1、渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 - 1 - 分 类 号 密级 UDC 本 科 毕 业 设 计 渤海埕岛油田三桩腿平台设计 学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 工程学院海洋工程系 专业年级 船舶与海洋工程 2010级 论文答辩日期 2014 年 06 月 10 日 中 国 海 洋 大 学 渤海埕岛油田三桩腿平台设计 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 - 2 - 摘 要 导管架平台具有研究成熟设计建造成本低的特点，适用于浅海海域的油气开采。本次设计是在渤海埕岛海域设计建造一座三桩腿平台，其设计海洋环境条件采用的是葫芦岛水文观测站附近的水文条件，该三桩腿平台的设计年限为 15 年。由于该油田属于边
2、际油田，其开发经济价值不大，所以该平台采用三桩腿简易平台设计方案。 本文介绍的平台设计采用 ANSYS 有限元分析软件 ，该软件广泛用于海洋工程的设计。主要设计内容包含如下几点，依据海域环境水文条件计算平台所受的环境载荷 ;在各种环境条件下对导管架平台进行静力和动力分析，并进行地震响应分析；计算导管架平台桩基承载力，保证导管架平台桩基有足够承载能力 ;根据平台的计算结果大小不断调整平台尺寸，最后在保证平台结构稳定的条件下，使平台所耗材料最少。 关键词：环境载荷；静力分析；动力响应； ANSYS 软件 Bohai Oilfield three CHENGDAO leg platform desi
3、gn Abstract In marine development, especially the development of shallow water, jacket platforms are widely used in various countries form. The design is in the Bohai Sea CHENGDAO designed and built a three-leg platform, its design is used in marine environmental conditions and hydrological conditio
4、ns Huludao hydrological observation stations near the three-leg platform design life of 15 years. As the oil belongs to marginal fields, the development of economic value is not, so the platform uses three simple leg platform design. This paper describes the design of the platform using ANSYS finite
5、 element analysis software, which is widely used in marine engineering design. The main design elements include calculating jacket platform subjected to environmental loads under ambient conditions; under various environmental conditions on the jacket platform for static and dynamic analysis and sei
6、smic response analysis; calculate the bearing capacity of pile jacket platform, ensure there is enough pile jacket platform carrying capacity; constantly adjust the size of the platform size, and finally get a reasonable structure, minimal design cost computing platform based on the results. Keyword
7、s: environmental loads;static analysis; dynamic response; ANSYS 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 - 3 - 目录 渤海埕岛油田三桩腿平台设计 . 1 摘 要 . 2 目录 . 3 第一章 前言 . 5 1.1 选题背景和依据 . 6 第二章 环境条件 . 8 2.1 导管架平台主要功能 . 8 2.2 环境条件 . 8 2.3 设计标准 . I 2.3.1 平台用途和主要功能 . I 2.3.2 使用年限 . I 2.3.3 平台用钢材 . I 2.3.4 依据规范 .II 2.4 平台主尺度 .II 2.4.1 设计要求： .I
8、I 2.4.2 导管架尺寸： .II 第三章 环境 荷载 . III 3.1 荷载计算 . III 3.1.1 固定荷载 . III 3.1.2 活荷载 . III 3.1.3 环境荷载 . III 3.2 荷载组合 .V 第四章 建立有限元模型 . VI 4.1 ANSYS 单元划分 . VI 4.2 模型计算 . VI 4.3 有限元模型建立 . VII 第五章 平台整体结构静力分析 . XII 5.1 平台位移 .XII 5.2 平台应力强度校核 . XIV 第六章 平台结构动力分析 . XVIII 6.1 模态分析 .XVIII 6.2 平台瞬态响应 . XX 6.2.1 求阻尼系数、
9、 . XX 6.2.2 波浪载荷下瞬态动力分析 .XXI 第七章 桩基承载力校核 . XXIII 7.1 轴向承载力校核 . XXIII 7.1.1 轴向承载力计算公式 . XXIII 7.1.2 轴向承载力计算结果 . XXV 7.1.3 轴向承载力校核 . XXV 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 - 4 - 第八章 地震作用 . XXVI 8.1 地震作用理论 . XXVI 8.1.2 反应谱理论 . XXVI 8.2 ANSYS 地震分析法 . XXVII 8.3 导管架平台在荷载作用下的动力响应 . XXVII 参考文献 . XXIX 致谢 . XXIX 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计
10、 - 5 - 第一章 前言 在改革开放以来，中国的发展取得了巨大的成果，但与此同时，中国也面临着能源危机。由于我国陆地上的油田开采殆尽，因此我们必须寻找新的石油来源，以满足我国高速发展的需要。我国有丰富的海洋资源，根据信息发现显示，我国海洋中有 2.5 亿吨的石油储备，这为我国未来的快速发展提供了有力能源保障。但同时，海上石油和天然气开发是一个高风险 高技术的项目，在当前全球经济低迷的情况下，如何以有限的投资来满足边际油田的开发，从而获得边际油田的最大经济效益，这是一个值得我们去研究的课题。为了满足小型和边际海上油气田的开发，同时降低制造 平台的成本，我们选取建造三桩腿简易平台，以减少材料的用
11、量。 导管架平台具有研究成熟设计建造成本低的特点，适用于浅海海域的油气开采。本次设计是在渤海埕岛海域设计建造一座三桩腿平台，其设计海洋环境条件采用的是葫芦岛水文观测站附近的水文条件，该三桩腿平台的设计年限为 15 年。由于该油田属于边际油田，其开发经济价值不大，所以该平台采用三桩腿简易平台设计方案。 本文介绍了利用有限元分析软件平台的设计，它被广泛应用于海洋工程设计。 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 - 6 - 主要设计内容包含如下几点，依据海域环境水文条件计算平台所受的环境载荷 ;在各种环境条件下对导管架平台进行静力和动力分析，并进行地震响应分析； 对海洋平台桩基 进行 承载力的计算，为保证
12、海洋平台桩基的足够的承载能力 ;根据平台的计算结果大小不断调整平台尺寸，最后在保证平台结构稳定的条件下，使平台所耗材料最少。 导管架平台有如下特点 ： （ 1 ）主支撑结构为圆筒形钢材，受力均匀，不容易受到结构性损坏。 （ 2 ）导管架平台桩腿上有外套，在恶劣的海况下也可以打桩，从而减少平台的安装成本。 （ 3 ）导管架平台可以分 段建造，最后再将各个模块组合起来，减少建造周期。 本次设计主要应用有限元分析软件辅助设计，随着软件开发和计算机技术广泛应用， SACS NASTRAN ANSYS 等结构分析软件广泛应用于海洋工程设计和制造， 为海洋开发提供了便利，使海洋工程设计数字化、安全化、经济
13、化 。其中， ANSYA 软件是由美国著名软件公司 ANSYS 公司开发研制，已经在海洋工程领域有着广泛的应用，它提供的 pipe59 单位，可以模拟海洋波浪 海流 环境，进而对结构物进行静力和动力计算。 1.1 选题背景和依据 海上石油与天然气 开发已经超过 200 年的历史，特别是近年来近海石油和天然气勘探技术的飞速发展，使得海上油气开发得到越来越多的国家重视，如今从事海洋油气开发有 39 个国家（或地区）。随着浅层大陆架上的石油勘探技术飞速进展，浅海油气开发也取得了巨大的成果。 随着海洋石油的探储量越来越大，海洋工程也快速发展起来。海洋开发是继原子能开发、宇宙空间开发之后，新兴发展起来的
14、，对国家具有十分重要的战略意义的工程。 1996 年我国成功的在渤海海域建造一座导管架平台，从那以后，我国的平台设计建造方面开始飞速发展，迄今为止，已经大大小小建 造 100 多座海洋平台。 随着陆地上的石油资源枯竭，越来越多的国家将目光转向海洋。在我国提出海洋强国战略目标之后，我国在海洋工程领域取得了一系列重大成就，同时各种海洋结构物也孕育而生。目前为止，在浅海海域大陆架地区，最广泛采用的是导管架平台形式。实践证明，导管架平台是浅海海域油气开发最有效的形式。导管架平台是利用桩腿侧面与土壤的摩擦力以及桩端承载力来支撑整个上部结构。导管架平台的主要构造特点是采用钢制框架结构，立柱承重，结构抵抗横
15、向弯矩，钢桩基础打入海底深处。工作时的导管架平台，在承受上部模块和钢桩自 重以外，还受到诸如风载荷、波浪载荷等环境载荷。 本文以渤海海域为例，介绍了浅海 15 米水深导管架平台设计中的强度校核方法，包括以下几个内容： 1 环境条件和设计依据的确定 2 平台选型、主尺度和构件尺寸的确定 3 环境载荷计算及各工况载荷的组合 4 建立 ANSYS 模型 5 平台静动力强度校核 6 地震载荷下强度校核 7 桩基承载力计算 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 - 7 - 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 - 8 - 第二章 环境条件 2.1 导管架平台主要功能 本文设计的导管架平台为三桩腿简易平台，用于埕岛海
16、域边际油田的开采，包括甲板、桩腿、导管架等部分。平台上部模块重量为 200t。 2.2 环境条件 （ 1）设计水深 ： 15.0 米 （ 2）潮位： 以渤海平均海平面为基准 设计高水位 ： 3.48 米 ； 校核高水位： 4.68米 设计低水位： -3.02米 ； 校核低水位 : -4.05 米 （ 3）波浪（ 50 年重现期） 设计高水位最大可能波高： 3.2 米 ； 对应周期： 7.8 秒 校核高水位最大可能波高： 5.1 米 ； 对应周期： 8.2 秒 （ 4）海流 表层流速： 136cm/s 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 - 9 - 中层流速： 123cm/s 底层流速 : 109c
17、m/s （ 5）风速（ 50 年一遇） 风速： 50 年一遇 10 分钟平均风速 25.0m/s （ 6）海冰： 设计冰厚（ 50 年一遇）： 0.45m 抗压强度： 2300kPa （ 7）腐蚀和磨损： 飞溅区构件腐蚀裕量： 3mm； 飞溅区定义标高： -2.83m-3.98m 冰接触区构件磨损量： 1mm； 冰接触区标高： -1.14m +1.93m 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 - I - （ 8）土壤条件 表 2.2 土壤条件 2.3 设计标准 2.3.1平台用途和主要功能 平台主要功能是在浅海如渤海锦州地区进行石油开采。 2.3.2 使用年限 设计使用年限为 15 年。 2.3.3
18、 平台用钢材 导管架和桩基钢材所用 D32 钢材，甲板采用 Q235 钢材，据浅海固定平台规范，各钢材的屈服应力及许用应力如下表所示： D32 Q235 屈服应力 315MPa 235MPa 许用应力 189MPa 141MPa 土壤 层号 土壤 名称 深度 m 有效容重 KN/m3 设计抗剪切强度 C(Kpa) 1 非常软粉质粘土 0 4.8 7.1 8 2 软粉质粘土 4.8-10.9 8.9 8-35 3 砂质粉砂 10.9-15.1 9.4 f=47.8kPa q=1.9MPa 4 细砂 15.1-18.6 9.9 f=81kp q=4.80Mpa 5 硬粉质粘土 118.6-22.9 9 76 6 粉质细砂 22.9-24.6 24.6-27.0 27.0-29.2 9.5 9.5 9.5 f=81kpa q=4.80Mpa 7 细砂 29.2-56.4 9.9 f=96kPa q=9.6MPa 8 非常硬粉质粘土 56.4-62.5 9.6 120 9 粉质细砂 62.5-74.1 10.8 f=96kPa， q=9.6MPa 10 非常硬粉质粘土 74.1-94.6 9.6 150
