渤海辽东湾油田导管架平台设计57页.docx
《渤海辽东湾油田导管架平台设计57页.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《渤海辽东湾油田导管架平台设计57页.docx（61页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
渤海辽东湾油田导管架平台设计57页
渤海辽东湾油田导管架平台设计
摘要
本文描述了中华人民共和国渤海辽东湾JZ20-2-3MUQ平台的设计进程和主要的设计结果。
MUQ平台是通过栈桥与井口平台连接的。
MUQ平台的甲板结构由两部分组成（东模块和西模块）。
生活舱在东模块的顶部。
MUQ导管架平台是一个四桩腿结构，使用年限为20年。
本文利用目前比较流行的有限元分析软件ANSYS进行建模求解。
根据所在海域的环境条件计算环境载荷；根据环境载荷，在各个工况下对平台进行动静力分析、地震响应分析、桩基承载力的计算等；根据计算结果不断调整简易平台各个构件的尺寸，最后得到结构合理、造价最少的最终设计方案。
关键词：
海洋平台设计；导管架；结构强度；ANSYS
TheDesignoftheMUQplatformatJZ20-2-3inLiaoDongWanofthepeople`sRepublicofChina
ThispaperdescribesthedesignprocedureandthemaindesignresultsofthejacketoftheMUQplatformatJZ20-2-3inLiaoDongWanofthePeople`sRepublicofChina（PRC）.TheMUQplatformisconnectedwith（MNW）wellheadplatformbyabridge.ThedeckstructureofMUQplatformconsistsoftwostructuralmodules（eastandwestmodules）.TheLivingQuartersisonthetopoftheeastmodule.ThejacketofMUQplatformisafourLeggedstructurewith4-piles,anditwillbeusedfor20years.
Inthispaper,themodelingandsolutionwerecarriedoutundertheenvironmentofthefiniteelementsoftwareANSYS,whichismorepopularatpresent.Afteracomparisonofseveraldifferentstructureformofsimpleoceanplatform,theoptimumschemecanbedetermined.Theenvironmentloadcalculationiscarriedoutbasedontheenvironmentalconditionofitsseaarea.AccordingtoTheenvironmentload,Analysisincludingdynamicandstaticanalysis,seismicresponseanalysis,calculationofpilebearingcapacity,etc,isperformedontheplatformundereachworkcondition.Aftercontinuouslyadjustingthesizeofeachcomponentofsimpleoceanplatformaccordingtothecalculationresult,wecangetthefinalschemewithreasonablestructureandlowestcost.
Keywords:
offshoreplatformdesign;jacket;structuralstrength;ANSYS;
第一章前言
随着社会的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的需求越来越大。
陆地上的油气资源经过长时期大规模的开发之后已日趋枯竭，油气勘探与开发渐渐转向了资源丰富的海洋。
海上油气开发是一种高风险、高科技的工程项目，在当今国际石油市场竞争激烈的情况下，如何以有限的投资对收益颇小的边际油田进行开发．使边际油田的开发取得一定的经济效益是一个值得研究的问题．
我国海洋高科技计划的实施，作为海洋开发基础设施之一的海洋平台结构的研究和建设正受到国内科研机构和产业集团的高度重视。
海洋平台是海上石油天然气能源的开发基地。
我国海洋平台多是导管架平台。
在海洋开发中，尤其是对浅海的开发中，各国广泛采用导管架平台。
导管架平台具有如下特点：
（1）平台的支承结构是以圆钢管为主要构件的钢结构，因此结构受力状态较好。
（2）由于桩是通过导管架腿柱打入海床，因此在恶劣的海洋环境中，桩打的准、打的直。
（3）打桩作业大大简化，保证平台结构的整体稳定性。
（4）平台可以在陆上分块预制，海上组装，保证施工质量，节约投资。
（5）导管架平台设计、制造及安装技术成熟，实践经验多，适用性强。
随着计算机技术的发展进步，SAP、ANSYS等结构分析软件被广泛的应用到平台及导管架的设计和强度计算中，并且发挥了重要的作用。
1.1国外海洋工程发展状况
世界石油开发的历史已有200多年，1990－1995年间，除美国以外全世界共安装了703座平台，其中83座为半潜式、张力腿式和可移动生产平台，41各国家安装了370多座水深不超过60m的浅水平台。
长期以来，桩基导管架平台是世界海洋石油生产中采用最广泛的一种结构。
以墨西哥湾海域的平台发展为例，1978年建造的“Cognac”钻井平台以极端的飓风载荷控制设计，导管架分三段建造；1981年水深285m的“Cerveza”平台则使用更为先进的整体制造，简化了结构且成本大大降低。
而北海的环境条件比墨西哥湾还要恶劣很多，海水腐蚀也更为严重，1974年建造的一座平台，其导管架所有的桩基在四角上，除主桩腿外周围又打入数根环绕桩，以增大抗倾覆能力。
1.2我国海洋工程发展现状
我国海域辽阔，大陆架面积约有110万平方公里，管辖海域近300万平方公里。
为开发利用海洋，我们建设了大量的海洋工程，其中用于油气开发的海洋平台100多座。
海洋环境十分复杂和恶劣，风、海浪、海流、海冰和潮汐时时作用于结构，同时还受到地震和海啸的威胁。
从1966年渤海建造第一座钢质钻井平台到1980年对外合作勘探开发的15年里，我国自主设计建造了11座固定式钻井平台、7座固定式平台、1座自升式平台、1座单点系泊系统和3艘工程船舶。
虽然我国海洋石油开发较晚，但近年来通过对外合作，引进国外先进技术，加上自己研究开发，已在该领域取得了显著的进步。
2004年，国内最大石油平台——渤海南堡35－2油田开发项目平台组块建造工程开工，南堡35－2CEP/WHPB平台总重达到了12000多吨。
其中CEP平台组块长64米、宽59米、高20.6米，重达8000余吨，WHPB平台也达到了4000吨。
本文介绍了浅海15.5米水深海上生活动力导管架平台的设计，主要包括以下几方面内容：
1．环境条件和设计依据的确定
2．平台选型、主尺度和构件尺寸的确定
3．环境载荷计算及各工况载荷的组合
4．建立ANSYS模型
5．平台静动力强度校核
6．地震载荷下强度校核
7．桩基承载力计算
第二章环境条件和设计依据
2.1环境条件
设计水深：
15.5米
潮位以渤海平均海平面为基准
校核高水位：
5.31米
设计高水位：
4.05米
设计低水位：
-0.40米
校核低水位:
-2.85米
波浪：
风浪为主，涌浪次之，强浪向SSW
1）50年一遇最大波浪
最大波高7.8m
对应波浪周期10s
2）操作工况
最大波高4.6m
对应波浪周期7.7s
海流：
方向：
强方向SSW。
表层流速：
214cm/s
中层流速：
214cm/s
底层流速:
214cm/s
风：
强风向：
NNE
阵风风速（3s）40.5m/s
10m处一分钟持续风速37.1m/s
10m处10分钟持续风速31.7m/s
海冰：
1）冰期12月-次年3月
2）设计冰厚（50年一遇）：
0.400m
3）单轴压缩应力强度：
层冰和叠冰23.5
冰塞
4）接触冰带海拔-0.4m到海拔+4.0m
腐蚀和磨损：
飞溅区构件腐蚀裕量：
6mm
飞溅区定义标高：
-4m-7m
冰接触区构件磨损量：
1mm
冰接触区标高：
-1.14m～+1.93m
地质资料如表2.1所示：
表2.1地基土壤的物理学特性
土壤
层号
土壤
名称
深度
m
有效容重
KN/m3
设计抗剪切强度
C（Kpa）
单位桩端承载力
（Mpa）
1
非常软粉质粘土
0－4.8
7.1
8
0.07
2
软粉质粘土
4.8-10.9
8.9
8-35
0.07-0.32
3
砂质粉砂
10.9-15.1
9.4
f=47.8kPa
q=1.9MPa
0.71-1.02
4
细砂
15.1-18.6
9.9
f=81kp
q=4.80Mpa
2.56-3.25
5
硬粉质粘土
18.6-22.9
9
76
0.68
6
粉质细砂
22.9-24.6
24.6-27.0
27.0-29.2
9.5
9.5
9.5
f=81kpa
q=4.80Mpa
4.02-4.36
4.36-4.80
4.80-4.80
7
细砂
29.2-56.4
9.9
f=96kPa
q=9.6MPa
9.60
8
非常硬粉质粘土
56.4-62.5
9.6
120
1.08
9
粉质细砂
62.5-74.1
10.8
f=96kPa，q=9.6MPa
9.60
10
非常硬粉质粘土
74.1-94.6
9.6
150
1.35
2.2设计依据
1.锦州20-2区域的环境条件;
2.渤海辽东湾锦州20-2-3平台的工程数据;
3.甲板模块和生活区的荷载。
设计水位以渤海平均海平面为准，设计高水位采用重现期50年高水位，设计低水位采用重现期50年低水位，校核高（低）水位=设计高（低）水位
K，K为常数，取用于《海洋工程环境概论》一书132页表4.3.6。
本文K采用葫芦岛的数值。
校核高水位最大可能波高采用50年重现期最大波高，设计高水位最大波高采用50年重现期有效波高。
风速在海冰作用下采用50年重现期10m处10分钟持续风速，波浪作用下采用3s阵风风速。
飞溅区定义标高的计算：
最高天文潮位-平均海平面+
X平均波高
最低天文潮位-平均海平面-
X平均波高
平均波高＝设计波高（即有效波高）除以1.500。
（P48表3.3.4P/3=1.500（浅水））
平台用途和主要功能：
本文所设计的导管架平台为浅海生活动力平台，包括甲板、导管架、桩基等部分。
平台上部设备总重量为2630吨。
平台用钢材：
平台所用钢材为：
桩基础和导管架均用
，按照规范要求，
钢材的屈服应力为315Mpa，许用应力取189Mpa；甲板使用Q-235-A，Q-235-A钢材的屈服应力为235Mpa，许用应力取141Mpa。
使用年限：
平台的使用年限为20年。
依据规范：
中国船级社《浅海固定平台规范》（2003）
第三章平台主尺度和选型
此平台采用桩基导管架结构，平台结构由4根主桩和上部平台组成。
甲板高程的确定：
当波浪冲击甲板和设备时，将产生很大的力，而且海水会对甲板上的设施产生很大的破坏。
为避免这一点，下甲板的底部应设置在能使设计波浪的计算波峰通过且带有适当的安全裕度的高程上。
应使用重现期为100年的指导性的无方向性波高，以及适用的波浪理论和波陡来计算包括指导性风暴潮在内的风暴水位以上的波峰高程。
为了确定下甲板底部梁的最小容许高程，以避免波浪冲击到甲板上，应将至少1.5m的安全裕量或空间加到波峰高程上，以考虑平台的沉降、水深的不确定性和极端波浪的可能性。
对已知或预期的长期海床沉陷情况，还应增加一定的间隙。
最终取h＝15.5m。
设计要求：
承载能力2630t。
考虑环境条件，决定采用摩擦桩基础四腿导管架平台：
平台甲板高程：
15.5m工作点高程：
7.8m
导管架尺寸：
上部工作点附近处（EL+5.85m）为13.39m×13.39m的正方形
中部（EL-3.5m）为15.26m×15.26m的方形
底部（EL-15.5m）为17.6m×17.6m
桩腿导管直径为ø1371×32，斜度为1/10。
导管架设3层水平横撑，潮差带不设斜撑，上下水平横撑尺寸为ø760×25，中间水平横撑尺寸ø710×25，斜撑尺寸为ø,760×25。
导管架底部设置防沉板，防沉板厚度为8mm。
选取摩擦桩桩径为1m，则根据CCS规范钢管桩壁的最小厚度t按下式计算：
t=6.35+D/100mm
式中D—桩径，mm
则取桩壁厚为30mm>t=6.35+1000/100=16.35mm。
桩入土深度为85m，总长为122.5m。
平台甲板采用板、梁结构，面积为25.7m×13m甲板板厚为8mm，Y向设6根主梁，X向设8根。
第四章环境条件计算
本章分别计算风浪流、风冰流两种工况下X和Y向的各种载荷。
4.1风载荷
4.1.1计算公式
作用于平台上的风载荷按下式计算：
（4.1）
式中p—风压；
A—结构垂直于风向的投影面积。
载荷作用在上述投影面积的形心位置。
其中，结构所承受的风压为：
（4.2）
为基本风压，标准高度为海面上10m
（4.3）
式中
—风压的高度系数；
—构件的形状系数。
、
取值见表4.1和表4.2
表4.1高度系数表4.2形状系数
h（m）
CH
构件形状
Cs
0~15.3
1.00
球
0.4
15.3~30.5
1.10
圆柱
0.5
30.5~46.0
1.20
大平板
1.0
46.0~61.0
1.30
钻井架
1.25
61.0~76.0
1.37
甲板以下暴露的梁和桁材
1.3
76.0~91.5
1.43
孤立结构
1.5
其中h（m）为构件距离海平面的高度。
4.1.2计算结果
表4.3风、浪、流工况下X向风载计算结果：
（风速40.5m/s）
名称
Po
P
F（kN）
M
作用点
工作间
1005.47
1106.02
630
11340
18
连接构件
1005.47
502.74
5.31
66.375
12.5
连接构件
1005.47
502.74
4.97
44.233
8.9
导管架
1005.47
502.74
2.16
13.824
6.4
导管架
1005.47
502.74
3.8
9.5
2.5
横撑
1005.47
502.74
4.98
49.8
10
横撑
1005.47
502.74
4.98
34.86
7
横撑
1005.47
502.74
4.98
29.133
5.85
等效载荷F=338.71kN，M=610.82kN*M
作用点距静水面15.5m
表4.4风、浪、流工况下Y向风载计算结果：
（风速31.1m/s）
名称
Po
P
F（kN）
M
作用点
工作间
1005.47
1106.02
438
7884
18
连接构件
1005.47
502.74
5.31
66.375
12.5
连接构件
1005.47
502.74
4.97
44.233
8.9
导管架
1005.47
502.74
2.16
13.824
6.4
导管架
1005.47
502.74
3.80
9.5
2.5
横撑
1005.47
502.74
4.98
49.8
10
横撑
1005.47
502.74
4.98
34.86
7
横撑
1005.47
502.74
4.98
29.133
5.85
等效载荷F=242.71kN，M=370.82kN*M
作用点距静水面15.5m
表4.5风、冰、流工况下X向风载荷计算结果（风速31.7m/s）
名称
F（KN）
M
作用点
工作间
196
3528
18
连接构件
3.254
40.65
12.5
连接构件
3.042
27.074
8.9
导管架
1.324
8.474
6.4
导管架
2.327
5.818
2.5
横撑
3.051
30.51
10
横撑
3.051
21.357
7
横撑
3.051
17.848
5.85
等效载荷F=112.52kN，M=95.53kN*M
作用点距静水面15.5m
表4.6风、冰、流工况下Y向风载荷计算（风速31.7m/s）
名称
F（KN）
M
作用点
工作间
165
2970
18
连接构件
3.25
40.625
12.5
连接构件
3.04
27.056
8.9
导管架
1.32
8.448
6.4
导管架
2.32
5.8
2.5
横撑
3.05
30.5
10
横撑
3.05
21.35
7
横撑
3.05
17.8425
5.85
等效载荷F=97.01kN，M=98.20kN*M
作用点距静水面15.5m
注：
为了在进行强度校核时简化计算并且减少应力集中，根据力的平移法则，将甲板上风载等效为一个集中力加一个弯矩，作用于导管架顶部，而甲板以下部分风载荷按照装腿和横撑分别受力并作用在各自的几何中心计算。
表格中“位置”均指构件中心距海平面的距离，“合力作用点高度”亦是指合力作用点距海平面的高度。
4.2冰载荷
4.2.1计算公式
作用于平台上的冰载荷按下式计算：
（4.4）
式中：
—桩柱形状系数，对圆截面柱采用0.9；
—局部挤压系数；
—桩柱与冰层的接触系数；
—桩柱宽度（或直径）；
—冰层计算厚度。
4.2.2计算结果
根据CCS规范挤压系数K1=2.5；接触系数K2=0.45；
由环境条件：
＝2303kPa；
由图纸资料：
b=1.511mh=0.4m。
则单个桩腿所受的冰载荷为：
0.9×2.5×0.45×1.511×0.4×2303=1409.33kN
由于桩腿之间的距离L=14.56>8D=12.09,按不考虑“群桩效应”进行计算。
4.3波浪、流载荷
4.3.1计算公式
对小尺度圆形构件，垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力
，当D/L≦0.2（D为圆形构件直径，m；L为设计波长，m）时，可按Morison公式计算：
N/m（4.5）
式中：
——海水密度，kg/m3；
——垂直于构件轴线的阻力系数。
必要时，应尽量由试验确定。
在实验资料不足时，对圆形构件可取
=0.6~1.0；
——惯性力系数，应尽量由试验确定，在实验资料不足时，对圆形构件可取2.0；
——水质点相对于构件的垂直于构件轴线的速度分量，m/s，
为其绝对值，当海流和波浪联合对平台作用时，
为水质点的波浪速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量；
——水质点相对于构件的垂直于构件轴线的加速度分量，m/s2。
当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度上的海流载荷
按下式计算：
N/m（4.6）
式中：
——阻力系数；
——海水密度，kg/m3；
——设计海流速度，m/s；
——单位长度构件垂直于海流方向的投影面积，m2/m。
设计海流速度采用平台使用期间可能出现的最大流速。
4.3.2计算结果
在ANSYS程序中，提供了支持圆管形构件的流体静力、动力效应的Pipe59单元，能够有效模拟海洋环境中的导管架结构，所以需要在ANSYS模型建立之后，将有关波浪和海流参数填入watertable表格中，程序将根据所选用的波浪理论对使用了Pipe59单元的结构进行波浪力及流力的计算。
考虑到所给出的环境资料（H/d>0.2），选用斯托克斯五阶波进行计算，斯托克斯五阶波相关公式如下：
波面方程为：
（4
.7）
迭代求L、
方程为：
（4.8）
其中
为深水波长
（4.9）
速度势方程为：
（4
.10）
相位角为：
（4.11）
波形系数：
速度势函数：
其中
、
、
、为系数。
4.4甲板设备载荷
该平台为石油生活动力平台，其设备总重约为2630吨，计算时甲板载荷等效为4个各657.5吨的质量单元，作用于桩腿顶端的节点之上；平台结构的自重通过输入z轴方向的重力加速度（9.8m/
）由ANSYS程序自动生成。
4.5工况和载荷组合
4.5.1波流工况
1）X方向上（0°方向），波浪力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重
2）Y方向上（90°方向），波浪力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重
4.5.2海冰工况
1）X方向上（0°方向），冰力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重
2）Y方向上（90°方向），冰力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重
第五章有限元模型的建立
本章针对所选平台方案进行有限元模型的建立，为进一步计算平台的静力分析、动力分析等做准备工作。
本设计采用世界大型通用有限元分析软件ANSYS进行建模及各项分析，本章分为三大部分：
ANSYS简介，建模准备工作，建模步骤等。
5.1ANSYS简介
ANSYS是世界上著名的大型通用有限元分析软件，是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
它融结构、热、流体、电磁、声学分析于一体，广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、土木工程、水利、铁道等各种工业设计和科学研究。
ANSYS软件主要包括三部分：
前处理模块、分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力分析、电磁分析、声场分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示等多种图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
ANSYS提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
下面对本文在计算中使用的单元类型作简要介绍。
5.1.1Beam188单元特性
BEAM188适用于分析细长的梁。
具有扭切
升级会员 