1、1海上石油平台结构设计浅议摘要：随着社会的发展与进步，重视海上石油平台结构设计对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍海上石油平台结构设计的有关内容。 关键词：海上石油平台结构设计工具软件原则 中图分类号：TU318 文献标识码： A 文章编号： 引言 海上平台结构设计是海上平台设计的一个非常重要的组成部分。特别是对于海上平台的安全性和可靠性至关重要。海上平台结构设计包括设计导管架结构及甲板结构和附属结构等各个方面的内容。 一、平台结构设计的原则 平台结构设计总的原则是: 先进、合理、安全、经济、满足规范要求, 且方便采办、制造、安装、检验和维护等。结构总体布置的基本原则是: 总体布局合理,
2、 传力路径短, 构件综合利用性好,材料利用率高, 满足其他专业对结构形式的要求。结构材料选取的基本原则是:结构材料的选取既要考虑强度要求,又要考虑结构工作场所的环境条件,在结构中的部位和可能使用的加工方法等。为了具体实施平台结构设计的原则,设计人员需要不断地总结经验,有所发现,有所发明, 有所创造, 有所前进。二、结构分析工具软件 2我国和国外许多单位都已研制开发出有关海洋平台结构的分析程序。下面是一些常用的海洋平台分析软件: 1) SACS 程序。SACS( Structural A nalysis Computer System)程序由 Engineering Dynamics,INC.开
3、发,是用于海洋平台结构分析的软件。它被世界上的百个与海洋工程有关的设计公司或石油公司使用, 并得到世界各个权威检验机构的认可。 2) MOSES 程序。 MOSES(Mult-i Operational Structural Engineering Simulator)程序由 Ultramarine,inc.开发,是用于海洋工程结构分析等领域的软件。其前身为 1977 年问世的 Oscar 程序(该程序至今仍然广泛用于浮式结构的分析和设计) 。 3)SESAM 程序。SESAM 程序由 DNV 开发, 是用于海洋工程结构分析等领域的软件。适用范围包括:导管架和上部设施;半潜式平台;张力腿平台;
4、系泊系统; 浮式系统和重力式平台。 4)ANSYS 程序。 ANSYS 程序由 ANSYS,Inc.开发,为第一个通过 ISO9001 质量认证的分析设计类软件。在海洋工程领域, ANSYS 程序已用于导管架平台结构有限元分析, 海底管线有限元分析, 半潜式平台及锚泊定位系统有限元分析。另外, ANSYS 程序的 Design Space 等模块曾经用于深海探测器的结构分析与设计, 据应用者反映该程序使工作进度大大加快。 5)TNOWAVE( PDPWAVE) 程序。TNOWAVE(PDPWAVE)程序由 Profound B. V.开发, 是用于桩基础分析等领域的软件。 三、导管架设计 33
5、.1 结构总体布置 1. 基本原则 总体布局合理，传力路径短，构件综合利用性好，材料利用率高，满足其他专业对结构 型式的要求。 2. 一般考虑 在进行结构总体布置时，一般应考虑如下几个方面： 1） 应尽量使杆件在各种受力状态下都能发挥较大作用,杆件数量和规格力求少，结构尽量对称； 2）不宜在飞溅区内设置水平构件； 3）不宜在冰作用区内设置水平构件和斜撑； 4）一般情况下，管节点宜设计为简单节点； 5）导管架斜撑的角度（即与水平面夹角）宜在 45 度左右； 6）导管架腿的表观斜度宜在 10：17：1； 7） 隔水导管与结构的连接: 如业主没有指定，对于动力响应较明显的平台（如三腿或独腿平台） ，
6、水上部分（包括在甲板和导管架的水上水平层上） ，隔水导管和甲板?导管架的连接要用焊接方法固定，水下部分用楔块固定； 8）各桩的受力力求均匀； 9）对于滑移装船吊装下水型导管架，滑靴的布置与吊点的布置要协调考虑； 10）装船滑靴的横向间距的确定应考虑预制场地与运输驳船滑道的4间距； 11）应考虑钻井?修井的要求。 3.2 结构构件的选取 1结构构件的选取要综合考虑强度、刚度、稳定性和经济性这几方面的因素。 2不论是成品钢管还是卷制钢管，如有可能，尽量减少所用材料的规格。 3对于管型构件的选择要考虑下列因素： 1）D/t 比：不宜大于 60，对于卷制焊接钢管不应小于 20，最好大于 30； 注：D
7、-中性直径，t-壁厚。 2）Kl/r：对主要杆件不宜大于 120； 注：k-有效长度系数，l-侧向无支撑长度，单位为米（m） ，r-回转半径, 单位为米（m） 。 3）-Y-K 节点:主要节点:d/D=0.40.8，次要节点: d/D 取值可稍小些； 注：d-支杆直径，D-弦杆外径。 3.3 结构材料选取 1. 基本原则 结构材料的选取既要考虑强度要求，又要考虑结构工作场所的环境条件，在结构中的部位和可能使用的加工方法等。 2. 一般考虑 5结构用钢材基本上全部实现了国产化。因此除业主有特别要求外，一般考虑使用国产钢材，相应的，应使用国家标准。卷制钢管,组合梁的尺寸应满足规格书中规定的有关国内
8、和国外的标准。还应考虑制造商的卷制能力。 所选的材料（屈服强度、韧性要求等）及规格、型号必须是能够生产和制造的规格。对国内材料的选取更要注意所选的材料或型号是产品目录中列出及能够生产的。结构分析中使用的屈服强度要与所选用的材料一致。选用钢材时要考虑钢材的冲击试验温度低于预期的最低工作温度以下 1030（D/t 比大于 30 为 20，D/t=2030 为 30，D/t 在 20 以下为 10） 。对于关键管节点部位还要考虑材料的 Z 向性能。还应注意在同一最小设计温度（气温或水温）下，选用的钢材等级随着材料厚度的不同而有所不同。除了导管架腿上的管节点处使用 Z 向钢材外，对浅水导管架（暂以 5
9、0 米水深为界） ，其他位置均不使用；对深水导管架，可根据其结构情况，对其他位置酌情少量使用。对甲板部分，一概不用。 3. 材料替代 经平台作业者的同意和检验机构的认可，可以使用化学成分和机械性能相当、能满足设计要求的其他牌号的钢材替代原设计指定牌号的钢材。 四、平台上部结构设计 4. 1 甲板结构总体布置 1) 基本原则: 传力路径短, 构件综合利用好, 材料利用率高。 62) 在进行甲板结构总体布置时,一般考虑如下几个方面: a.甲板结构布置: 在甲板上的设备布置尽量做到重量对称的情况下,甲板结构布置尽量对称,以利于结构均匀受力; b.杆件数量:应尽量使杆件在各种受力状态下都能发挥较大作用
10、,杆件数量力求尽可能少;c.节点设计:要尽可能使用简单节点,避免使用搭接节点;d.隔水导管和甲板的连接: 要明确隔水导管支撑两端的连接方法;e.滑靴横向间距的确定: 如果考虑甲板结构滑移装船,则滑靴横向间距的确定应考虑预制场地滑道和驳船滑道间距的可调整范围; f.应考虑钻井、修井的要求: 如使用平台钻机、修井机,则需考虑结构的局部加强;如使用钻井船进行修井作业等, 则需要考虑甲板标高和悬臂尺度是否能满足使用要求。 4. 2 甲板标高确定 1) 底甲板梁底的标高确定:底甲板的标高= 2/3 最大波高( 重现期为 50 年或 100 年)+ 极端高水位 + 1. 5 m 不确定因素。 2)甲板的层
11、数: 根据需要,由总图专业确定。3)甲板的层间距: 要考虑设备的高度、设备操作空间、电缆及管线的放置。 4. 3 结构构件的选取 结构杆件的选取要遵循以下几个原则:1)大小梁尺寸: 要有明显差别, 以便区分和连接;2)杆件类型、材料规格:不宜太多, 必要时可予以调整;3)对管型杆件的选取要考虑 D/ t 比, 一般介于 20 60 之间( 最好大于 30);如果大于 60, 则要按照 API RP 2A 的要求对材料的容许应力进行折减; kl/ r: 对主要杆件不宜大于 120。 4. 4 结构材料的选取 71) 结构材料的选取既要考虑强度的要求,又要考虑工作环境的要求;2)甲板立柱上的主要节
12、点、吊点用板应使用 Z 向性能钢材; 3)在性质满足要求的情况下, 钢材应尽量使用国产材料。 结束语 综上所述，海上平台结构设计是海上平台设计中不可或缺的组成部分，并且对于海上平台的安全性和可靠性起着至关重要。因此，重视海上平台结构设计的每个环节具有重要的意义。 参考文献 1 赵英年. 海洋石油生产平台平面布置设计原则 J . 中国海上油气(工程) , 1994( 1) : 39-40. 2 何学谦 . 对结构设计中两个关键问题的探讨 J . 山西建筑 ,2009, 35( 8) : 91- 93. 3海洋石油工程设计指南 6 编委会. 海洋石油工程平台结构设计M . 第 4 册. 北京: 石油工业出版社, 2009.
