船舶与海洋工程论文浅海储罐平台设计与分析word格式模板.docx
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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，各国对开发海洋油气资源的热情和投资越来越高，海上石油的勘探和开发得到迅猛发展。
目前世界上己有39个国家（或地区）从事近海石油开发，22个国家（或地区）从事近海天然气开发。
我国幅员辽阔，海洋资源丰富，大陆架面积约有110万平方公里，渤海，黄海，东海和南海的沉积盆地面积较大，天然资源储量丰富，其中具有油气勘探价值的面积就在60万平方公里以上，即一半以上的海域有宝贵的石油。
据相关资料显示目前已探知的石油储量可达250亿吨，为我国海上石油天然气资源的开发奠定了良好的基础。
我国的海洋石油勘探开发始于1957年，改革开放以来，我国的海上石油开发更是进入了如火如荼的高速发展期，到2000年生产能力已达到2000万吨。
目前海洋石油己成为我国重要的原油生产基地。
早期近海油田开采的油气多通过海底管道输往陆地油库，经初加工后再由陆地油库中转外输。
随着海上油田逐渐向远离海岸的深水发展以及边缘井采油的出现，由于在深水海域建造水下输油管难以施工，边缘井产量较小，建造水下输油管不仅经济上不合算，而且输油工艺上也有困难，所以从60年代起就出现了海上就地储油技术——储罐平台。
钢质导管架储罐平台是目前使用最广泛的一种储罐平台，在使用上布置灵活、周转期短、效益高，平台的设计、制造及安装技术日益成熟，实践经验多，适用性强。
针对浅海海域状况，导管架平台设计仍具有广阔的开发前景。
计算机技术的发展进步，SACS、MSC/NASTRAN、ANSYS等各种结构分析软件的广泛应用，为平台及导管架的设计和强度计算提供了良好的技术支持。
其中，由美国EDI公司开发研制的SACS（STRUCTURALANALYSISCOMPUTERSYSTEM）软件久负盛名。
该软件最早起源于航空航天技术及其程序代码，已发展成当今海事结构设计分析中应用最广泛的软件系统，目前有超过300家专业海事结构设计公司采用SACS系统。
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个国家安装了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。
目前整个世界的趋势都是向深海进军，美国、挪威及英国等欧美国家海洋工程开发技术较成熟，建造的平台水深较深，正在探索综合利用深水张力腿平台技术、单圆柱平台（SPAR）技术以及桶形基础技术等开发出新的平台形式。
1.2我国海洋工程发展现状
我国第一座固定式导管架平台是1966年12月底成功地安装在渤海湾水深6m处油田上。
1986年3月，渤海石油公司平台制造厂为南海涠10－3油田成功制造了井口导管架平台，标志着我国导管架平台制造已经达到了世界先进水平；适合于我国海域的钢筋混凝土平台研制工作也取得了很大进展；大连造船厂1985年首次按国际规范标准建造平台模块。
这些进展标志了我国海洋工程技术和近海油气田开发已进入海洋开发新近阶段。
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。
通过对深海导管架结构进行简化，我国在3个月之内成功设计建造了CB35井、CB151井和CB11A井平台，开创了我国浅海石油开发的历史起点。
之后的几年里，导管架工艺不断得到开发和改进，在结构上出现单层或双层平台，桩腿也发展到3腿式、4腿式和6腿式等，平台面积更是从4平方米至400平方米各尽其能。
本文介绍了浅海5.2m水深海上石油储罐平台的设计，主要包括以下几方面内容：
1．学习SACS软件在平台结构设计过程中的应用；
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SACS模型；
5．对储罐满载和空载时的平台进行静力、动力强度分析及校核；
6．对储罐满载和空载时的桩基承载力计算及校核。
第二章设计条件
2.1环境条件
2.1.1水深和潮位
⑴设计水深
平均水深（黄海平均海平面）5.20m
⑵潮位
校核高水位（50年重现期）3.69m
设计高水位2.43m
黄海平均海平面0.00m
设计低水位-1.85m
校核低水位（50年重现期）-3.70m
2.1.2波浪（50年重现期）
本海区以风浪为主，涌浪出现教少。
强浪向是SSW、SW向，出现的频率分别是23.3%、7.5%。
校核高水位最大可能波高5.2m
对应波浪周期8.1s
设计高水位最大可能波高4.6m
对应波浪周期7.8s
2.1.3海流
本海区潮流的运动形式为往复流，涨潮流主流方向为NE，而落潮流主流方向为SW和W。
涨潮最大实测流速
表层112cm/s
中层99cm/s
底层96cm/s
落潮最大实测流速
表层117cm/s
中层108cm/s
底层99cm/s
2.1.4风
a.风况
强风向：
SSW向
常风向：
NE（f=18%）。
b.风速
风速参考《辽河油田浅海油气区海洋环境》资料：
设计风速取31.6m/s
2.1.5海冰
设计冰厚（50年一遇）0.50m
抗压强度2120Kpa
流冰速度1.0m/s～1.1m/s
2.1.6海生物
平均海平面以下的构件考虑7cm厚的海生物附着。
2.1.7腐蚀和磨损
飞溅区的构件腐蚀裕量考虑5mm
飞溅区定义为标高-3.38m～5.50m
冰接触区构件磨损量考虑1mm
冰接触区为标高-2.35m～2.93m
2.2设计标准
结构设计采用了下列标准:
1）《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法-工作应力设计法》（SY/T10030-2004中华人民共和国石油天然气行业标准）
2）《浅海钢质固定平台结构设计与建造技术规范》（SY/T4094-95中华人民共和国石油天然气行业标准）
3）《寒冷条件下结构和海管规划、设计和建造的推荐做法》（SY/T10031-2000中华人民共和国石油天然气行业标准）
4）《滩海石油建设工程安全规则》（SY5747-1995中华人民共和国石油天然气行业标准）
5）《浅海固定平台建造与检验规范》（2004中国船级社）
6）《海上固定平台入级与建造规范》（1992中国船级社）
7）《海上固定平台、移动平台入级与建造规范补充规定》（1994中国船级社）
8）《海上固定平台安全规则》（国家经贸委2000）
2.3地质资料
参考采用《月东油田开发项目平台安装及海缆铺设路由地质勘察项目地质勘察中间报告》
2.4平台用钢材
平台用钢D36，屈服应力为355Mpa。
2.5设计寿命
平台设计寿命为15年,设计时极端环境条件采用的环境数据的重现期均为50年。
第三章平台选型和主尺度
此平台包括导管架、桩、上部组块、工作甲板，储罐。
平台导管架采用四腿斜导管架型式，导管架4个面的斜度均为10：
1；导管架顶标高5.1m，底标高-6.3m，工作点标高6.0m；主导管采用φ1538×32钢管，成矩形布置；在标高4.0m，-5.2m处设加强段，采用φ1574×50钢管，在标高4.0m、-5.2m处设水平拉筋及水平斜拉筋，分别采用φ711×25钢管和φ610×25钢管、φ711×25钢管和φ508×16钢管；在管节点密集区管节点加强，标高-5.2m采用φ1000X40钢管，标高4.0m采用φ711×35钢管，在标高4.0m与-5.2m之间采用K型斜撑，斜撑为φ700×22钢管；导管架上设靠船构件、并设有登船平台等附属构件。
桩采用φ1372开口变壁厚钢管桩，壁厚分别为45、38、32、25mm，共4根，桩入泥均为70.0m。
上部平台为两层梁板结构，梁顶标高12.0m,尺寸为21m×23m；主梁采用焊接H型钢H1200，次梁采用焊接H型钢H700,其余采用热轧H型钢HN400、HN300和HM300；甲板满铺10mm厚钢板；立柱采用φ1372×38钢管，在立柱管节点密集区管节点加强，采用φ1372×55钢管，斜撑采用φ700×26和φ500×16钢管。
工作甲板主梁采用焊接H型钢H400，其余采用热轧H型钢HN300。
储罐为立式圆柱形拱顶钢罐，容积为2000m 3。
第四章设计方法
4.1荷载计算
4.1.1固定荷载
固定荷载包括结构自重和设备自重等荷载，结构自重包括导管架、桩、上部组块、储罐以及其它附属结构的自重。
水面以下结构构件的浮力也是固定荷载的一部分，由SACS系统自动计算。
设备自重根据工艺总体布置提供的设备布置图确定，包括设备以及设备支撑的重量。
甲板上部储罐容量2000m 3，在计算模型中未建立实体，故采取均布加载的方式，加载于实际位置所在的甲板上。
作用位置如图4.1.1-1中方框所示。
其中罐为满载时在计算程序中使用荷载标识EQU1，ID号为guan-wet，等于20000KN；罐为空载时在计算程序中使用荷载标识EQU2，ID号为guan-dry，等于600KN。
图4.1.1-1
4.1.2活荷载
活荷载包括设备中的液体,人员活动等，人员活动荷载考虑2.5kPa。
在模型上均布加载于设备未占区的甲板单元上。
在计算程序中荷载标识为LIVE。
4.1.3风荷载
作用在结构上的风荷载采用SY/T10030-2004中2.3.2c节中的风力计算公式:
F=0.0473V2CsA4.1.3-1
式中:
F—风力,N;
V—风速,km/h;
Cs—形状系数;
A—结构物迎风面积,m2。
假定风速沿结构物高度不变。
极端波浪工况采用50年重现期的十分钟平均风速；极端冰工况采用50年重现期的十分钟平均风速。
形状系数的取值按SY/T10030-2004中的规定确定：
梁1.5
建筑物的侧面1.5
圆形截面0.5
平台总投影面积1.0
4.1.4波浪荷载
导管架平台是一种杆系结构，计算得到本平台D/L（杆件直径/波长）远小于0.2，故可按小尺度结构物受波浪力作用来计算。
本海区水深5.2m，采用STOCKS五阶波理论计算。
STOCKS波假定波动振幅是有限的，边界条件和连续条件可以是非线性的级数形式的函数，用有限个简单的、且频率成正比的余弦波迭加而成，其水质点运动为圆或椭圆轨迹，轨迹不封闭有一纯位移，其近似解的阶数越高越繁杂。
作用在构件上的波浪力采用Morison公式计算。
水质点的速度和加速度采用流函数理论计算。
对于圆柱体构件，阻力系数Cd和惯性力系数Cm取值如下：
Cd＝0.7Cm=2.0
波浪力的计算公式如下:
4.1.4-1
式中:
F—垂直构件轴线方向上的单位长度的水动力矢量,N/m;
FD—垂直构件轴线方向上的,在构件轴线和u平面内的单位长度上的阻力矢量,N/m;
FI—垂直构件轴线方向上的,在构件轴线和du/dt平面内的单位长度上的惯性力矢量,N/m;
Cd—阻力系数，根据API建议，对光滑的桩腿取为0.65，粗糙的桩腿取为1.05;
Cm—惯性力系数，根据API建议，对光滑的桩腿取为1.6，粗糙的桩腿取为1.2;
—水的重度,N/m3;
g—重力加速度,m/s2;
D—构件的直径（包括海生物附生）,m;
u—垂直构件轴线的水质点的速度分矢量,m/s;
|u|—u的绝对值
du/dt—垂直构件轴线的水质点的加速度分矢量,m/s2。
4.1.5流荷载
当流单独作用时,其作用在构件上的流荷载采用SY/T10030-2004中2.3.3c节中的计算公式:
4.1.5-1
式中:
F—作用于结构构件上的流荷载,N;
Cd—阻力系数;
A—结构构件投影面积,m2;
V—流速,m/s;
—水的重度,N/m3;
g—重力加速度,m/s2
4.1.6冰荷载
作用于导管架腿上的冰力采用SY/T10031-2000中的Korzhavin公式计算:
4.1.6-1
式中:
F—作用于导管架上的冰力,kN;
I—嵌入系数，取1.2;
fc—接触系数，取0.45;
Cx—冰的无侧限抗压强度,kN/m2;
D—冰接触区域结构的宽度或直径,m;
t—冰的厚度,m。
考虑冰的遮蔽效应，遮蔽系数X、Y方向0.3，对角线方向0.75、0.1。
4.2允许应力
极端波浪工况和极端冰工况的结构构件强度设计时,基本允许应力可增加1/3。
对于操作工况，不考虑容许应力放大。
4.3荷载组合
荷载组合按SY/T10030-2004中建议的做法进行,平台结构设计时应按可能同时作用于平台上的最不利荷载组合进行设计。
荷载设计条件包括固定荷载和活荷载,按下面的形式与环境荷载组合:
1）与固定荷载和相应于与工作环境条件相组合的最大活荷载组合的设计工作环境条件。
2）与固定荷载和相应于与工作环境条件相组合的最小活荷载组合的设计工作环境条件。
3）与固定荷载和相应于与极端环境条件相组合的最大活荷载组合的设计极端环境条件。
4）与固定荷载和相应于与极端环境条件相组合的最小活荷载组合的设计极端环境条件。
按以上荷载组合的原则，分别考虑了工作波浪条件、极端波浪条件、极端冰、地震工况等四种组合条件。
4.4钢结构设计
4.4.1概述
平台所有结构构件的设计都遵循SY/T10030-2004第三章的规定，对圆形杆件以及非圆形截面杆件按规范要求对其全长范围内各点都进行了强度校核。
4.4.2圆形截面杆件的应力校核
轴向压缩和弯曲的组合
对承受轴向压缩和弯曲联合作用的圆形构件，在其全长的各点上均应满足以下方面的要求：
4.4.2-1
4.4.2-2
当fa/Fa≤0.15时，可采用下式代替上述两式：
4.4.2-3
式中：
fa—轴向平均压应力，Pa;
fbx,fby—沿X轴及Y轴的弯曲应力,Pa;
Fa—允许压应力，当D/t<60时，由式4.4.2-4确定,当D/t>60时，由式4.4.2-5确定,Pa;
Fb—允许弯曲应力,Pa;
F’e—允许欧拉应力,Pa;
Cm—折减系数。
4.4.2-4
4.4.2-5
式中:
F—基本允许应力,Pa;
k—局部稳定系数;
φ—整体稳定系数。
4.4.3型钢杆件的应力校核
承受压缩和弯曲联合作用的杆件,在其全长各点上都应满足下式的要求:
式中:
如果fa/Fa≤0.15,则由下式计算:
对于承受轴向拉伸和弯曲联合作用的杆件,在其全长各点上都应满足下式要求:
4.4.4管节点
管节点冲剪应力的校核遵循SY/T10030-2004的规定,冲剪应力由下式计算:
式中:
Vp—支管中由轴向力、平面内弯矩和平面外弯矩产生的应力,Mpa;
τ—t/T;
t—支管壁厚;
T—弦管壁厚;
θ—支管角度。
弦管允许冲剪应力在AISC的允许剪应力或下式中的计算值取较小者:
式中:
Qq—荷载和几何效应系数,按SY/T10030-2004第四章中表4.3.1-1取值;
Qf—弦管的轴向力系数;
Fy—杆件的屈服强度,Mpa。
式中:
λ=0.03对于支管轴向应力;
λ=0.045对于支管平面内弯曲应力;
λ=0.021对于支管平面外弯曲应力。
式中:
fAX,fIPB,fOPB分别为弦管内的名义轴向应力,平面内弯曲应力和平面外弯曲应力。
支管中有轴向应力和弯曲应力相组合时,应满足下列相互作用方程:
第五章SACS结构分析软件的相关说明
5.1概述
在本设计中,所有结构分析工作都使用由美国EDI公司开发研制的SACS（STRUCTURALANALYSISCOMPUTERSYSTEM）软件Ver5.2版进行,SACS程序是专用于海洋结构工程的静动力分析系统。
该系统功能齐全,方法先进,便于使用,是国际上比较先进的被普遍使用的海工结构分析程序。
5.2程序功能简介
本设计采用的SACS程序具有比较完整的功能,以下仅简单介绍用于本设计的一些功能。
1.单元库
SACS程序具有比较丰富的单元库，除了一般通用软件所具有的梁、板、壳和三维固体元以外，还包括一些海工结构中一些特殊的单元。
2.前处理功能
SACS程序具有比较先进的结构模型自动生成功能，它可以采用交互图形方式形成结构的有限元模型，同时可以方便地输入各种类型的荷载并交互修改模型。
3.环境荷载计算
该程序具有完整的环境荷载计算功能，程序可以自动计算由于风、浪和流等环境条件引起的作用于杆件上的荷载。
在计算波浪荷载时程序可以有Airy波理论，STOKS五阶波理论以及流函数理论供以计算水质点的速度和加速度。
4.结构静动力分析
程序采用有限元方法对结构进行静力分析以及动力分析。
静力分析的结果可用于杆件强度设计，动力分析的结果作为动力响应分析的基础。
5.动力响应分析功能
程序可以进行结构在波浪、地震以及海冰作用下的动力响应分析，程序同时可以进行时域或频域的动力分析。
在地震分析时可以采用响应谱分析。
6.后处理功能
程序具有相当丰富的后处理功能，它可以依据不同的规范对单元截面上的各点进行应力校核并可对构件进行重新设计。
图形功能可以方便地绘制结构的模型图、变形图以及结构的振型图。
7.冲剪分析和节点设计功能
程序可以根据不同的规范对管节点进行设计和强度校核，同时程序还根据规范对管节点的构造进行设计。
程序最终可给出管节点的设计结果和冲剪应力校核的结果。
5.3主要特点
1.图形化用户界面
全3D图形化交互界面；梁、板和壳体单元建模；自动进行偏移动作；智能化编辑器MDI可以识别任何不满足要求的输入，并且它包含的文件向导功能可以使得建模输入更为快捷方便；内置美国、英国、德国以及日本等国家级组织的钢架结构资料库。
2.导管架安装和运输
三维滑移装船的时程分析；导管架漂浮和下水扶正分析,包括生成重力，浮力，起吊力和浮箱浮力；滑移装船、运输的惯性力,以及扶正荷载的生成。
3.环境载荷设定
专业、方便的波浪、重力、浮力、风力等载荷的设置；完全执行美国石油组织（API）第20版环境载荷规定；包含5种波浪理论以及完善的流体静力学、动力学分析能力；通过WAMIT和MORA程序模块，提供波浪绕射等浅水变形的生成。
4.静力学分析
梁单元、板壳单元、实体元以及非线性缝隙单元；混凝土单元，包括双向加强筋混凝土；加强筋以及加强盒段分析；支持弹簧元和超单元分析；支持梁结构热载荷分析。
5.动态分析
地震波普与响应历程分析；定常与随机海浪动态冲击响应分析
；强风作用下结构动态分析与疲劳分析；固有和强迫振动分析。
6.非线性塑性分析
非线性塑性失效以及大变形分析；支持材料硬化以及连接变形分析；可用于结构的最大极限强度确定以及安全性评估；桩的疲劳分析。
第六章平台整体静力分析
6.1结构分析计算模型
在结构总体分析中按照空间三维结构进行模拟，导管架、桩、上部组块模拟成空间刚架，在总体分析中采用一个整体模型，其中上部甲板的铺板采用板单元进行模拟，节点按刚性节点处理，导管架与桩之间的环形空间灌注水泥浆，采用灌浆腿模型。
桩基础在进行静力计算时，考虑了其非线性的桩土共同工作。
在地震计算时，把桩土系统凝聚成一线性超单元。
应用SACS软件建模时，重点考虑的问题有：
1.导管架与桩腿灌浆结合。
（1）设置为“groutedleg”（灌浆桩腿）模型。
（2）在导管架杆件属性设置时，将其设置为“ConcentricTubular”（同心双层圆管），并且输入内外圆管的半径和厚度。
经过这样处理，实现了导管架模型的高度准确化。
2.导管架和桩腿壁厚加强处的处理。
SACS软件提供的线单元“member”，可以被再次分为若干个“segment”,而不影响受力分析前进行的单元/网格划分“mesh”。
因此，在每个“segment”里定义同一段导管架的不同部分的属性，这样不仅实现了单元属性的现实模拟，而且又不影响单元/网格划分“mesh”，大大增强了结构分析的准确性。
3.上部梁格的布置。
主次梁的布置原理是，次梁布置在主梁上，主梁布置在下部承力构件上。
但是一般建模时，易忽视有限元软件的系统默认设置，即次梁和主梁的中心线处在同一平面上。
应用SACS建模的构件偏移功能，做到了将次梁偏移到其上翼缘板与主梁的上翼缘板处在同一高度的位置，实现了梁格模型的合理布置。
建立的整体结构计算模型见图6.1-1和6.1-2，计算模型杆件截面特性见附录9。
图6.1-1平台整体结构计算模型——线性
图6.1-2平台整体结构计算模型——实体
6.2静力分析
6.2.1荷载组合
静力分析包括设计工况、校核工况和冰工况。
其中设计工况相应于设计高水位的波，加上相应的风、流；校核工况相对应于校核高水位的波加上相对应的风、流；冰工况是冰力加上相应的风、流，冰工况中考虑了冰的遮蔽效应。
风、波浪、海流和冰等环境荷载考虑了3个方向：
0o、49o、90o。
其中满罐时为不利工况，因此静力分析只考虑了满灌时的计算荷载EQU1。
（1）基本荷载共15种，大小及荷载描述见下：
SACSRelease5.2ShengliPetroleumAdministrativeBureauID=99990000
***********EDI/SACSIVSEASTATEPROGRAM***********DATE08-MAY-2009TIME15:
02:
53SEAPAGE74
**SEASTATEBASICLOADCASEDESCRIPTIONS**
LOADLOAD**********DESCRIPTION***********
CASELABEL
14WIND
25WIND
36WIND
47DEAD+4.6M.WAVEAT0.0DEG+CURRENT
58DEAD+4.6M.WAVEAT49.0DEG+CURRENT
69DEAD+4.6M.WAVEAT90.0DEG+CURRENT
710DEAD+5.2M.WAVEAT0.0DEG+CURRENT
811DEAD+5.2M.WAVEAT49.0DEG+CURRENT
912DEAD+5.2M.WAVEAT90.0DEG+CURRENT
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