100米水深导管架结构设计关键技术研究

中国石油海洋工程有限公司中国石油集团海洋公司工程设计院---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2010年10月100米水深导管架结构设计技术研究中国石油海洋工程有限公司固定导管架平台是目前海上油气开发使用最广泛的一种结构型式；其优点是结构简单、安全可靠、造价低廉、适应性强。固定导管架平台的发展历史是由浅水区域走向深水区域的历史；固定导管架平台的发展历史一、概述中国石油海洋工程有限公司汇报内容一、概述二、100米水深环境特点及结构特点三、工程实例分析四、100米水深导管架结构设计研究课题五、结束语中国石油海洋工程有限公司中国石油集团海洋工程有限公司固定导管架平台技术的发展情况：水深：1m～11m100m工作：项目与科研相结合一、概述中国石油海洋工程有限公司一、概述二、100米水深环境特点及结构特点三、工程实例分析四、100米水深导管架结构设计研究课题五、结束语汇报内容中国石油海洋工程有限公司100米水深环境特点二、100米水深环境特点及结构特点环境条件水深6米左右100米左右重现期(a)11001100风1min平均风速(m/s)13.732.428.550.3波浪最大波高Hmax(m)2.454.3710.619.2最大周期Tm(s)7.139.5510.214.1流表层流速(m/s)1.772.141.452.43底层流速(m/s)1.471.840.951.55上表中所列数据参考了我国部分海域海洋平台的基础环境资料。随着水深增加，环境条件(尤其是风及波浪)更加恶劣；导致作用在平台上的环境荷载增加。中国石油海洋工程有限公司导管架结构特点主桩式固定导管架平台裙桩式固定导管架平台二、100米水深环境特点及结构特点中国石油海洋工程有限公司动力和疲劳的分析要求方面：水深增加使结构产生明显的动力响应；施工设计方面：水深增加使结构重量的增加而引起施工方法的不同；100米水深导管架结构设计特点二、100米水深环境特点及结构特点中国石油海洋工程有限公司一、概述二、100米水深环境特点及结构特点三、工程实例分析四、100米水深导管架结构设计研究课题五、结束语汇报内容中国石油海洋工程有限公司在位：静力分析、地震分析、疲劳分析、船撞分析、组块对接分析、涡激振动分析、加强环设计、附属结构设计；施工：装船、拖航、吊装、浮力计算、扶正、局部结构静水压溃校核、坐底稳性及防沉板设计、桩自由站立分析、桩可打入性分析；工程实例三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司设计依据APIRP2A-WSD-21steditionRecommendedpracticeforplanning,designingandconstructingfixedoffshoreplatforms.WorkingstressdesignAISC9thedition(1995)SpecificationforStructuralsteelbuildings.AllowableStressDesign,andPlasticDesignANSI/AWSD1.1Structuralweldingcode-Steel2004editionDNV2000CN30.5(March1991)EnvironmentalconditionsandenvironmentalloadsDNVRPC203(April,2008)FatigueDesignofOffshoreSteelStructures三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司静力分析极端工况下：最大杆件UC值为0.88，位于ROWA面EL（-51.5m）和EL（-71.95m）之间的斜撑上，节点最大冲剪UC值为0.858，出现在EL（+4.5m）的水平层上；操作工况下：最大杆件UC值为0.82，位于EL（+4.5m）的水平层上，节点最大冲剪UC值为0.793，出现在EL（+4.5m）的水平层上；各层最大位移桩基承载力校核计算内容：对导管架结构在一年一遇操作工况及百年一遇极端工况下的强度进行校核，并对桩基承载力进行校核。计算结果：三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司地震分析计算内容：采用地震谱分析方法，进行强度水平和韧性水平校核。计算结果（韧性水平）：杆件最大应力比UC=0.71，发生在EL(-)31.5m的水平层上；节点最大冲剪UC=0.733，发生在登船平台支撑上；各层最大位移桩基承载力校核三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司疲劳分析计算内容：根据业主提供的波高与周期的联合概率分布，采用详细波浪谱疲劳分析方法，对所有管节点的连接进行疲劳寿命计算。根据检修的难易程度分为三类区域，并确定了相应的疲劳寿命安全系数。计算结果：飞溅区为疲劳敏感区域，疲劳寿命最短的节点为505L：94.21848年；需要对某些节点进行打磨；三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司船撞分析计算内容：正常碰撞：船舶质量：2300t速度0.5m/s；采用基本许用应力意外碰撞：船舶质量：1500t速度1.0m/s；许用应力提高70%进行高低潮位碰撞荷载与环境荷载及结构自重、上部组块操作荷载组合后各工况下的结构强度校核；计算结果：杆件最大应力比UC=0.99，位于登船平台支撑上；节点最大冲剪UC=0.988，位于登船平台支撑上;各层最大位移桩基承载力校核三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司组块对接分析计算内容：安装误差允许值从组块立柱角度来考虑(组块立柱内壁与导向之间的间隙要保证组块能与导管架顺利对接)从底甲板的井口区结构来考虑(即碰撞力引起的位移不会使组块结构碰到井口)：X=477mm，Y=403mm强度校核（包括Dockingguide、导管架结构、桩基础）：导管架在位自重、组块碰撞荷载（水平方向5%组块吊装重，垂直方向碰撞荷载10%组块吊装重）以及环境荷载的组合工况;在此安装工况下，允许应力可提高1/3。计算结果：导向最大UC是0.97;导管架上杆件最大UC是0.75，是导管架上与桩顶过渡段连接的杆件;节点最大冲剪UC=0.63，位于护舷支撑杆件节点上；桩承载力校核三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司波浪拍击：计算内容：主要是校核飞溅区水平层杆件受局部波浪拍击荷载的强度波浪环境条件保守取100年一遇的波浪拍击荷载为:2)2/(DUgwCFsS计算结果最大UC值为0.98，发生在24”x0.75”的杆件上，考虑腐蚀余量FsLMmax=18FsL2Member(O.D.xt)(in)SupportedlengthL(m)VelocityU(m/s)WithcorrosionWithoutcorrosionFs(KN/m)UCFs(KN/m)UC24x1.2520.494.50719.510.6219.900.5124x1.0Coveredby24”x0.75”24x0.7518.4(1)4.50719.510.9819.900.6420x0.62513.90(1)4.50716.190.9116.580.5316x0.7514.80(1)4.50712.870.9413.260.6516x0.55.24.50712.870.2413.260.1212x0.55.54.5079.560.359.950.186x0.3753.04.5074.580.584.970.1520x0.756.86Coveredby20”x0.625”20x0.51.3Coveredbyabove导管架水平层EL(+)4500三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司涡激振动分析VortexwilloccurIn-lineCross-flowStabilityparameterCurrentWind5.30.1rV0.128.4rV8.1sK2.37.1rV0.87.4rV25sK判断标准：计算结果：有/无海生物，流不会引起杆件的VIV风：经计算，所有杆件在风作用下不会发生VIV.计算内容：流产生的VIV,水面下杆件按100年一遇表层流速计算，考虑有海生物和无海生物；海生物厚度50mm，密度1200kg/m3风产生的VIV，在位分析水面上杆件按100年一遇1分钟持续风速计算;建造及拖航过程中则按10年一遇1分钟持续风速计算;22DMKesDfVVnr242LMEIAfenn三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司静水压溃分析在位工况及施工工况：导管架漂浮下水到扶正状态,此时导管架已坐在泥面上；保守的认为腿内不充水；静水压的计算按两水平层间的长度考虑EL-51.5m～EL-71.5m(其他高程之间的水平层校核方法与此相同)静水压强度计算，计算强度不满足要求，需进行加强环设计;加强环设计设计形式为外加强环,无翼缘三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司装船分析计算内容：校核导管架在滑移装船时的强度是否满足要求，导管架在Row2与EL(-)12.5m和EL(-)51.5m的相交处进行支撑，各个支撑点所施加的强迫变形为：±30mm(正常工况)和±60mm(极限工况)。极限工况下的许用应力放大1.333。装船时，最危险的地方出现在EL(-)12.5m和EL(-)51.5m两个水平层，最大UC值为0.82。最大冲剪发生在202L和203L处，分别为0.913和0.910：位于-51.5m水平层与row2大腿的相交处。402L和403L位于-12.5m水平层与row2的相交处。计算结果：三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司拖航分析校核导管架在拖航时的强度是否满足要求；导管架在Row2与EL(+)4.5m，EL(-)31.5m和EL(-)71.95m的相交处利用seafasting进行支撑；采用横摇12.5度，纵摇20度的拖航条件。许用应力放大1.333。杆件最大UC值为0.95，出现在EL(-)31.5m水平层，主要是因为该杆件长细比较大，且轴向力较大的。最大节点冲剪UC值为0.885，发生在EL(-)71.5m层的防沉板结构处。计算结果：计算内容：三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司水平吊装分析导管架在Row1与EL(-)12.5m和EL(-)51.5m的相交处设置吊点。采用的荷载系数分别为1.35和2.0。为保守起见，本计算中重量不确定系数采用1.1。吊钩高于Row2层76米。当荷载系数为1.35时，所有结构强度均满足要求，最大UC值为0.78；最大吊绳力为：11500kN计算结果：计算内容：当荷载系数为1.35时，最大冲剪为0.81，位于立管支撑与-31.5m层水平杆件的相交点当荷载系数为2.0时，与吊点相连的杆件强度均满足要求，最大节点冲剪三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司校核导管架扶正站立时的结构强度，导管架垂直吊点设置在顶部水平层。本计算中采用的荷载系数分别为1.35和2.0，重量不确定系数为1.1。吊勾高于顶部水平层40m。垂直吊装分析计算结果：计算内容：当荷载系数为2.0时，杆件最大UC值为0.77，位于导管架最顶层的水平层。当荷载系数为2.0时，最大冲剪为0.402；最大吊绳力为：5510kN三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司扶正分析对导管架从漂浮状态到直立状态整个扶正安装过程进行模拟分析；包括：完整状态、破舱状态，重心偏移状态；灌水系统设计、导管架腿分舱设计；确定出扶正安装所需要的浮吊，制定出导管架从漂浮状态到直立状态过程的具体实施步骤，以确保导管架扶正安装的顺利实施。分析结果：计算内容：导管架提升到一定位置后，保持大钩不动，对A2和B2腿的下面两个舱进行充水浮力余量为12%；形成施工顺序三、工程实例分析中国石油海洋工