎(chǔ)強(qiáng)度足夠。其地基承載力主要取決于下部土體參數(shù)、防沉板和土體的接觸面積。3）抗滑移的評(píng)估。水下結(jié)構(gòu)物及防沉板受到外界環(huán)境載荷、生產(chǎn)管線作用在結(jié)構(gòu)物的連接載荷、重力載荷、土體支撐載荷等作用力，須評(píng)估在位的抗滑移。4）沉降量的評(píng)估。須評(píng)估水下結(jié)構(gòu)物及防沉板在海底土壤的沉降量。5）運(yùn)輸期間的評(píng)估。用于評(píng)估裝船運(yùn)輸期間的結(jié)構(gòu)的安全性，包括防沉板結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、固定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。6）吊裝安全的評(píng)估。用于評(píng)估防沉板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移運(yùn)輸和安裝期間的安全性，包括吊裝期間結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度（含吊耳）、吊裝索具選型計(jì)算。7）防腐的評(píng)估。主要包括油漆的涂裝計(jì)算、陽(yáng)極保護(hù)或者陰極保護(hù)的計(jì)算等，用于保證防沉板結(jié)構(gòu)在服役期間的使用壽命。8）其他輔助設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如用于水下機(jī)器人作業(yè)的輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、定位信標(biāo)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

其中，結(jié)構(gòu)物自身強(qiáng)度、地基承載力、抗滑移、吊裝的評(píng)估計(jì)算屬于其設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，下面總結(jié)了在位工況和吊裝工況下校核計(jì)算的方法。

2 防沉板基礎(chǔ)在位評(píng)估方法

防沉板基礎(chǔ)的在位分析包括在位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和在位穩(wěn)定性分析。

2.1 在位強(qiáng)度分析

防沉板基礎(chǔ)的在位強(qiáng)度分析：其載荷主要由結(jié)構(gòu)及其附屬構(gòu)件自重、環(huán)境載荷、上部結(jié)構(gòu)物質(zhì)量、下部土體支撐載荷、偶然載荷如地震載荷、水下機(jī)器人碰撞載荷等。

將防沉板自身質(zhì)量和上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量施加在防沉板結(jié)構(gòu)時(shí)一般會(huì)考慮一定的安全系數(shù)，主要考慮質(zhì)量計(jì)算可能存在偏差。一般是考慮3%或者10%的誤差。

外界環(huán)境載荷主要是底流造成的，其海底流速的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際海底環(huán)境調(diào)查資料。對(duì)安裝作業(yè)工況，可選取一年一遇重現(xiàn)期的資料。對(duì)運(yùn)行作業(yè)工況，選取百年一遇重現(xiàn)期的資料。流向按照全方位間隔45°選取。

為了便于建模計(jì)算，可以將下部土體支撐載荷轉(zhuǎn)換為力學(xué)邊界條件，一般采取彈簧形式模擬，其剛度如公式（1）所示。

式中：Q為基礎(chǔ)所能承受的最大垂向載荷，n為基礎(chǔ)與土接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)；s為假設(shè)沉降值。

地震載荷采取施加加速度場(chǎng)的形式，對(duì)運(yùn)行作業(yè)工況，選取200年一遇的地震載荷進(jìn)行計(jì)算。

水下機(jī)器人碰撞載荷的計(jì)算：假定水下機(jī)器人以一定速度碰撞結(jié)構(gòu)物，其動(dòng)能全部由結(jié)構(gòu)物變形吸收，從而根據(jù)變形計(jì)算這個(gè)平均碰撞載荷。平均碰撞載荷根據(jù)公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：E是ROV的動(dòng)能，K是結(jié)構(gòu)物的剛度。

確定載荷之后，進(jìn)行工況組合分析，在SACS軟件中進(jìn)行建模，校核UC值。計(jì)算分析主要根據(jù)規(guī)范API RP 2A -WSD 21th Edition和AISC - WSD 9th Edition。

2.2 在位穩(wěn)定性分析

在位穩(wěn)定性校核主要是關(guān)注地基承載力和抗滑穩(wěn)定性。根據(jù)規(guī)范API RP 2A，用于校核在位穩(wěn)定性的安全因數(shù)：對(duì)地基承載力來(lái)說(shuō)，最小安全因數(shù)為2.0；對(duì)滑移穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，最小安全因數(shù)為1.5。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)不充足或者地質(zhì)條件不確定時(shí)，應(yīng)考慮提高這些安全因數(shù)。地質(zhì)調(diào)查之后會(huì)提供調(diào)查報(bào)告，調(diào)查報(bào)告一般會(huì)提供地基承載力公式。

在排水抗剪模式下，防沉板的地基承載力可由公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q＇是防沉板的最大地基承載力，c＇是土壤的黏聚力強(qiáng)度，Nc，Nq，Nγ為3個(gè)無(wú)量綱系數(shù)，Kc，Kq，Kγ為3個(gè)修正系數(shù)，q=γ＇D，γ＇為土壤的單位容重，D為防沉板沉陷深度，B為防沉板橫向長(zhǎng)度，A＇為防沉板的有效承載面積。這樣，可以根據(jù)上式計(jì)算獲得海底土壤的單位承載力數(shù)值qu=Q'/A'。

防沉板基礎(chǔ)的坐底反力可由式（4）進(jìn)行計(jì)算。

防沉板基礎(chǔ)的面積和布置方式?jīng)Q定了防沉板的有效承載面積，進(jìn)而影響惡劣工況下的容許坐底反力數(shù)值，這個(gè)容許坐底反力數(shù)值反過(guò)來(lái)影響設(shè)計(jì)過(guò)程中防沉板布置形狀的修改。一般需要幾次迭代優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最終設(shè)計(jì)計(jì)算。

對(duì)滑移穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，防沉板下面土體的抗滑移能力如公式（5）所示。

式中：Ff為防沉板裙邊內(nèi)土體和下部土體的摩擦力，F(xiàn)passive為裙邊的被動(dòng)土壓力，F(xiàn)＇f為裙邊和土體之間的摩擦力。

3 防沉板基礎(chǔ)吊裝分析評(píng)估方法

對(duì)防沉板基礎(chǔ)吊裝計(jì)算，一般包括兩部分內(nèi)容：吊裝計(jì)算和索具選型計(jì)算。

3.1 吊裝計(jì)算

為了計(jì)算吊鉤處的最大動(dòng)載荷，應(yīng)按照如下工況考慮。對(duì)單吊來(lái)說(shuō)，吊鉤的最大動(dòng)載荷如公式（6）所示。

式中：DHL為最大動(dòng)載荷；DAF為動(dòng)力放大系數(shù)；W為防沉板的質(zhì)量；Wrig為索具的質(zhì)量；F（SPL）為一些特殊載荷如水動(dòng)力、風(fēng)力等引起的附加吊鉤載荷。

對(duì)多鉤吊來(lái)說(shuō)，單個(gè)吊鉤的最大動(dòng)載荷如公式（7）所示。

式中：DHLi為單個(gè)吊鉤的最大動(dòng)載荷，αCOG為理論上施加在單個(gè)吊鉤上的最大載荷百分比，SKLt主要是考慮吊物的傾斜引起載荷的增大，W為防沉板的質(zhì)量，Wrig，i為索具的質(zhì)量，F(xiàn)（SPL）i為一些特殊載荷如水動(dòng)力、風(fēng)力等引起附加在單個(gè)吊鉤上的載荷。

因此對(duì)單吊情形，只需考慮質(zhì)量載荷施加的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致的安全因數(shù)Fw和動(dòng)力放大系數(shù)DAF。

為了單純地獲得單根吊索上的力，在施加相關(guān)質(zhì)量載荷時(shí)考慮的因數(shù)：1）質(zhì)量載荷施加的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致的安全因數(shù)Fw，一般選取數(shù)值不超過(guò)1.1，具體參見(jiàn)規(guī)范DNV-RP-H102。2）重心坐標(biāo)的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致安全因數(shù)Fcog，一般選取1.05。3）在吊裝過(guò)程中，索具長(zhǎng)度不準(zhǔn)確、吊耳的建造容差、吊鉤的幾何形狀等因素會(huì)導(dǎo)致吊裝不對(duì)稱，為此引入載荷偏移因數(shù)Fskl，對(duì)單吊4索具情形，F(xiàn)skl一般取值1.25。4）動(dòng)力放大系數(shù)DAF，在概念設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以取值2.0。

因此總體安全系數(shù)值為Fw×Fcog×Fskl×DAF，從而獲得單根吊索上的受力情況。

在建模時(shí)，將防沉板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為梁、桿和板的組合，既可以采用等效密度施加自重載荷，也可采用施加外部線載荷或者面載荷的形式。同時(shí)定義吊索為只可以承受拉力的桿單元用于模擬索具。為了避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非靜定性，會(huì)在防沉板結(jié)構(gòu)物邊緣的角點(diǎn)施加一定的邊界條件進(jìn)行平動(dòng)限位。

計(jì)算工況說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況說(shuō)明

在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)規(guī)范DNV-RP-H103計(jì)算DAF，如公式（8）所示。

其中DAFin_air可根據(jù)規(guī)范DNV-RP-H103中Table 3-1選取，DAFconv=FtotalMg。

總載荷如公式（9）所示。

式中：Fstatic-max為防沉板基礎(chǔ)的靜態(tài)最大載荷，F(xiàn)hyd為防沉板基礎(chǔ)受到的水動(dòng)力載荷，F(xiàn)snap為防沉板基礎(chǔ)的跳躍載荷。一般會(huì)防止索具出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，以避免出現(xiàn)跳躍載荷。如果無(wú)法避免跳躍載荷，就應(yīng)該計(jì)算跳躍載荷。

在防沉板基礎(chǔ)下放過(guò)程中，其水動(dòng)力載荷Fhyd的計(jì)算一般考慮以下幾點(diǎn)：1）抨擊力。2）附加質(zhì)量力。3）拖曳力。4）變化的浮力。計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)：防沉板的自重、排水體積、附加拖曳力系數(shù)及參考面積、附加質(zhì)量系數(shù)及參考體積、抨擊力系數(shù)及參考面積、有義波高以及平均跨零周期、吊機(jī)位置及下放速度、安裝船舶對(duì)應(yīng)所選取平均跨零周期下的RAO等。在安裝過(guò)程中，船舶方向和波浪方向的夾角不應(yīng)超過(guò)30°，推薦180°和165°浪向。

3.2 索具選型計(jì)算

索具的選型計(jì)算的思路：首先設(shè)計(jì)吊裝索具配置方案，其次根據(jù)吊裝計(jì)算結(jié)果獲得相應(yīng)吊裝索具的受力，從而從索具手冊(cè)中進(jìn)行初選，最后根據(jù)DNV OS H205 規(guī)范進(jìn)行校核計(jì)算，若不滿足則對(duì)吊裝索具重新選擇。索具的有效長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)計(jì)算模型得到。

吊裝索具配置方案即是確定所選索具的類(lèi)型和連接方式。在設(shè)計(jì)吊裝索具配置方案之前，應(yīng)確認(rèn)防沉板水下安裝方案。防沉板下放方式有兩種：側(cè)面下放，即防沉板底面法向垂直下放方向，可大大減少水動(dòng)力載荷；正面下放，即防沉板底面法向順著下放方向，這樣便于吊裝。接著根據(jù)其結(jié)構(gòu)形狀布置吊耳，進(jìn)而設(shè)置吊索。推薦采用4吊耳，要求吊索與水平方向夾角大于60 °。同時(shí)吊索的設(shè)置應(yīng)便于索具安裝、防沉板下放、索具回收。防沉板吊裝索具配置方案的設(shè)計(jì)遵循方便、合理、安全的原則。

基于吊裝計(jì)算結(jié)果和吊裝索具配置方案，根據(jù)相關(guān)公司的索具產(chǎn)品手冊(cè)和所需索具的類(lèi)型選取合適規(guī)格的索具。在選取索具的過(guò)程中，應(yīng)考慮到以下因素：1）確保能夠在項(xiàng)目周期內(nèi)采辦到所選類(lèi)型和規(guī)格的索具。2）索具之間的連接應(yīng)符合索具規(guī)范的連接方式。3）確保在幾何上索具之間以及索具和防沉板之間的連接不存在問(wèn)題。4）對(duì)鋼絲繩或者纖維吊帶來(lái)說(shuō)，應(yīng)給出精確的長(zhǎng)度，建議精確到mm。5）應(yīng)簡(jiǎn)單估算下吊裝高度（防沉板底部到吊機(jī)吊鉤的豎直高度），確保不超過(guò)船舶吊機(jī)作業(yè)范圍。6）在保證強(qiáng)度滿足前提下，對(duì)索具規(guī)格的選取建議偏小一些。

對(duì)索具強(qiáng)度進(jìn)行校核，主要是對(duì)鋼絲繩、纖維吊帶、吊環(huán)、ROV卸扣或者普通卸扣、ROV鉤或者普通吊鉤等類(lèi)型索具進(jìn)行校核，根據(jù)規(guī)范可以將索具的校核分為三大類(lèi)：1）對(duì)鋼絲繩、纖維吊帶等吊索的校核；2）對(duì)ROV卸扣或者普通卸扣的校核；3）對(duì)其他索具的校核。

對(duì)鋼絲繩和纖維吊帶來(lái)說(shuō)，其單根所受的最大外界載荷如公式（10）~公式（11）所示。

其中：1）γf為載荷系數(shù)，一般取1.3。2）γc為計(jì)算結(jié)果影響系數(shù)，一般取1.3。3）γr為考慮到索具端部或者彎曲影響的結(jié)果縮減系數(shù)，為γs、γb的最大值。對(duì)鋼絲繩索具，γs=1.3，γb=1/（1-0.5/（D/d）0.5），D為最小彎曲直徑，d為鋼絲繩索具的名義直徑。對(duì)纖維吊帶，γs=1.0，γb=1.0。4）γw為磨損系數(shù)，對(duì)鋼絲繩索具和纖維吊帶來(lái)說(shuō)，一般取值為1.0。5）γm為材料系數(shù)，對(duì)鋼絲繩索具，一般可以取值為1.5，若為新采辦的并且經(jīng)過(guò)第三方認(rèn)證的索具，可以取值為1.35。對(duì)纖維吊帶，材質(zhì)為聚酯纖維類(lèi)的，可以取值為1.65。6）γtw為扭轉(zhuǎn)縮減系數(shù)，一般取值為1.0。盡量避免索具的扭轉(zhuǎn)，若索具存在扭轉(zhuǎn)，應(yīng)根據(jù)測(cè)試確定合適的扭轉(zhuǎn)縮減系數(shù)。

對(duì)卸扣來(lái)說(shuō)，其允許的最大動(dòng)力載荷應(yīng)不超過(guò)：1）安全工作載荷SWL的DAF倍。2）最小破斷力MBL的1/3倍。3）試驗(yàn)載荷不得超過(guò)2*SWL或者1.22*SWL+20。

對(duì)其他索具例如吊環(huán)、吊鉤、鏈條等，可以采用類(lèi)似校核卸扣的方式進(jìn)行校核。

4 結(jié)語(yǔ)

作為水下結(jié)構(gòu)物的首選基礎(chǔ)形式，防沉板基礎(chǔ)制作簡(jiǎn)單、容易安裝，在海洋油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。防沉板形式的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要評(píng)估結(jié)構(gòu)物自身強(qiáng)度、地基承載力的評(píng)估、抗滑移能力、沉降量、固定結(jié)構(gòu)、吊裝、防腐等，其中結(jié)構(gòu)物自身強(qiáng)度、地基承載力、抗滑移、吊裝的評(píng)估計(jì)算屬于其設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。該文針對(duì)防沉板形式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的在位工況和吊裝工況，基于工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范總結(jié)提出了對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)計(jì)算和校核方法，可為后續(xù)類(lèi)似工程項(xiàng)目提供參考。