三桩筒型基础平台的结构和拖航稳性分析与应用

付小丽,万 军,曲兆光

(1.中国石油集团海洋工程有限公司,天津 300280;2.中海石油(中国）有限公司天津分公司,天津 300452）

三桩筒型基础平台的结构和拖航稳性分析与应用

付小丽1,万 军2,曲兆光2

(1.中国石油集团海洋工程有限公司,天津 300280;2.中海石油(中国）有限公司天津分公司,天津 300452）

以渤海湾应用的典型三桩筒型基础为例,通过结构静力分析和拖航稳性分析,推导出结构浮运重量与吃水对应关系,为结构设计和浮运施工方案提供理论依据。现场施工证明了计算分析的正确性,并对渤海近年该典型结构海上成功应用实例进行介绍,以期开阔工程技术人员海上简易平台设计思路,为极浅海海洋工程技术提供有益参考。

三桩筒型基础;火炬桩;静力平衡;初稳性

我国渤海湾极浅海的边际油田属于陆相油藏,油藏储量分散、地质复杂,并且渤海海洋气候环境多变,开发难度非常大,若采用常规开发模式,投资大、风险高、经济收益低。随着工程技术水平的提高和新技术的应用,许多以前难以开发的小型边际油田逐步得以开发利用。筒型基础技术就是众多新技术成功应用于边际油田开发的典型实例。

根据不同工程使用要求和工程地质条件,筒型基础可分为单筒结构、三筒结构、四筒结构等。如图1所示,渤海湾极浅海区域人工岛所使用的火炬桩,由于其独立于岛外,岛体整体布局不受影响。该火炬桩为三桩筒型基础结构。

图1 人工岛火炬桩布置示意Fig.1 Man-made island suction pipe foundation

本文以火炬桩筒型基础为例,对结构、拖航稳性、座底稳性进行了计算分析。筒基结构一般由三个直径为2.5～9 m、高3～10 m的筒型结构组成,各筒之间由空间钢架结构或箱型结构连接,构成三角形基础结构。该基础在拖航过程中,筒基内气体提供一定的浮力。如果筒基结构自身浮力不能满足结构浮运吃水要求,可额外增加筒基内气体压力或浮筒,以满足筒型基础结构浮运吃水和稳性要求。该基础可采用海上漂浮拖航和负压下沉技术进行海上拖航和海底贯入施工。

为了保证筒型基础的结构强度和拖航就位时安全可靠,我们采用海洋工程分析软件进行结构强度和刚度校核、采用船舶稳性原理进行稳性分析、采用等体积压缩原理和浮体静力平衡原理计算结构重量和吃水的关系,从而为工程设计与施工提供可靠理论依据。

1 结构分析

1.1 结构模型建立

以火炬桩结构为例,筒基用空间钢架结构连接,根据结构特性,通过刚度和质量的等效处理,用等尺寸圆形截面的梁单元对结构进行模拟简化,将筒基模拟成强构件单元。

有限元模型如图2所示,确定其基本的有限元力学模型,模型共33个节点,77个三维梁单元。计算时综合考虑浮体结构在拖航和座底就位后受环境荷载和上部设备载荷作用的影响。

图2 有限元结构模型Fig.2 Finity element structure model

1.2 计算结果与分析

根据《海上固定平台设计与建造技术规范》[1]、《钢结构设计规范》[2]和《Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design》[3]AISC S335规定,承受拉压和弯曲荷载的构件,其强度σ按式(1）计算:式中:N为构件所受内力;A为构件截面积;M为构件所受弯距;W为构件剖面模数。

结构选用屈服强度为235～250 MPa的材料,其结构许用应力[σ]值141～150 MPa,结构构件计算结果见表1和表2。

表1 计算结构最大名义应力值Tab.1 Structure maximum nominal stress calculation

表2 计算结构最大内力值Tab.2 Structure maximum internal force calculation

从表1中计算结果可知,结构上所有节点构件的名义应力值小于材料的许用应力,主要节点冲剪应力满足规范要求。由表2中计算结果可知,构件内力值都很小,火炬桩结构强度储备大,筒型基础结构上各点的位移变形值都在允许范围之内,最大位移发生在结构的中心处,在结构刚度、稳性满足规范要求的情况下,该结构材料尺寸可根据计算结果和规范有关要求适当减小,以降低材料成本,这里不再详述。

2 稳性分析

我们根据《船舶静力学》[4]中稳性计算理论进行稳性计算,按照《海上移动平台入级与建造规范》[5]对其进行底座稳性分析。

2.1 重心计算

在分析结构初稳性之前,我们首先要确定浮体的重心位置,根据结构的重量分布和结构尺寸,整个浮体结构的重心Z的竖坐标按式(2）计算:

式中:G为筒基总重量;gi为筒基各部分的重量;Zi为与gi相对应的重心竖坐标。

2.2 稳性分析

2.2.1 初稳性

根据船舶理论,初稳性也称小倾角稳性,即倾角小于5°或上甲板边缘开始入水前的稳性。我们假设筒基上部为甲板,按照船舶等体积倾斜原理分析初稳性,以倾覆力矩最大方向来计算初稳性,即在小角度倾斜时,恢复力矩与初稳性高度或倾斜角均可近似成线性关系,此时的恢复力矩也是最小值。如果该方向初稳性是稳定的,如图3所示,则浮体结构对于其它任何方向的倾斜都是稳定的,如式(3）。恢复力矩亦同,如式(4）。

式中:h0为初稳心高度;r为初稳性半径;a为浮心与重心间距。

式中:K为稳性衡准数;M恢为恢复力矩;M倾为倾覆力矩。

由计算可知,两参数均满足规范要求。

图3 稳性示意Fig.3 Sketch map of stability

2.2.2 座底稳性

当结构拖航就位时,考虑海床地质条件影响以及风、浪、流荷载和浮力的作用,座底稳性计算如式(5）。

式中:Wo为减去浮力后的结构重量;Yo为Wo对倾覆轴的水平距离;Mzq为作用在结构上倾覆力矩的总和。

由计算可知,结构座底稳性满足规范要求。“移动规范”要求,作业工况时 Kzq≥于1.5;自存工况时Kzq≥1.3。

3 拖航吃水分析

该结构拖航时,筒基倒扣在水中,浮力来源于筒内被压缩空气,筒内气体高度可按等体积气体压缩原理来计算,然后再根据浮体静力平衡原理计算筒基的吃水。

3.1 静力平衡原理和计算公式

以在入水前和入水后的单筒内气压变化为例,分析和计算筒基的重量与吃水的关系,其原理如图4,计算式如式(6）～式(8）。

式中:P0为标准大气压;H0为浮筒高度;P1为浮筒内压缩气体压强;H1为浮筒内压缩气体高度;Δh为浮筒内外水高度差;r为海水密度;T为浮体吃水。

图4 吃水分析原理Fig.4 Schematic diagram of draft analysis

3.2 结构重量与吃水关系

由式(6）～式(8）推导出结构重量与吃水关系式(9）:

式中:W为筒基重量;S为筒基截面面积;其余参数同上。

根据式(9）,计算并绘制出不同筒基重量与吃水关系的理论计算值,并做出关系曲线,见图5。

在实际拖航中,筒基重量5t,实际吃水测量值为1.29 m。从图中我们可看出,理论计算和实际吃水值结果相吻合。此分析适用于筒基平台结构重量不大的情况。如果平台结构重量大于筒基提供的浮力,可采用增加浮筒方式或增加筒基内气压的方式来解决。

图5 重量与吃水关系Fig.5 Relationship between weight and draft

4 应用

由于三桩筒型基础结构简单、适应性强、造价低、施工方便,无需大型配套海上施工资源,已被广泛应用。例如火炬燃烧器、靠船设施、护管护缆平台、无人井口平台等。

4.1 火炬桩

较早运用此结构的张巨河人工岛火炬桩位于张巨河人工岛西北100 m处,该地区属于不规则半日潮,水深一般在0～3 m左右。该结构由三个直径为2.5 m、高3 m的筒型结构组成,各筒之间由空间钢架结构连接构成等边三角形基础结构(图6）。这种结构形式施工快速有效,不需大型工程设备。在下沉就位后采用负压贯入技术,将筒内空气和水排空,在重力作用下贯入土层,通过调节各筒排水排气量,调整下沉姿态和速度,使结构均匀下沉,再通过清淤将结构均匀贯入到设计深度。该方法快速简单,不需大型施工机具和打桩,施工费用低,很好地解决了不同水深运移和施工定位的难题。

图6 火炬桩三维模型Fig.6 3D model of burner boom pile

4.2 系缆平台

系缆平台应用在渤海辽东湾,该地区水深一般在5～7 m。该结构由三个直径为4 m、高5 m的筒型结构组成,在各筒基上部用空间圆管钢架结构构成等边三角形基础结构(图7）。上部主柱直径1.5 m。基础上部平台设置系缆机构,供船只靠泊系缆用,平台上部通过栈桥与其它平台连接。

图7 系缆平台三维模型Fig.7 3D model of dolphin platform drawing

4.3 无人井口平台

无人井口平台应用在渤海辽东湾,是渤海第一座采用筒型基础结构形式的无人井口平台。该地区水深一般在5～7 m。该结构由2个直径约为6 m、高7.5 m和1个直径约为7 m、高7.5 m的筒型结构组成,各筒之间由三角形的钢制箱型梁结构连接构成(图8）。主柱直径约1.6 m,但主柱没有布置在结构中心,而是位于直径较大的一个筒基结构上。主柱装有抗冰结构,上部平台甲板上可放置修井机进行修井作业。

图8 无人井口平台三维模型Fig.8 3D model of unmanned well platform

5 结束语

通过以上理论计算分析和工程实例的成功应用,可以总结出以下结论:

(1）与单桩结构相比,三桩筒型基础结构优点是在泥面处的结构刚性更好,可以承受更大的环境荷载,更适应渤海极浅海淤泥层较厚的地基条件。

(2）三桩筒型基础结构形式简单,施工方便,不需要大型海上施工机具设备和打桩设备,适应性强,可重复使用;同时由于是独立的火炬系统,使得平台总体布置不受其影响,设计更灵活,因此其综合经济效益更好。

(3）拖航时,需要注意筒体内气体压力值应满足浮体静力平衡条件,以防在拖航中发生漏气可能性,选择理想气候窗进行海上施工作业。

(4）在上述实例中,因火炬桩结构重量轻,筒体自身可提供足够的浮力;如果结构重量过大,筒体自身不能提供足够的浮力,则采用增加浮筒方式满足拖航吃水要求。

(5）由冰荷载引起的结构振动问题,目前还没有好的办法解决。

[1]中国船级社.海上固定平台入级与建造规范[S].北京:人民交通出版社,2005:32-34.

[2]张启文,夏志斌,黄友明,等.钢结构设计规范(GB50017—2003）[S].北京:中国建筑工业出版社,2003:17-22.

[3]James M Fisher,Roger E Ferch,Hansraj G Ashar,etc.Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design[R].American Chicago,Illinois,American Institute of Steel Construction,INC.(AISC）S360 2005:400-405.

[4]盛振邦,杨尚荣,陈雪深.船舶静力学[M].上海:上海交通大学出版社,1992:19-35.

[5]中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[S].北京:人民交通出版社,2005:131-140.

Analysis and application of three-suction pipe foundation platform structure and towing stability

Fu Xiaoli1,Wan Jun2,Qu Zhaoguang2

(1.CN PC Of fshore Engineering Company Ltd.,Tianjin 300280;2.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin 300452）

Taking the typical three-suction pipe foundation applied in Bohai Bay as an example,its structure towing stability,and foundation stability was calculated and analyzed.Based on it,the correspondence relationship between structure’s floating weight and draft was derived,and provided a theoretical basisfor the structural design and construction plan of floating.Meanwhile,the successful application instances of this typical structure in Bohai Bay in recent years are introduced in order to expand design ideas of minimum platforms and provide useful information for the application of offshore engineering technology in extreme shallow water.

three-suction pipe foundation;burner boom pile;static balance;stability

P752

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.100

1008-2336(2011）01-0100-05

2010-10-18;改回日期:2010-12-23

付小丽,女,1971年生,钻井工程师,1994年毕业于西南石油大学海洋石油工程专业,现从事海上钻井专业工作。E-mail:fuxl.cpoe@cnpc.com.cn。