海上装配式混凝土石油平台设计

程凯;宋文涛;罗海勇

【摘 要】以渤海湾某油田为例,针对海油陆采一体化技术所需平台的功能要求,基于我国水运工程规范体系及现状技术水平,提出一种适用于油田开采的新型装配式混凝土平台结构方案,并对平台的结构设计理念、 规范适应性研究、 设计方案、 施工船机配置、 平台弃置等进行研究,可为类似海上大型平台结构提供借鉴. 【期刊名称】《水运工程》 【年(卷),期】2018(000)008 【总页数】7页(P85-91)

【关键词】起重船;装配式结构;抗冰设计;施工船机;弃置 【作 者】程凯;宋文涛;罗海勇

【作者单位】中交第二航务工程勘察设计院有限公司, 湖北 武汉430060;中交第二航务工程勘察设计院有限公司, 湖北 武汉430060;中交第二航务工程勘察设计院有限公司, 湖北 武汉430060 【正文语种】中 文 【中图分类】U656.1

某边际油田位于渤海湾南部海域，由于原油油品较差，常规开采方法难以满足经济评价要求。经研究论证，拟采用“海油陆采”的创新生产技术，实现钻井、采储油和外输一体化，可有效降低原油开采成本。海油陆采一体化技术需要面积较大的基

础平台，若基础平台采用传统的钢结构导管架平台，其工程费用太高，则这种创新模式的经济效益将大大降低。为此，技术人员提出一种新型装配式混凝土平台结构，拟实现投资成本低、施工模块化程度高、可批量化建设的目标。本文从平台设计理念、规范适应性分析、方案设计、施工船机配备和平台弃置等多方面对新型平台结构进行论述，论证其用于海油开采平台的可行性，并为其他类似的海洋工程提供一种新的思路和借鉴。 1 工程概况

油田位于环渤海湾海域，离岸约20 km，平均水深9 m。工程设计高水位1.86 m，对应H1%设计波高为5.91 m；极端高水位3.46 m，对应H1%设计波高为6.14 m。渤海湾是我国北方受风暴潮灾害最为严重的地区，且风暴潮一年四季均可发生，尤以每年秋-冬及冬-春转换季节最为频繁。恶劣的水文气象条件造成施工船舶泊稳难、海上可施工作业时间短的客观情况，为工程实施带来了很大的难度。 根据QHSn 3000—2002《中国海海冰条件及应用规定》 [1]，本海域在国家级冰区区划中被划分为第四级第十区，为历史上曾出现过严重冰情的地区。半个多世纪以来，渤海湾出现灾害性冰情共6次，大约每10年出现一次严重冰冻。本工程按50 a一遇单层冰32.5 cm、重叠冰48.8 cm冰荷载进行设计，对结构的抗冰要求很高。 2 研究思路

本课题是环渤海湾边际油田“海油陆采”新技术研究的重要组成部分，旨在为海油陆采一体化体系提供基础平台，需达到低成本、易实施、可批量的研究目标。结合项目所在地主要设计条件，本研究主要遵循以下思路：1)充分研究水运工程规范应用于新型海上石油平台结构设计的合理性；2)为适应海冰环境，桩基需具有较强的抗弯能力；3)为适应批量化的平台建设，上部结构采用模块化程度高的预制装配式结构，并充分利用先进施工技术和大型施工设备，减少海上施工时间，缩短工期。

3 规范适应性

目前我国海洋工程设计多采用API(美国石油协会)规范和中海油企业规范，均主要针对钢结构平台制定，对混凝土平台的适用性有限。本研究拟采用水运行业规范进行设计，其与传统海洋工程设计采用的规范有较大的差异，因此有必要对两套规范体系进行对比分析，验证水运行业规范在海工设计中的适应性。 3.1 容许应力设计法和概率极限状态设计法

API RP 2A基于容许应力设计法，由极限应力除以安全系数得到容许应力；我国现行水运行业规范基于概率极限状态设计法。在两种规范计算公式的抗力一侧均需要考虑分项系数的折减，但水运行业的分项系数考虑的是构件设计强度的离散性，API中的安全系数则来源于对实际工程和试验数据的总结。我国水运行业规范从1993年开始采用以分项系数表达、以结构可靠度理论为基础的概率极限状态设计法，在多年的使用过程中得到了充分的验证并积累了丰富的经验，可推广用于海洋石油平台设计。 3.2 平台高程

《海上固定平台安全规则》2.3.2条规定，平台最下层甲板应处于设计环境条件时潮汐与波浪最不利组合情况下的最大波峰高程以上，并留有至少1.5 m的间隙，以保证最下层甲板的安全。JTS 165—2013《海港总体设计规范》[2] 5.4.8条规定，平台高程按式(1)计算，结构的富裕高度根据设计水位和受掩护程度不同而变化。

E0=DWL+η+h0+ΔF (1)

式中：E0为上部结构受力计算的下缘高程；DWL为设计水位，取极端高水位；η为水面以上波峰面高度；h0为水面以上波峰面高出上部结构底面的高度；ΔF为代表受力标准的富裕高度，取1.5 m。

前者仅规定了原则性内容，后者给出了具体的计算公式和富裕高度取值标准，可操作性更强。本次研究采用JTS 165—2013《海港总体设计规范》计算，对应设计高水位的富裕高度取1.5 m，平台高程取值合理。 3.3 冰荷载

QHSn 3000—2002《中国海海冰条件及应用规定》和JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》[3]中冰荷载计算公式均基于极限冰压力理论[4-6]，为如下线性形式： P=C1DHσc (2)

式中：冰的单轴抗压强度σc、冰面投影宽度D和冰厚H是决定因素，C1是系数项，一般包括形状系数、倾斜系数、局部挤压系数、接触系数、冰温度系数和冰力作用速度系数等。

两套规范冰荷载计算公式由于系数项定义不同，计算结果有一定差异，JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》计算结果更不利，见表1。 表1 冰荷载计算结果

对于桩基结构，不同的桩径、桩间距对应的冰荷载均不相同，JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》仅给出单桩冰荷载公式，QHSn 3000—2002《中国海海冰条件及应用规定》规定了不同位置桩基冰荷载的遮蔽系数(图1)。本文采用JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》计算最外排桩冰荷载，参考《中国海海冰条件及应用规定》遮蔽系数计算其他位置桩冰荷载，更接近实际情况。 图1 海冰遮蔽系数 3.4 波浪荷载

根据API RP 2A 规范，Morrison公式中拖曳力系数Cd和惯性力系数Cm的选取与构件表面粗糙度有关，对粗糙构件，Cd、Cm分别取1.05、1.20，对光滑构件，

Cd、Cm分别取0.65、1.60。

对于桩基结构，JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[7]规定，Cd、Cm分别取1.2、2.0。对于桩基结构承受的波浪力，JTS 145—2015《港口与航道水文规范》比API RP 2A计算结果大。 3.5 钢结构设计

API RP 2A中钢结构主要参考AISC(美国钢结构协会)规范，JTS 152—2012《水运工程钢结构设计规范》[8] 主要参考我国GB 50017《钢结构设计规范》。两套规范的理论基础一致，但由于API RP 2A采用容许应力法，JTS 152—2012《水运工程钢结构设计规范》采用概率极限状态设计法，因此公式形式差异较大。 1)根据API RP 2A 6.3.2条，压弯计算公式如下： (3) (4)

式中：Fa为轴向压应力；Fb为弯曲应力；Fy为屈服应力；fa为轴向应力；fb为弯曲应力；x、y、b为其所代表的应力相对应的弯曲轴。

2)根据JTS 152—2012《水运工程钢结构设计规范》4.3.8条、4.3.9条，压弯计算公式如下： 强度： (5)

平面内稳定： (6)

平面外稳定： (7)

式中：N为轴向拉(压)力设计值；An为净截面面积；A为毛截面面积；Mx为绕强轴作用的最大弯矩；My为绕弱轴作用的最大弯矩；γx、γy为截面塑性发展系数；Wnx、Wny为净界面模量；φx、φy、φb分别为作用平面内、外的轴心受压构件稳定系数以及整体稳定系数；βmx、βlx分别为作用平面内、外的等效弯矩系数；Wlx为对较大受压纤维的毛截面模量；为与钢材的弹性模量和长细比有关的参数；η为截面影响系数；f为钢材的抗拉(压)强度。

3)对压弯构件，JTS 152—2012《水运工程钢结构设计规范》在结构构件设计时从强度、整体稳定和局部稳定三方面分别满足；而API规范将强度、整体稳定综合考虑，对局部稳定通过构造措施满足。相比之下，前者内容更全面。根据相关文献[9]，两套规范得到的计算结果较接近，用JTS 152—2012《水运工程钢结构设计规范》进行平台结构设计是可行的。 3.6 开口钢管桩轴向抗压承载力

根据API RP 2A规范，开口钢管桩承载力公式见式(8)。 Qd=Qf+Qp=fAs+qAp (8)

式中：Qd为单桩极限承载力；Qf为桩侧摩阻力；Qp为桩端总承载力；As为桩侧表面积；Ap为桩端总面积；q为单位面积桩端承载力。 黏土中： (9) 砂土中：

(10)

式中：Cu为黏土不排水强度;δ为土与桩的摩擦角；对于开口管桩，K=0.8，对于闭口管桩，K=1。

JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》[10]钢管桩承载力公式见式(11)。 (11)

式中：Qd为单桩轴向承载力；γR为分项系数；U为桩身截面外周长；qfi为单根桩在第i层土中的极限侧摩擦力；li为桩穿过第i层土的长度；η为折减系数；qR为单桩单位面积极限端阻力；A为桩端外围面积。

对于开口管桩的轴向抗压承载力计算，JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》采用桩端承载力折减系数η来反映桩端的闭塞效应，API规范则分别考虑桩内土芯侧阻力、桩身外土体侧阻力和桩端圆环上的阻力，并区分闭塞或不闭塞的情况。假设某桩基采用桩径1.0 m，壁厚18 mm的钢管桩，桩顶高程3.0 m，桩底高程-36.0 m，计算水位0.0 m，泥面高程-3.0 m，土层力学参数见表2。 表2 土层物理力学参数土层底高程∕m天然密度∕(t·m-3)有效密度∕(t·m-3)C'∕kPaφ'∕(°)Cu∕kPa密实度粉细砂-20.501.860.86028.00松散黏土 -22.502.001.0230.032.8145中等粉细砂-27.001.950.95032.00中等黏土 -34.001.949.405.427.8122密实细砂 -42.002.051.05042.00密实

依据API规范，桩基极限抗压承载力为9 308 kN，安全系数根据不同工况分别取1.5～2.0。依据JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》，η=0.25，桩基极限抗压承载力为8 584 kN，小于API规范计算值，分项系数根据不同工况分别取1.45～1.55，由于分项系数取值不同，无法直接比较两套规范的桩基抗压承载力设计值，《港口工程桩基规范》计算所得标准值小于API规范。

4 方案设计 4.1 施工能力分析

针对本工程的特点和施工条件，确定总体施工原则为：多点施工，流水作业，合理统筹安排施工作业，确保工程按期完工。选择附近具备出运条件的场地进行构件预制，用气囊出运工艺将构件移运至岸边，使用浮吊起吊至驳船上将预制构件运至现场。陆域施工人员就近建设生活区，考虑到海上施工船舶数量较多，海上管理及施工人员生活支持不另单独租船，采用现场施工船舶兼作生活支持船舶。 4.2 桩基及设备选型

国内目前应用较多的桩基类型有钢管桩、大管桩和PHC桩。钢管桩壁厚可达30 mm以上，具有贯入性好、承载力高、施工快等优点。大管桩常用桩径为1.2和1.4 m，抗弯、抗裂等力学性能比PHC桩优越，耐打性好；PHC桩造价较低，但海洋工程中使用较少，尤其在冰情恶劣地区基本没有使用。本工程地处渤海湾，历史上出现过多次较严重冰情，冰荷载对结构的桩基选型起控制作用，要求桩基需具有很强的抗弯性能及抗冰能力，故桩基类型优先采用钢管桩，对于冰荷载作用不强的区域可采用大管桩。同时，调查国内大型施工企业打桩船装备性能和技术能力(表3)，统计可得国内打桩架高于80 m的大型打桩船不少于16艘，也满足本工程超大型桩基的施工要求。 表3 国内大型打桩船性能指标

由于混凝土预制构件重达数百吨到数千吨，平台建设受海上施工设备起吊能力影响很大。国内大型施工企业施工船机装备性能和技术能力见表4。根据平面布置方案，本工程预安模块最大吊距45 m，综合考虑起重能力和预安模块数量，确定最大吊重为1 500 t，国内有多艘起重船起吊能力满足施工要求。 表4 国内大型起重船性能指标 4.3 结构方案设计

为减少海上施工时间，需减少预制构件数量，即采用大质量、大跨度预制构件，上部结构采用预安整体框架板块结构，桩基采用φ2 000 mm钢管桩，上部主体结构均在陆上预制后吊运至现场装配。根据各区域不同的工艺布置要求，桩基间距及单元模块尺寸也不尽相同，以85 m×153.2 m主平台为例，共划分为A、B、C、D 4种模块(图2)。其中：B、C、D型模块质量不大于1 000 t，A型模块质量达2 700 t。为了降低模块起吊难度，将A型模块分为A1、A2两个预制模块(图3)，通过现场浇筑后形成整体。 图2 A、B、C、D四种模块立面

图3 A模块结构(高程：m；尺寸：mm。下同) 5 弃置方案分析

弃置工程是海洋工程独有的一项内容，根据相关规定，海上油气田停产后其设施必须进行弃置。平台弃置拆除总体原则为先附属设施后主体结构，自上而下、自后而前、大块拆除，按先上部结构后桩基工程、先靠船构件后混凝土结构、先典型施工后整体推广的原则组织施工。

弃置工程的难点在于水下桩基的切割和排泥，由于海底的桩腿需切割至海底表面4 m以下，考虑到桩内取泥施工的安全性以及施工效率，在混凝土平台模块未拆除前将其作为施工平台。采用旋挖钻机在桩径中心范围(D=750 mm)进行钻孔，将面层混凝土、桩帽混凝土、桩芯混凝土钻透至钢管桩内(图4) 。钻孔完成后，采用气举排泥法将泥面高程降至原有泥面-4 m以下，搭设施工平台(图5)。根据本工程设计水位，管桩需切割2次，首先进行桩头切割(水上切割，图6)，其次进行水下桩基切割。水下桩基切割采用高压水磨料射流内切割技术，主要步骤包括切割位置计算、切割器定位和桩基切割。 图4 旋挖钻机钻孔

图5 平台搭设 图6 桩头切割 6 结语

1)某些设计参数应以水运工程规范为基础，结合API规范及目前国内海洋石油平台相关的设计规范、文献综合考虑，如平台高程的确定、冰荷载计算等。在工程实践中还宜开展相应的模型试验进行验证。

2)将水运工程施工技术应用于海洋工程中可大力促进海洋工程的设计创新、有效降低工程实施成本。

3)新型装配式混凝土平台结构具有构件数量少、模块化程度高等特征，可发挥大型船机设备的性能优势、降低工程海上施工作业时间，同时便于实现标准化、批量化的生产目标。 参考文献：

【相关文献】

[1] 中国海洋石油总公司.中国海海冰条件及应用规定:QHSn 3000—2002[S].北京:中国海洋石油总公司,2002.

[2] 中交水运规划设计院有限公司，中交第一航务工程勘察设计院有限公司.海港总体设计规范:JTS 165—2013[S].北京:人民交通出版社,2014.

[3] 中交第一航务工程勘察设计院有限公司.港口工程荷载规范:JTS 144-1—2010[S].北京:人民交通出版社,2010.

[4] 许宁.锥体海洋结构的冰荷载研究[D].大连:大连理工大学,2011.

[5] 孙振平.渤海平台设计冰荷载计算的回顾及考虑[J].中国海上油气(工程),2001(1):26-29+5. [6] 芦志强,吴澎.曹妃甸矿石码头一期工程冰荷载研究[J].水运工程,2006(10):109-115.

[7] 中交第一航务工程勘察设计院有限公司.港口与航道水文规范:JTS 145—2015[S].北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.

[8] 中交水运规划设计院有限公司.水运工程钢结构设计规范:JTS 152—2012[S].北京:人民交通出版社,2012.

[9] 储艳春,李磊,张立力.中国与美国钢结构设计规范的差异[J].上海建设科技,2012(6):12-14. [10] 中交第三航务工程勘察设计院有限公司.港口工程桩基规范:JTS 167-4—2012[S].北京:人民交通出版社,2012.