1、 本科毕业论文 （ 20 届） 南海 200m 水深导管架平台结构设计 所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目录 1. 前言 .1 1.1 我国石油工业的现状 .1 1.2 我国石油产业的国际竞争力分析 .1 1.3 我国石油企业与外国同类企业竞争力的比较 .2 1.4 我国石油依存度的未来发展趋势 .3 2. 导管架平台结构设计依据 .4 3. 环境条件和设计依据 .7 3.1 甲板高程 .7 3.2 环境条件 .7 3.2.1 设计水深 .7 3.2.2 潮位 .7 3.2.3 波浪 .7 3.2.4 风 .7 3.2.5 海冰 .7 3.
2、3 平台设计依据 .8 4. 风荷载计算 .9 4.1 平台的环境载荷 .9 4.2 风载荷计算思路和过程 . 10 5. 冰载荷计算 . 12 5.1 冰载荷选取 . 12 5.2 冰载荷计算 . 12 6. 波浪载荷计算 . 13 6.1 波浪载荷计算公式 . 13 6.2 波浪载荷计算方法 . 13 7.平台模型的建立 . 19 7. 1 结构简化 . 19 7. 2 边界条件 . 19 7. 3 计算程序 . 19 7.4 MSC.Patran 建模 . 20 8.平台结构及受力详图 . 21 8.1 导管架图 . 21 8.2 横向风 +冰 +甲板载荷工况受力分析图 . 24 8.3
3、 45风 +冰 +甲板载荷工况受力分析图 . 27 8.4 横向风 +浪 +甲板载荷工况受力分析图 . 30 8.5 45风 +浪 +甲板载荷受力分析图 . 33 9.设计所选场地调查 . 38 9.1 一般要求 . 38 9.2 海床调查 . 38 9.3 地质调查 . 38 9.4 土质勘察和试验 . 38 10.毕业设计总结 . 40 10.1 设计要求及目标 . 40 10.2 自身不足之处总结 . 40 10.3 设计缺陷总结 . 41 10.4 设计感言 . 41 参考文献 . 42 外文翻译 . 错误 !未定义书签。 摘 要 本设计以中国南海海域的自然 环境条件为依据，运用 Au
4、toCAD 软件绘制草图，然后使用 MSC.Patran 有限元软件，建立有限元模型。先计算海风、和波浪以及冰等环境载荷，然后分析各种工况下，平台结构的安全性，实用性和经济性，对结构进行了静力分析、动力分析和位移分析计算，结合规范，校核强度，得到结构合理的最后设计方案。 导管架式钢材海洋平台目前是世界上近海海洋石油开发应用最为广泛的一类海洋平台结构型式。由于导管架海洋平台长期置于在恶劣的海洋环境中工作 ,不管是在正常的海况还是在极限的海况，即便强度足够，在风、浪、流等的环境载荷作用下，都有可 能使平台产生过大的振动响应。而过大的振动将会危害到人员身心健康、威胁到结构安全、以及降低平台设备的精确
5、性和可靠性、降低平台的适应性和在各种情况下生存性能，因此有效地优化平台模型、检测平台的动力响应就显得尤为重要。 【关键词】 ： 导管架平台； 结构； 载荷； 强度；分析 1 Abstract The design of the natural conditions of South China Sea for the design basis, Using AutoCAD drawing application ,Then use MSC.Patran finite element software, finite element model to establish platform. Co
6、nsidering the wind, waves and ice loads on the basis of the environment, In various cases, combined with safety, operability and economy, its structure of static analysis, practicability analysis and displacement analysis and calculation, which are structured final design. Steel jacket offshore plat
7、forms are widely employed in offshore petroleum activities throughout the oceans of the world at the present time. Offshore platforms are very complex and the external wave force on the platform is uncertain. Thus, these platforms are prone to excessive wave-induced oscillations under both operating
8、 and extreme conditions. It results in injury of human health, structural fatigue and failure, reducing the accuracy and reliability of the equipments on the platforms, lowering the serviceability and survival of the platforms. Hence, the durability of the equipments and the safety for the structure
9、s, it is essential to predigest platforms and predict the dynamic response effectively. Key words: platform jacket; structure; static; strength; analysis1 1. 前言 近 20年来，海洋开发领域由近海向远海、由浅海向深海不断推进，新的可开发资源不断发现，这归根结底都是海洋工程技术迅猛发展的结果。目前，在海洋工程领域，已形成了以海洋资源勘探开发技术、海底深潜技术、海水淡化技术等海洋工程技术为主的市场导向型海洋技术体系。海洋平台是石油开采业向水下
10、进军的一个产物。 1.1 我国石油工业的现状 我国是世界上石油资源较为贫乏的国家，截至 2000 年低，我国探明的石油剩余储量约为33 亿吨 (BPS Review of World Energy June 2001)，仅占世界石油剩余探明总储量的 2.3%。世界石油资源主要分布在中东、中美洲 (墨西哥、委内瑞拉 )、俄罗斯、北非和西非地区。 我国原油生产能力约为 1.70 亿吨左右，约占世界总原油生产能力的 5%。我国原油生产远远不能满足国内需求，每年需进口原油 4000 一 7000 万吨。我国原油 加工能力约为 2 亿吨，可生产各种石油产品。自 1992 年以来，我国每年出口石油产品约
11、300 一 600 万吨，进口石油产品约 1000 一 3000 万吨，每年净进口石油产品约 1000 一 2500 万吨。 我国目前主要生产油区有 25 个 (大庆、吉林、辽河、华北、大港、冀东、新疆、塔里木、吐哈、玉门、青海、长庆、四川、胜利、中原、河南、江汉、江苏、滇桂黔、新星、天津、深圳、湛江、延长、上海，据中国石油和化学工业协会资料 )，其中，大庆是我国最大生产油区，生产能力约为 5300 万吨， 2000 年，生产石油 5300 万吨。胜利是我国第二大生产油 区，生产能力约为 2660 万吨， 2000 年生产石油 2676 万吨。辽河是我国第三大生产油区，生产能力 1400万吨，
12、 2000 年生产石油 1401 万吨。与国外相比，我国油田总体生产能力和生产效率低，如美国原油采收率可达 50%，而我国全国平均仅为 29%(不包括三次采油 )。我国石油开采业基本特点是，主力油田进入开发中后期，油田综合含水率上升，成本增高，效益下降，增产难度大。 我国石油下游炼化部门的装备和技术在过去 20 中得到较大程度的更新和发展，如催化裂化、催化重整、加氢裂化、加氢精制等，但与世界发达国家和新兴国家及地区相 比，我国的炼化程序和技术总体上还处于落后水平，集中表现在高档次产品比例小、产品质量低、产品回收率低、能源耗费高等。 我国石油工业目前有三大石油集团公司：中国石油天然气集团公司、中
13、国石化集团公司和中国海洋石油集团公司。 2001 年，石油集团销售收入 3401 亿元，利润总额 530 亿元；石化集团销售收入 3600 亿元，利润总额 128.1 亿元；中海油销售收入 303.8 亿元，利润总额 96 亿元。与国际石油大公司相比，我国石油公司在运营的主要指标上均有一定差距。 1.2 我国石油产业的国际竞争力分析 2 所谓国际竞争力是指，在自由的 市场条件下，能够在国际市场上提供更好的产品、更好的服务同时又能获取利润、提高本国人民生活水平的能力。为了能够对我国石油产业的国际竞争力作出定量分析和评估，以下我们试图利用国内外都较为通用的两个重要参数 出口绩效相对指数 REP(I
14、ndex of Relative Export Performance)和贸易专业化系数 TSC(Trade Specialization Coefficient)来加以说明和比较。 REP=某产品出口占国际市场份额全部出口占世界出口的份额。公式为： REP=(XijiXij)/ (jXij ijXij)。 式中， Xij 为 i 国 j 产品的出口额； iXij为 j 产品的世界出口总额； jXij为 i 国的总出口额； ijXij为世界总出口额。在自由、开放的市场经济环境下， REP 主要用于在国际市场上对不同国家的同一产业进行国际竞争力的比较。 REP1 时，表明该产品 (产业 )有国际
15、竞争力；REP0，表示该国在该类产品的生产效率高于国际水平，具有较强的出口竞争力； TSC0 时，表明该产品 (产业 )有国际竞争力； TSC0 时，表明该产品 (产业 )缺乏国际竞争力。 TSC 值越大 (不超过 1)，表示该产 品 (产业 )国际竞争力越强。 有了上面介绍的两个重要参数，我们就能够据此对我国石油在经过换算后有一定出入和误差，故这里计算的 REP 参数不完全代表各主要产油国竞争力的绝对状况，而只反应中国与这些国家的相对状况。 在 25 个世界最主要石油生产国中，我国的出口绩效相对指数 REP 最低，仅为 0.24，不仅低于世界主要的石油生产国如沙特、俄罗斯、挪威、美国、墨西哥
16、、委内瑞拉、英国、尼日利亚、利比亚等，也低于石油世界一般的石油生产国如巴西、埃及、哈萨克斯坦、阿尔及利亚、马来西亚、印度尼西亚、澳大利亚、印度等，表明我国 石油产业的国际竞争力状况较为落后。 1.3 我国石油企业与外国同类企业竞争力的比较 以上是我们利用 REP 指数和 TSC 系数对我国石油产业的总体竞争力状况所作的分析、比较结果。为了使分析更为全面、更具客观性，以下我们试图将我国主要石油企业的竞争力状况与外国石油企业的竞争力状况作一分析和对比，以对我国石油产业的竞争力状况有一个进一步的了解和认识，同时也为检验以上结论。 3 对于企业竞争力的评判标准，目前学术界通常根据其产品竞争力、成本竞争
17、力和潜在竞争力三者之和进行判断。产品竞争力包括产品质量、产销率、市场占有率、产品价 格、工业增加值率、吨产品收入等；成本竞争力包括综合能耗、开工率、销售利润率、净资产收益率、流动资产周转次数、人工成本比率等；而潜在竞争力则包括企业规模、企业集中度、劳动生产率、资产净流量、资产负债率、固定资产产出率和销售收入等。为节省篇幅，抓住重点，本文着重选取一些主要参考指标进行分析、对比。 企业规模： 2000 年，美国有炼油厂 158 个，总加工能力为 82560 万吨，单个炼油厂平均年加工能力为 522 万吨，墨西哥有炼油厂 6 个，单个平均年加工能力 1270 万吨；巴西有炼油厂 3，单个平均年加工能
18、力 685 万吨；荷兰有炼 油厂 6 个，单个平均年加工能力 990 万吨；德国有炼油厂 17 个，单个平均年加工能力 669 万吨；俄罗斯有炼油厂 43 个，单个平均年加工能力 775 万吨；韩国有炼油厂 6 个，单个平均年加工能力 2116 万吨，伊朗有炼油厂 9 个，单个平均年加工能力 818 万吨。而 2000 年，我国共有炼油厂 95 座，炼油企业平均加工能力仅为228 万吨年，见表 3，不到世界平均水平 535 万吨的一半。 (我国炼油厂加工能力绝大多数在100 500 万吨年之间，干万吨级的炼厂只有 3 个。中石油和中石化两大集团下属的 67 家炼油厂平均加工能力仅为 334 万
19、吨。 1.4 我国石油依存度的未来发展趋势 我国石油进口依存度的未来发展趋势，一方面要看我国未来的石油消费趋向，另一方面则取决于我国石油未来的生产能力。通过上面的分析可以看到，随着经济的发展，我国石油需求的持续增长已成定局。从石油供给方面看，与持续膨胀的石油需求相比，石油生产的增长乏力早已是一个不争的事实。能源机构的预测显示， 2010年中国石油消费总量可能在 3.5亿吨左右，国内产量 1.8亿吨，有 50%需要从国外进口； 2020年，中国最低石油需求估计为 4.5亿吨，国内产量比较有把握的是 1.8亿吨，需要进口 2.7亿吨 ，对外依存度为 60%；如果 2030年至 2040经济持续增长
20、的话，中国原油产量大概能剩下 1亿吨，需要进口 5亿吨之多，那意味着对外依存度将达到 87%。 总之，我国已进入分享国际石油资源的世界级石油进口大国行列。随着石油进口依存度的不断提高，面临的国际风险将逐渐加大。我们必须正视现实，加紧我国石油储备的建设，以应对国际石油市场的风云变幻与油价的剧烈波动，保证国民经济的正常运转与可持续发展。4 2. 导管架平台结构设计依据 本课题结合 南海 200m水深导管架平台结构设计，对于深水导管架平台的研究，目的是通过 MSC软件、 AutoCAD和相关规范的学习，完成平台载荷计算以及相关数据整理；完成 Patran中建立正确的模型；利用 Nastran计算平台
21、应力及位移，调整相关构件尺寸，得出符合强度的尺寸。能锻炼个人运用软件建模、分析，整理信息，并利用规范约束，来锻炼导管架平台结构设计的能力。 详细步骤如下： 学习 MSC.Patran有限元软件在平台结构中的应用 平台选型、主尺度和构件尺寸的确定 环境载荷计算及各工况载荷的组合 用有限元软件 MSC.Patran建立平台有限元模型 分别对平台进行不同工况载荷分析比较 总结、分析，得 出设计结果 平台设计尺寸选取 此导管架采用四桩腿导管架式平台，包括导管架、桩基。平台的工作自然环境为南海。结合实际，查找规范，确定为 200 米水深（水面至泥面距离）。主体平台设计为四边长度都为 19.7m.各层之间
22、的高度按规范确定，下一层的水平导管长度增加值由相邻两层之间的高度与下一层的两边增加值按 10:1 的比例确定，增加量为 2 。各层之间采用 K 型斜撑，水平横撑采用两个K 型支撑组合。整体 Z 轴导管架采用外径 2600mm，内径 2500mm 的圆柱体 . 水平平台、横撑和斜撑都采用外径 750mm，内径 670mm 的圆柱 体，桩腿高度为 7 倍导管架直径 h=18.2m 米 .外径为 2300mm，内径为 2200mm 的圆柱体。 5 图 2.1 第一层水平导管架连接形式和尺寸 图 2.2 导管架结构示意图 1500*801500*80R1300197001:1 015 00 *8 023 00 *5 0泥面位置SW L15 00 *8 026 00 *8 815 00 *8 015 00 *8 015 00 *8 015 00 *8 026 00 *8 8ML26 00 *5 026 00 *5 0等效后的导管尺寸等效后的导管尺寸导管尺寸导管尺寸斜撑尺寸桩腿尺寸
