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近海石油工程与装备结课论文《导管架式平台简介与结构创新》姓名：专业班级：学号：完成日期：6导管架式平台简介与结构创新摘要：导管架式平台，是由打入海底的钢桩支撑整个平台，能经受风力、波浪力、海流力等作用的一种固定式平台，也是目前最成熟、最通用的一种平台形式。本文简要介绍了导管架平台的构造，结合前沿专利技术，介绍并分析了目前存在的桩与桩、桩与导管架腿柱之间的连接形式，在此基础上提出了一些改进的思路。关键词：导管架平台，导管架，桩基础结构，桩的连接Abstract:JacketPlatform,isakindoffixedplatform,whichisheldupbyseabedsteelpilesandcanbeabletowithstandwindforce,wavepowerandcurrentforce.Itisalsothemostmatureandcommonformofplatform.Inthispaper,thestructureofJacketPlatformisintroducedinbrief,thenintroducingandanalyzingtheformofconnectionbetweenpileandpile,pileandjacketleg.Afewofimprovedideasarecameuponbasisofabove.Keywords:JacketPlatform,Jacket,Pilefoundations,connectionofpiles1、概述导管架式平台，又叫做桩基式平台，它是由打入海底的钢桩支撑整个平台，能经受风力、波浪力、海流力等作用的一种固定式平台。导管架式平台的钢桩穿过导管固定于海底，并由若干根导管组合成导管架。其工作水深一般在10m到200m的范围内，所承受的载荷包括由风、波浪、海流、潮汐等引起的环境载荷、平台自身所带来的使用载荷、由于施工所引起的临时性载荷等。这种平台整体稳定性好，刚度大，受季节和气候的影响较小。世界上第一座固定式海洋平台建于1887年，它安装在美国加利弗尼亚的油田上，实际上是一座木结构的栈桥，直到上世纪四十年代美国才安装使用了世界上第一座钢质导管架式平台，如今这种结构已经成为近海海洋平台的主要结构型式。随着海洋石油开发的迅速发展，导管架式平台被广泛用于海上油田开发以及海洋科学观测等方面，是目前最成熟、最通用的一种平台形式。2导管架式平台结构导管架式平台，主要由三大部分组成：上部结构、导管架、桩基础结构。62.1上部结构上部结构也称为甲板结构，一般由承受作业机械和其他载荷的上下层平台甲板和层间桁架或立柱构成。甲板结构一般可分为两大类：整体甲板结构和模块化甲板结构。在整体甲板结构中，设备在结构建造后安装；在模块化结构中，先建造甲板接触结构，然后将设备模块起吊并固定在基础结构之内或之上。甲板上布置成套钻采装置及辅助工具、动力装置、泥浆循环净化设备、人员的工作、生活设施和飞机升降台等。2.2导管架导管架为钢质桁架结构，由大直径、厚壁的低合金钢管焊接而成。钢桁架的腿柱作为打桩时的导向管，故称导管架。其主管可以是三根的塔式导管架，也有四柱式、六柱式、八柱式等，视平台上部模块尺寸大小和水深而定。导管架的腿柱之间由水平横撑与斜撑、立向斜撑作为拉筋，以起传递负荷及加强导管架强度的作用。导管架的主要构架图如图2-1所示，类型1为沃伦桥型，类型4为K型，是较为常用的类型。图2-1导管架的主要构架导管架可先在陆地上预制好后，托运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，最后在桩与导管之间的环形空隙中灌入水泥浆，使桩与导管连成一体固定于海底。6也可采用海上安装，包括海上运输和海上安装两部分。导管架和组块用驳船或其他方法运到油田现场，先将导管架沉放到预定位置，然后沿各导管向海底打桩，再将导管架帽安装在导管架上，最后用起重船将上部模块吊装到导管架帽上，这时平台即告建成。2.3桩基础结构导管架依靠桩固定于海底，桩结构有主桩式，即所有的桩均由主腿内打入；也有裙桩式，即在导管架底部四周布置桩，裙桩一般是水下桩。桩基础不但可以承受轴向载荷，还可以承受水平及扭转载荷。目前桩基础结构形式主要包括打入桩、钻孔再打桩、钻孔灌注桩及爆扩桩，如图2所示。打入桩用得较多的为钢管桩、普通钢筋混凝土方桩以及普通或预应力混凝土桩等；钻孔再打桩是一次打桩达不到要求深度时，用小一些直径的钻探钻到一定深度，再打桩，可重复进行直到预定深度（图2-2-a）；钻孔灌注桩分为两类，一是先按所需的贯入深度钻一个孔，然后将桩放入孔中，再灌注形成一个整体（图2-2-b）。二是采用两个同心桩，灌注其空隙形成一个整体（图2-2-c）；爆扩桩先将桩打到一定深度，然后在桩底进行爆扩，充填混凝土，从而达到增加桩底承载的目的(图2-2-d)。海上导管架平台的承载能力主要取决于打入海床的钢管桩基础。打入海床的钢管桩穿过软弱的压缩性土层，把来自海洋环境引起的荷载及上部设施和设备荷载传递到更硬或更密实的、且压缩性较小的土层中。对于受压桩，其承载能力主要来自桩身表面所发挥出来的摩擦阻力和桩端阻力。大多数情况下，桩承载能力主要是由桩身摩擦阻力提供，其承载能力随着桩身表面的增加而增大，因此海上导管架平台通常用深（桩）基础。6abcd图2-2桩基础结构形式3桩的连接与创新3.1桩段的连接由于桩很长，一般采用分段桩的形式，分段长度需要考虑现有的起吊及打桩能力，桩体在打桩时的强度及稳定性，平台固定位置的海底与海平面之间的距离等。在打桩过程中将两段桩端部对端部焊接，直至达到要求的总长度。（1）打桩焊接目前,在导管架海洋平台的打桩施工过程中,要不断地将每一段桩腿与已经打入的桩腿进行对接焊接,此时需要在桩腿周围建造一个工作台。一般做法是在桩腿下方的水平面内焊接4根钢筋作为支撑点,再将1个类似于脚手架的装置固定在桩腿周围,待2段桩腿焊接工作完成后,再切割钢筋,移开工作台。然后继续打桩,等下一段桩安装时再重复上述过程。现在有一种导管架平台桩腿工作台的自锁固定装置，如图3-1所示，这种装置创新之处在于先利用螺栓及环箍对上下桩腿进行一次锁紧，再利用棘爪达到二次锁紧的目的，并可实现在桩腿的任一位置固定。同时,这种装置不需要电力驱动或液压驱动,更不需要一次次地焊接和切割。6图3-1导管架平台桩腿工作台的自锁固定装置这里针对上述设计做一些改动，如图3-2所示，由于直接焊接一方面不能保证连接处的强度，另外也增加了被腐蚀的风险，同时还不能保证严格的对中性。这种情况下，现场接桩时，一般采用接头装置或导向装置，以便上下桩端的穿入和对中。（2）接头装置接头装置类似于接长油井套管的接头，如图3-3所示，这是一种特殊的螺纹接头，采用改进的偏梯形螺纹、金属-金属密封、双内扭矩台肩等组成，其外螺纹表面未作处理，内螺纹作镀锌或镀铜处理，具有高连接强度、密封性以及高抗应力腐蚀性，相对于传统的圆螺纹或偏梯形螺纹接头，接桩时采用这种接头装置速度快，能保证质量，但费用较高。可以针对导管架平台的实际情况，设计一种性价比较高的接头装置。6图3-3NSCC螺纹接头（3）导向装置导向装置的安装应紧凑而均匀，同时导向装置在接头焊接前应能承受上桩段的全部重量。目前海上接桩采用较多的是如图3-4所示的导向装置，上桩段端部焊接，钢舌比桩的内径稍小，可以插入下桩端的顶部，从而使上下桩段连接起来。图3-4现有导向装置这里对上述导向装置做了一些改进，增加了弹性卡环，如图3-5所示。卡环采用齿条式机构，接桩前套在桩上，接桩后卡在桩段间的缝隙中并锁紧。这样可以辅助导向机构的承重，也可增加桩的连接强度。6图3-5改进的导向装置3.2导管架腿柱顶部与桩连接为了便于桩与上部结构连接，一般桩要伸出导管架腿柱一定长度。导管架腿柱顶部与桩连接通常采用三种形式，即加筋板连接（图3-6-a）、弧形板连接（图3-6-b）以及插板连接（图3-6-c）。目前采用最多的是插板链接，它是在导管架腿柱顶部开U型槽口，然后在桩与腿柱之间插入垫板，垫板焊在桩壁上，通过U型槽口与腿柱焊在一起，轴向力引起的剪应力通过焊缝传递。此种连接受力状态要好于加筋板和弧形板连接。图3-6导管架腿柱顶部与桩连接的形式3.3桩与腿柱的环形空间的填充为了使桩与腿柱成为整体，环形空间往往用水泥砂浆灌注。主腿柱灌浆可以加强节点部位，辅助腿柱灌浆有助于把作用在结构上的载荷传递给桩基。为了使灌浆后能有较好的附着力，一般在腿柱内部焊有环形圆钢。为了防止灌浆时水泥6或水泥砂浆从腿柱间隙底部流出，腿柱底部应预先装配密封橡胶环（图3-7），打桩时不充气，打完桩后使其充气后膨胀。4、总结本文结合近海石油工程课程内容，查阅相关资料，对导管架平台的概念、构造做了简要的介绍，着重介绍了导管架平台桩的连接，包括桩与桩之间，桩与导管架腿柱之间的连接及灌浆填充，并对现存的一些连接结构提出了一些新的思路。由于知识所限，不能保证提出的想法能够实现。参考文献[1]杨永祥主编.船舶与海洋平台结构[M].北京：国防工业出版社，2008.12[2]陈建民，娄敏，王天霖编著.海洋石油平台设计[M].北京：石油工业出版社，2012.5[3]姜萌主编.近海工程结构物：导管架平台[M].大连：大连理工大学出版社，2009.8[4]罗宏志,杨圣省,蒋勇,张兆德.导管架平台桩腿工作台的自锁固定装置[J].石油机械,2010,06:30-32[5]谢香山.油井管特殊螺纹接头的发展[J].钢管,2000,05:9-12.[6]张兆德,程振兴,黄萍.一种机械自锁式桩腿安装架装置[P].浙江：CN201850542U,2011-06-01[7]Rubin,S.,&Coppolino,R.N.(1983,January1).FlexibilityMonitoringofOffshoreJacketPlatforms[J].OffshoreTechnologyConference.doi:10.4043/4535-MS