淺水導管架平臺下沉式防沉板結構設計

淺水導管架平臺下沉式防沉板結構設計摘要：防沉板是導管架平臺的一個重要功能組件，主要作用是在導管架初始坐底時提供足夠支撐，防止導管架在就位時發(fā)生超出設計允許下沉或產生不均勻沉降，保證安全。防沉板結構設計是導管架平臺設計中的重要部分，根據水文地質特征正確采用防沉板設計理念和選取結構形式具有重要工程意義。關鍵詞：淺水導管架；下沉式；防沉板；結構設計引言隨著人類生產、生活對石油天然氣能源需求的日益增長，海洋工程對老油田開發(fā)潛力的進一步發(fā)掘和對邊際油田的綜合利用提出了更高層次要求。特別是邊際油田多是一些中、小型油田或地層復雜及邊遠的油田，如渤海海底淺層土質較軟，廣泛分布粉砂及軟黏土，且易出現沖刷和沙坡沙脊移動等不良地質，進而影響導管架平臺等海上結構物設計和安裝，制約著油氣資源的經濟性開發(fā)利用。防沉板以結構簡單、造價低、性能可靠和安裝方便的特點被廣泛用于海洋結構物的輔助基礎結構。作為臨時性支撐結構，在導管架安裝過程中發(fā)揮著重要作用。探索新型防沉板形式能夠適應特殊區(qū)域、不良地質將在近海導管架平臺發(fā)展、老油田再次開發(fā)和邊際油田高效利用中帶來更多選擇。一、設計理念常見防沉板一般成矩形或三角形布置在導管架底部，與海床泥面平齊，依靠支撐在具有足夠承載力儲備的海床上提供坐底穩(wěn)性。當遇到軟弱土承載力十分有限時，導管架安裝時可能會產生過度沉降或不均勻沉降，進而影響坐底穩(wěn)性。針對不良地質、特殊需求和經濟效益，下沉式防沉板具有更好的適用性。下沉式防沉板與底層框架分離，采用豎向桿件與導管架主體連接，通過調節(jié)豎向桿件長度來更好適應不良地質條件下的下沉和不平整等問題。二、結構特征下沉式防沉板對不良地質具有更好的適用性，這也體現在其較特別的結構特征上，其相對獨立，布置較靈活，設計上受主結構制約較低，建造時可避免與主結構干涉、難度降低、工期較短。但因為脫離導管架下部框架，需要更復雜的結構形式來抵抗外力，以保證自身強度、剛度和穩(wěn)定性，否則遭受破壞的風險相對增大。下沉式防沉板在設計得不到充分優(yōu)化時將會導致材料用量較大增加，成本相對較高。三、設計方法（一） 設計概述設計遵循原則是滿足結構強度，同時保證下部海床能夠承受防沉板及上部的荷載而不發(fā)生破壞，即處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。影響穩(wěn)定的因素很多，除了最主要的海床特性以外，還與防沉板形狀、尺寸、上部荷載、持力層深度、海床傾斜度等有關。設計參考文件包括APIRP2A-WSD、AISC360-10等規(guī)范標準，海洋工程設計指南，設計規(guī)格書、材料規(guī)格書、地勘等文件。涉及主要工程軟件包括SACS、ANSYS、Tekla等。（二） 設計準則下沉式防沉板依據APIRP2A規(guī)范推薦的淺基礎設計方法進行計算。分析內容包括結構強度、剛度及穩(wěn)定性，海床承載力、抗傾覆和抗滑移校核，穩(wěn)定性設計準則［1］如下表示：工況安全系數抗傾覆2抗滑移1.5承載力（重力）2承載力（重力+環(huán)境）1.5結構強度、剛度及穩(wěn)定性校核采用SACS、ANSYS等進行分析，SACS做桿件校核，ANSYS做節(jié)點局部校核，桿件校核時許用應力可考慮增大系數1.33，設計準則UCV1.0[2]。（三）設計原理結構強度、剛度及穩(wěn)定性是指防沉板及導管架主體結構在安裝過程中是否滿足規(guī)范允許應力和變形。防沉板承載力、抗傾覆和抗滑移能力主要與防沉板尺寸、土壤特性相關，而結構強度、剛度及穩(wěn)定性主要和防沉板受力形式及大小、桿件材質及規(guī)格、節(jié)點形式等有關。防沉板所受荷載主要包括自重、環(huán)境荷載（風、浪、流等）以及海床反力，還可能承受打樁荷載。常規(guī)防沉板設計主導因素是海床特性，其直接影響承載力大小為主控工況。下沉式防沉板由于與主體框架分離，其強度、剛度及穩(wěn)定性則成為設計的主控工況，特別是上部結構重量較大時，連接防沉板和主結構的豎向立柱強度成為設計關鍵所在⑶。增加豎向桿件數量和截面尺寸，會緩解強度問題，但必然增加重量，影響承載力和穩(wěn)定性，并增加建造成本。下沉式防沉板設計需要在強度、剛度及穩(wěn)定性，承載力、抗傾覆和抗滑移以及成本之間尋求平衡點。海床土壤承載力通過地勘獲取，通過計算確保土壤在外荷載作用下未遭受破壞失效。防沉板承載力是根據土壤許用承載力與導管架組合應力的比值進行判別，組合應力綜合考慮軸向應力和彎曲應力，不能超過防沉板的極限承載力?？赏ㄟ^增大防沉板受力面積、抗彎截面系數以及材料屈服強度提高安全系數。影響導管架穩(wěn)定性的一個重要參數是水下重量，導管架受風浪流作用產生傾覆彎矩，重力產生回復力矩。通過調整防沉板布置增大回復力臂提高安全系數。為防止導管架初始就位后移動，需對比環(huán)境荷載產生的水平力與防沉板、土壤間最小抗剪切力，通過適當增大防沉板面積提高安全系數。導向架工作時防沉板基礎置于海床埋深比防沉板最小橫向尺寸小得多屬淺基礎。在APIRP2A規(guī)范中防沉板最小寬度是承載力修正系數選取的關鍵參數，對豎向承載力影響十分顯著。此外，也可適當增加防沉板間距提高豎向承載力。下沉式防沉板必要時可設置裙板傳遞荷載，當裙板壓力超過土壤極限承載力時，裙板附近局部土壤失效使裙板被壓入海床［4］。裙板在海床貫入到設計深度，可進一步保證承載力和穩(wěn)定性。裙板過短將不滿足穩(wěn)定性要求產生安全隱患，過長會導致裙板無法貫入到設計深度需回收后再次安裝，不僅增加額外成本還會破壞土壤結構，嚴重時需更換安裝位置。為規(guī)避海上安裝風險，在設計階段裙板入泥阻力可通過選擇合理的計算方法求得極限承載力（包括端部阻力和側摩阻力），并進行靜力觸探試驗以獲得更加真實數據。四、總結下沉式防沉板結構設計內容與常規(guī)防沉板相近，但由于結構特征不同兩者之間存在一定差異性。采用下沉式防沉板需重點關注以下方面：軟弱土質較差海域可優(yōu)先考慮下沉式防沉板，避免常規(guī)防沉板為滿足承載力和穩(wěn)定性要求追求增大受載面積解決問題，這樣勢必造成材料浪費和成本增加，也會影響海上安裝和后期鉆井作業(yè)。充分利用海床承載力低特征，通過防沉板下沉來增加防沉板承載能力，在確保導管架初始坐底穩(wěn)性同時，優(yōu)化防沉板面積節(jié)約成本和施工資源。防沉板與主結構通過豎向桿件連接，其節(jié)點形式受力復雜需考慮足夠冗余度，確保其強度、剛度和穩(wěn)定性。防沉板支反力會通過豎桿傳遞到主結構，受力集中部位可通過局部加強進行處理。結束語作為導管架安裝重要的功能組件和水下結構物首選基礎形式，防沉板制作簡單、易安裝，在海洋油氣開發(fā)應用廣泛。防沉板結構設計需評估結構強度、剛度及穩(wěn)定性，海床承載力、抗滑移和抗傾覆能力。其中海床特性對設計起決定性影響，下沉式防沉板可與軟弱不良地質更好適應，為各類新型結構形式應運而生起到一定積極作用，也為老油田和邊際油田開發(fā)注入新鮮活力。該文針對下沉式防沉板結構設計做出相關闡述，基于工程經驗和規(guī)范總結對應設計準則和校核方法，為后續(xù)類似工程項目提供借鑒。參考文獻API-RP-2A-WSD,RecommendedPracticeforPlanningandConstructingFixedOffshorePlatforms,21stE