海洋平台结构单重及优化

2022-08-11梅华东胡性涛文志飞王小冬

中国海洋平台 2022年3期

梅华东，胡性涛，文志飞，王小冬，张帅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

海洋平台的重量控制是油田开发方案、平台类型和安装方案的重要输入基础，直接关系到项目建设支出和收益率，有时甚至决定项目是否具有开发的经济性。固定式海洋平台干重中2/3以上为结构钢材重量[1]，钢材采办及建造在新建设施的费用投入中占比为10%～15%。若安装时考虑钢材重量对方案的影响，钢材重量的控制对费用影响占比则更高，因此，有效控制平台结构钢材重量对优化平台安装方案、减小工程开发投入具有重要意义。

1 上部组块单位面积结构重量

海洋平台结构钢材重量与平台面积、结构形式和总载荷等因素有关。对轴间距、总体布置及工艺设施重量接近的井口平台，不同设计者完成的平台结构设计重量也有一定差异。因此，弄清平台单位面积结构重量对项目前期结构钢材估算具有重要意义，同时，对照单位面积重量可以有效评估结构钢材用量比例，及时进行结构优化等工作。

表1为近年国内新建的中心/综合平台重量数据。由表1可知：甲板单重为360～482 kg/m2，单重最重的超出482 kg/m2，单重差异超过1/3；除标准化设计的平台外，平台一般单重差异为 20～30 kg/m2，中心平台一般甲板面积约1万m2，单重每优化20 kg/m2，钢材用量将减少200 t；对处于重量控制临界的平台，200 t对保证安装资源合理化具有更大意义。

表1 国内近年新建的中心/综合平台重量数据

2 上部组块结构单重影响因素

为进一步探讨影响平台单重的相关因素，从表1中找到结构形式、操作重相近但甲板钢材单重相差62 kg/m2的金县1-1 CEPA(简称金县1-1)与渤中34-1 CEPA(简称渤中34-1)进行对比。图1为2 个平台的立面示例，方框中为2个平台主立柱尺寸。

单位：mm图1 金县1-1与渤中34-1平台主结构立面示例

2.1 杆件截面

对比2个平台的结构设计图纸，发现金县1-1普遍采用大直径小壁厚的杆件进行设计，较好地利用杆件的截面特性，在实现结构整体受力时有效降低结构单重。以主立柱尺寸为例分析杆件截面对结构单重的影响。

由图1方框中杆件尺寸规格的比较可知，金县1-1主立柱使用杆件尺寸外径为2 134 mm，局部壁厚都比渤中34-1小一个规格，立柱最长段为等壁厚。以等壁厚最长段杆件为例，金县1-1主立柱使用尺寸为2 134 mm×45 mm，渤中34-1主立柱使用尺寸为1 829 mm×45 mm。经过测算2 134 mm×45 mm杆件每米重为2 318 kg，惯性矩为0.16×1012mm4，抗弯模量为0.15×109mm3。1 829 mm×45 mm杆件每米重为1 979 kg，惯性矩为0.10×1012mm4，抗弯模量为0.11×109mm3。经对比发现：前者每米单重增加339 kg，增重比例为17.1%，但抗弯模量却增加0.04×109mm3，增加比例为36.4%，大比例增加抗弯模量更有利于杆件承受弯曲载荷；当其他条件相同时，截面面积相近惯性矩提高长细比则更小，整体提高了结构承载能力，结构综合承载效率更高。

在海油平台结构中，对于径厚比D/t≤60(D为圆管直径，t为圆管壁厚)圆管轴向允许压应力[2-3]为

(1)

式中：Fa为允许压应力；长细比λ=Kl/r，其中K为有效长度系数，l为圆管计算长度，r为圆管回转半径，r=(I/A)0.5，I为截面惯性矩，A为截面面积；Cc为长细比判定常数，Cc=(2π2E/Fy)0.5，其中，E为弹性模量，海洋平台高强焊接圆管若采用GB 712—2011 系列材质，则E取2.06×105MPa，Fy为屈服强度，取355 MPa。

由式(1)可知：Fa为λ的减函数，即长细比越大则Fa折减越多，允许应力越小；在相同支撑条件下，λ又为r的减函数，因此当界面面积A相近时，I与Fa同向增大，Fa为I的增函数。

同时，根据规范[2]要求，海洋平台大直径焊接圆管径厚比为20～60，弯曲允许应力计算式为

(2)

式中：Fb为弯曲允许应力。采用GB 712—2011 系列材质，1.74Fy/E约0.003，当径厚比D/t扩大3倍时，Fb降低0.01Fy，当截面面积相而近径厚比扩大时，抗弯模量W迅速增大，杆件实际弯矩应力σ为

σ=M/W

(4)

式中：M为弯矩。

以2 134 mm×38 mm和1 829 mm×45 mm两种钢管为例，截面积几乎相同，分别为0.250 2 m2和0.252 2 m2，径厚比D/t分别为56.1和40.6，抗弯模量分别为0.128 8 m3和0.109 8 m3，在长度、支撑条件、截面面积几乎相同的情况下，名义应力比减小9%，可见在结构设计中选择合适杆件截面对提升结构支撑效率具有重要意义。

2.2 应力水平

若平台结构设计过于保守，杆件尺寸普遍偏大会导致整个平台的钢材用量增加。结构设计过于保守在计算分析上的表现即为应力水平普遍偏低，未能充分发挥杆件的承载能力储备。为了衡量2个平台结构承载能力优化程度，根据2个平台的在位设计计算结果，从平台整体杆件应力水平上进行分析，提取2个平台在位静力分析杆件应力校核结果，如表2所示。

表2 杆件应力情况统计 m

由表2可知：金县1-1使用51种杆件类型，最大应力比在0.85以上为11个类型，占杆件类型总数21.6%，相同情况下渤中34-1占比仅6.6%，说明在充分挖掘杆件承载能力上前者做了较多优化工作，较好地控制整体结构使其处于一个合理的应力水平；从应力比小于0.4的分类上看，金县1-1仅1/3 的杆件类型处于低应力水平，而渤中34-1低应力杆件占比达51.2%，一半以上的杆件处于低应力水平，结构低应力意味着杆件尺寸、壁厚过大，结构设计不合理或者设计相当保守，整体钢材用量变大也是必然的结果。

另外，从节点冲剪应力校核上也能发现杆件壁厚选择是否合理或过于保守，如表3所示。

表3 节点冲剪应力情况统计 m

由表3可知，与杆件应力水平类似，渤中34-1没有节点冲剪应力比大于0.8，而金县1-1冲剪应力比大于0.8的节点占87.5%。在节点承载能力挖掘方面，金县1-1充分考虑平台特点、载荷位置、方向性等，做到结构设计与工况选择紧密结合。

在应力水平控制上，进行全杆件应力水平评价，在设计阶段合理设置主结构最大应力范围，对低应力水平的杆件进行适当优化。同时，综合考虑平台投资、后期改造需求，合理确定主结构的应力水平标准，这一控制手段建议放入结构设计规格书，报甲方批准。

2.3 结构整体方案

固定式海洋平台具有结构特殊性，由导管架提供支撑，平台一般设计为主立柱加V字形斜撑的伞状结构，外悬结构一般对称布置使整体受力更均匀。因此，在根据平台规模确定导管架轴间距后，适当增加外悬结构可以为平台提供更大的有效面积。

对比图2可知：金县1-1的A.2/B.2轴外悬18 m， A.1/B.1轴外悬8 m，4.1轴外悬9 m；渤中34-1的A.2/B.2轴外悬12 m，A.1/B.1轴外悬4 m， 4.1轴外悬6 m；前者外悬长度都远大于后者，为平台提供了更多有效甲板面积。在主立柱、主梁结构不变的情况下，额外提供550 m2的有效甲板面积，这部分面积仅需考虑增加局部斜撑和甲板梁，支撑的边际效率高，有效降低平台甲板单重。

单位：mm图2 金县1-1及渤中34-1平台平面框架示例

由于平台主要垂向载荷主要是设备自重，在重力作用下主梁向下弯曲，合理使用外悬结构使主梁在立柱处产生反弯点，在优化主梁受力的同时，也使主立柱端部的弯矩更加平衡，综合为轴力向下传递；对于立柱杆件，轴力是圆管结构最理想的受力形式，可充分发挥杆件结构的受力优势，提高钢材的利用效率。

3 上部组块推荐焊接构件尺寸

结合第2节的对比分析可知：影响上部组块结构单重的主要因素为杆件截面的选择、杆件应力水平控制和结构方案等。因此，在进行结构设计时，应遵循行业标准，选择合理的杆件类型，避免选择小尺寸大壁厚的杆件。小尺寸大壁厚不仅截面效率不高，而且易造成冷成型焊接圆管径厚比过小，在成型后管材内产生较强的冷作硬化效应，导致延性、塑性、冲击韧性和焊接性能显著降低[4-5]。

轧制工字钢、H型钢有较多成熟的国内外规范标准可参考，一般根据受力大小灵活选择，保证一定的强度储备即可。在选用圆管型材时如无特别的要求，使用径厚比大的钢管有利于结构减重。

海洋平台焊接构件的尺寸选择与设计者偏好有较大关系。经过第2.1节的分析和试算，为更有效发挥钢材的承载效率，常用焊接钢管管径壁厚尺寸推荐如表4所示，其他规格可以参考文献[6]。