渤海固定平台的生活模块标准化设计及应用实例

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司， 天津 300459)

0 引 言

渤海海域以往建成的海上固定式油气生产平台的住人生活模块(又称生活楼)的设计工作均根据各工程项目自身具体情况(例如：定员人数、甲板层高、设计环境条件、直升机型号、平台上部组块甲板空间尺寸、生产操作方的需求/建议等)有针对性地开展，结果造成即便是相同人数的生活模块在不同项目平台上的设计成果也不尽相同，有些项目设计的经验不能充分地用来提高后续项目的工作效率和设计质量。

近年来随着越来越多规模近似、住人生活需求相同、整体尺寸相对固化的生活模块大批量出现，为规范海上固定平台的生活模块设计，使各类不同规模的生活模块设计标准化，中海石油(中国)有限公司于2015年10月27日印发了《海上固定平台生活楼总体规划指南 2015(暂行)》[1](下文简称《指南》)。在此基础上，可根据操作生产、钻修井作业的住宿需求，将定员人数划分为几个明确的等级，为每个定员等级的生活模块选用《指南》推荐的设施配置和总体布局形式开展工程设计，形成一套标准人数的生活模块设计模板/成果文件，直接应用于后续项目生活模块的建造，最大限度地节省生活模块的设计工期、降低设计成本、提高设计成果质量。这将是渤海海上固定平台接下来的工程设计思路和项目实施趋势。

1 生活模块标准化设计意义

渤海海域目前总计有150余座已建固定式海上石油平台，长期有人值守并进行生产作业的有近100座。对于有人常驻的平台，需在平台上较安全的区域(一般为上层甲板的上风处)设置生活模块设施[2]。生活模块是空间相对独立的功能模块，与平台油/气生产区适当隔离，为平台常驻人员提供住宿餐饮、通信办公、娱乐健身、卫生保洁、紧急救助(大部分生活模块设有直升机甲板)等功能服务。

生活模块功能房间设置如下：居住用房、厨房、餐厅、食品库房、洗衣房、更衣室、吸烟室、厕所、淋浴间、医务室、报务室、会议室、办公室、资料室、健身房、候机室、储藏室、配电间及应急配电间等。

为保证生活模块服务于海上油(气)田的经济有效开发、实现海上油(气)田的整体效益最大化，根据固定式海上石油平台的功能、生产定员、作业和维修工作量以及相邻平台等生产设施的有关情况，合理分类，规范相应的生活模块定员规模，推荐划定7个级别的定员人数[1](120人、100人、80人、60人、40人、30人、10人)，进行标准化生活模块设计。

(1) 节省设计工期。1个80人的生活模块从基本设计开始至详细设计结束，总设计工时估计约2.5万个(人×小时)。如采用标准化生活模块设计成果，这一设计过程将直接简化为：在总体开发方案(Overall Development Project， ODP)设计结束后直接将标准化设计成果用于加工设计，从而为工程项目缩短大量设计工期。

(2) 节省设计费用。根据第1.1节设计工时可推算出，1个80人生活模块的总设计(基本设计+详细设计)费接近200万元。

(3) 提高设计质量。在推行生活模块标准化设计过程中将充分考虑设计环境条件、平台布置、生产操作人员的实际需求等各方面因素，最大限度地保证后使工程项目应用该生活模块设计成果的可靠性、严谨性，提高生活模块标准化设计成果的可重复使用率。

2 生活模块标准化设计的依据和途径

2.1 标准化设计的实施依据

渤海海域固定平台的常规生活模块设计在最近十几年以来的数十个海上工程项目中不断积累设计和使用经验，已基本形成类型化、同质化设计。《指南 》[1]对7种不同定员人数(见表1)的生活模块进行了标准化布置，同时要求生活模块在满足安全生产需要的前提下，其房间布置和相关配置要尽可能合理、紧凑。关于在渤海不同油田推行生活模块标准化设计的可实施性有如下分析。

表1 《指南》对于7种定员人数生活模块的推荐设计尺寸

2.1.1 按人数配置房间

当不同项目的平台在ODP阶段确定了相同的设计定员人数时，按平台定员人数可确定生活模块相应的标准化规格、尺寸、层数，在生活模块中根据人员的工种/职务进行分配的居住用房的配置(面积、位置)也相应固定不变，与平台定员人数相配套的公共餐厅、厨房、洗衣间、冷库、厕所、淋浴间、更衣室、吸烟室、医务室、报务室、会议室、办公室、资料室、健身房、候机室、储藏室、配电间及应急配电间的尺寸和布置(舾装专业)也能统一确定。

2.1.2 直升机甲板使用要求

渤海常规平台(除蓬莱区域外)的直升机设计参数近年来早已趋向标准化：携载12人的“贝尔212”和“西科斯基76C+”两者中的最大尺寸为18 m，最大起飞质量5.306 t。

2.1.3 配管、安全专业设计

当不同平台生活模块的设计定员人数相同时，正常生活用水(淡水、海水)及污水(黑水、灰水)、消防用水、地漏开排等管线系统(配管、安全专业)的配管接口数量及尺寸也能统一确定，生活模块与平台组块间的配管预留接口位置原则上也可统一规划确定。

2.1.4 电气、仪表、通信、空调/暖通专业需求

当不同平台生活模块的设计定员人数相同时，电气/照明、仪表、通信、空调/暖通等专业的设备设施空间布置需求，以及设备材料质量也可统一确定；自带中央空调的生活模块可看作具有独立功能的设备模块， 可参照定型成撬设备与平台组块的连接原则确定固定的连接接口设计。

2.1.5 结构专业设计荷载考虑因素

基于各专业根据固定人数设计的标准化结果，结构专业对于不同平台只需考虑不同的外界荷载。由于海浪、海流、海冰作用不到生活模块上，只有地震参数、风速这2个环境因素因平台场址不同而给生活模块结构带来不同的载荷，故标准化生活模块的结构应根据渤海海域的最大地震参数和风速数据进行设计[3]，以应对极端状况。

2.1.6 建造/安装方式对生活模块结构设计的影响

除环境条件外，另一个对生活模块结构设计影响显著的因素是生活模块的建造/安装方式：一般的井口平台由于上部组块采用吊装方式进行海上安装，其生活模块也需单独进行海上吊装安装；而对于大型浮托安装的中心平台，其生活模块一般是在组块陆地建造期间在组块上层甲板完成陆地结构安装后，随即进行分片建造安装，在平台上部组块出海前生活模块也完成全部的陆地建造、安装、连接、调试工作，生活模块随上部组块一同装船出海。海上吊装安装的生活模块结构设计考虑工况比随组块一体化建造的生活模块多了装船和吊装2种计算工况，相应的结构框架(杆件截面尺寸)也较强。对海上吊装安装的生活模块结构设计需区别于随组块一体化建造、安装的生活模块。

综上所述，当人数相同时，选取较大的地震参数和环境风速极值设计生成的生活模块标准化设计成果可满足渤海其他油田平台的使用要求。

在使用标准化的生活模块设计成果文件时，需注意的问题如下：

(1) 由于需适应生活模块设计成果标准化的尺寸，后续新建项目的平台组块需根据生活模块的支点跨距、支撑结构要求，进行组块顶层甲板的结构和总体设计(可能涉及部分组块梁、柱、斜撑的调整)。

(2) 由于生活模块设计环境气温条件取渤海最高、最低的极值，相应的空调暖通设备的尺寸、功率、质量等也偏大。

(3) 生活模块结构按照最不利的地震、风力作用荷载以及吊装工况设计的结果必然导致生活模块结构用钢量较大，相关建造费用增加。

(4) 生活模块内的配管、暖通、舾装布置空间将随结构框架的增强而调整局部布置，以适应结构梁、柱、斜撑尺寸局部增大的影响。

2.2 标准化设计的落实途径

2.2.1 设计基础数据的搜集

搜集整理以往项目的工程设计资料(数据样本采集自渤西/曹妃甸区域、渤南区域、渤中/秦皇岛32-6区域、辽东区域、蓬莱区域等5个渤海主要油田区域)，选取其中具有代表性的渤中34-9 CEPA/WHPB、锦州25-1南CEPF、渤中34-2/4 CEPA、渤中34-1 WHPF、南堡35-2 CEP/WHPB、秦皇岛32-6 CEPI/CEPJ、绥中36-1 CEPO，以及蓬莱1/3/8/9项目的CEPB/WHPG/WHPV共13座固定平台生活模块的主要设计参数和环境基础数据，汇总列表进行逐项比较。

生活模块的设计主要参数包括：定员人数、房间层数，直升机甲板尺寸和荷载能力，生活模块房间和结构框架的主尺寸(长宽高)，生活模块的底部支点数、支点跨距，生活模块所在上部组块的甲板位置、标高。

生活模块设计环境基础数据包括：环境风速，气温、空气湿度，地震参数，生活模块所在组块甲板位置的地震响应加速度。

2.2.2 输入条件的选择

通过逐项对比，最终筛选出最大的一组地震参数(目前经比较，渤中34-9油田的地震参数最大)和环境风速极值(对比选取渤南区域和辽东区域2者风速数据中的较大值，渤西海域和渤中海域风速极值均偏小)作为标准化生活模块的设计基础输入数据。

蓬莱区域与渤海其他海域生活模块设计条件差异极为明显：地震参数和直升机选型参数均与渤海其他油田差异很大；生产操作方康菲石油公司对生活模块的使用要求也异于其他油田。因此，目前标准化生活模块设计成果仅适用于蓬莱区域以外的渤海油田区域。

2.2.3 标准化设计输入参数的使用及设计成果的关键输出项

渤中34-9油田开发项目的详细设计工作(2017年上半年)正在开展阶段。在渤中34-9油田开发项目80人(CEPA)和40人(WHPB)生活模块的详细设计输入数据中，根据第2.2.2节确定的标准化生活模块设计输入参数，参照《指南》[1]的相关要求及推荐配置，开展80人(CEPA)和40人(WHPB)生活模块的标准化设计，生成达到详细设计深度的标准化设计成果。

在80人(渤中34-9 CEPA)生活模块的结构计算报告中列出的生活模块参数[3]有：操作工况下的支反力，地震条件下的支反力，装船条件下的支反力，运输条件下的支反力，安装条件下的支反力。

以后的新建项目如确认采用渤中34-9项目的生活模块设计成果，可直接将其支反力数据加载至新油田项目平台上部组块结构的相应支点处进行结构计算、校核。

设计单位在渤中34-9项目详细设计结束时，需提交完整的80人生活模块(含结构、总体舾装、机/管/电/仪/通信等各专业)的标准化详细设计成果(含可编辑版图纸/文件、结构计算模型，以及应用PDMS软件生成的3D模型)，以将其作为后续渤海新建平台(除蓬莱区域外)的生活模块的建造加工设计的直接输入文件。

3 工程应用实例

正在进行工程设计的曹妃甸6-4 CEPA平台的80人生活模块是实际使用(渤中34-9 CEPA)80人生活模块的标准化设计成果的工程项目。该应用实例详情如下。

3.1 输入数据比较

标准化生活模块与曹妃甸6-4油田设计参数对比(地震、风速)如表2～表5所示,其中：βm为反应谱最大值；T0为反应谱起始点周期值；T1为反应谱第1拐点周期值；Tg为反应谱特征周期；C为标准或规准反应谱下降段衰减指数；αmax为地震影响系数最大值；Amax为海底泥面地震动峰值加速度；K为地震因数，其值为峰值加速度/重力加速度。在表2和表3中，概率水平的定义是指在下列若干年中达到某一上限数值的发生概率，例如，50 a 63%是指在50 a内达到该地震值的发生概率为63%。概率水平与重现期的关系大略可描述为：50 a 63%约等于重现期50 a，50 a 10%约等于重现期500 a，50 a 2%约等于重现期2 500 a。

表2 标准化生活模块设计地震参数

表3 曹妃甸6-4油田生活模块设计地震参数

表4 标准化生活模块设计环境风速 m/s

表5 曹妃甸6-4油田生活模块设计环境风速 m/s

从表2～表5对比可知：曹妃甸6-4油田的地震加速度和环境风速均小于标准化生活模块的结构设计输入条件，后者完全覆盖了曹妃甸6-4油田的数据极值范围。80人标准化生活模块的结构强度完全可满足曹妃甸6-4 CEPA平台环境条件要求。

3.2 总体布局

渤中34-9 CEPA生活模块在组块顶层甲板的位置与曹妃甸6-4 CEPA生活模块的对比如图1和图2所示。

从2个平台上层甲板的总体布置可知：2个生活模块第一层甲板的卸货区域均位于右侧，无需进行生活模块第一层甲板布局调整，标准化生活模块总体布局适用于曹妃甸6-4油田CEPA平台。

图1 渤中34-9 CEPA平台详细设计总图

图2 曹妃甸6-4 CEPA平台ODP总图

图3 渤中34-9 CEPA平台80人 生活模块结构三维模型

3.3 建造、安装方式比较

渤中34-9 CEPA生活模块与曹妃甸6-4 CEPA生活模块都是在上部组块陆地建造期间在组块上层甲板完成陆地结构安装后随即进行分片建造安装，在平台上部组块出海前生活模块完成全部的陆地建造/安装/连接/调试工作，随上部组块一同装船出海、整体浮托安装。生活模块结构模型如图3所示。

曹妃甸6-4 CEPA组块结构专业计算80人生活模块支反力，可在渤中34-9 CEPA生活模块结构专业的计算报告中找到相关数据，干重/操作重数据也可直接使用渤中34-9 CEPA生活模块质量控制报告中的相应数据。

从第3.1节～第3.3节3个方面的分析可以得出结论：渤中34-9油田CEPA平台80人生活模块标准化设计成果可直接应用于曹妃甸6-4 CEPA平台设计。

通过使用渤中34-9 CEPA平台80人生活模块的设计成果，曹妃甸6-4 CEPA平台在基本设计和详细设计阶段均可省略该平台的80人生活模块的绝大部分相关设计工作，只需在考虑曹妃甸6-4 CEPA上部组块与生活模块的相关设计界面接口(结构、配管、电气、仪表、通信)时，按照渤中34-9 CEPA生活模块的相关数据设计组块一边的专业界面接口，满足新开发油田项目的生活模块在最短时间内开展建造加工设计的时间需求。

该项标准化设计成果的实际应用，预计可节省曹妃甸6-4油田开发项目约200万元左右的设计费(基本设计+详细设计)和2.5万个设计工时。

3.4 实际应用中需注意的细节问题

渤中34-9 CEPA平台和曹妃甸6-4 CEPA平台在设计细节上仍存在差异，需在后续工作中予以考虑。

(1) 组块与生活模块间的结构支撑设计。曹妃甸6-4 CEPA平台组块上层甲板生活模块所处位置的结构形式在基本设计阶段需根据渤中34-9 CEPA生活模块的下部支点数量和跨距进行设计，即需根据渤中34-9 CEPA生活模块支点位置修改曹妃甸6-4 CEPA组块相应支撑结构的梁、斜撑等主结构布置形式。

(2) 生活模块的救生艇登艇甲板设计。渤中34-9 CEPA平台生活模块第1层甲板悬挂的2艘60人救生艇与曹妃甸6-4项目的救生艇尺寸(影响生活模块登艇甲板结构尺寸)以及吊艇架尺寸(影响生活模块登艇甲板支撑吊艇架处的加强梁位置设计)可能均有所不同，在曹妃甸6-4 CEPA生活模块的建造加设阶段、预制生活模块的第1层甲板前，其登艇甲板的结构小梁布置需根据曹妃甸6-4项目的救生艇实际制造尺寸和吊艇架出厂尺寸进行调整。

4 结论及建议

海上固定平台的标准化生活模块设计工作的实施方式为：将生活模块的定员人数限定在7个标准级别中，对相应房间布局进行优化配置，选取渤海海域最大的地震参数(不包括蓬莱区域)、最大环境风速极值(对比选取渤南区域和辽东区域两者中较大风速极值)、标准配置的直升机参数(直径18 m、起飞质量5.306 t，不适用于蓬莱区域)进行设计输入。该设计成果可覆盖渤海全部区域(除蓬莱区域外)的固定平台生活模块。今后的新建项目可根据本项目情况在7个标准定员级别中选择适用的标准化生活模块设计成果直接应用于建造加工设计。

标准化生活模块设计的实际应用案例：在进行渤中34-9油田开发工程项目的生活模块详细设计工作时，按照标准化设计选取的设计参数开展其设计工作，生成的详细设计成果经分析判定后可直接应用于曹妃甸6-4 CEPA平台80人生活模块，取得了非常显著的降本增效成果：降低约200万元设计费、节省约2.5万个设计工时。

鉴于目前阶段已生成80人标准化生活模块设计成果，建议在以后的渤海油田工程建设中，视工程项目的具体实际情况，择机将其余120人、100人、60人、40人、30人、10人的生活模块标准化工作确定到具体的项目详细设计工作范围中推进实施，生成相应定员人数级别的标准化生活模块设计成果，以达到完全涵盖渤海全部新建平台的生活模块设施的目的，大幅减小生活模块基本设计和详细设计阶段的重复性工作量，进一步提高渤海油田固定平台的生活模块设计水平。