[小学教育]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l 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。l 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l 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 11m 100m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) 1 100 1 100风 1min平均风速(m/s)13.7 32.4 28.5 50.3波浪最大波高 Hmax (m) 2.45 4.37 10.6 19.2最大周期 Tm(s) 7.13 9.55 10.2 14.1流 表层流速 (m/s) 1.77 2.14 1.45 2.43底层流速 (m/s) 1.47 1.84 0.95 1.55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l 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；l 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API RP 2A-WSD - 21st edition Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms. Working stress designAISC 9th edition (1995) Specification for Structural steel buildings. Allowable Stress Design, and Plastic DesignANSI / AWS D1.1 Structural welding code - Steel 2004 editionDNV 2000 CN 30.5 (March 1991)Environmental conditions and environmental loads DNV RP C203 (April, 2008) Fatigue Design of Offshore Steel Structures三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司静力分析l极端工况下：最大杆件 UC值为 0.88，位于 ROW A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；l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；l 各层最大位移l 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）：l 杆件最大应力比 UC=0.71， 发生在 EL(-)31.5m的水平层上；l节点最大冲剪 UC=0.733 ，发生在登船平台支撑上；l 各层最大位移l 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：l 飞溅区为疲劳敏感区域，疲劳寿命最短的节点为 505L： 94.21848 年；l 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 ：l 正常碰撞：船舶质量： 2300t 速度 0.5m/s； 采用基本许用应力l 意外碰撞：船舶质量： 1500t 速度 1.0m/s； 许用应力提高 70%l 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：l 杆件最大应力比 UC=0.99， 位于登船平台支撑上；l 节点最大冲剪 UC=0.988 ，位于登船平台支撑上 ;l 各层最大位移l 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 ：l 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= 403mml 强度校核 （包括 Docking guide、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：l导向最大 UC 是 0.97;l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 ;l节点最大冲剪 UC= 0.63 ，位于护舷支撑杆件节点上；l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 ：l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l波浪环境条件保守取 100年一遇的波浪拍击荷载为 :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Member (O.D. x t) (in)Supported length L (m)Velocity U (m/s)With corrosion Without corrosionFs (KN/m)UC Fs (KN/m)UC24x1.25 20.49 4.507 19.51 0.62 19.90 0.5124x1.0 Covered by24”x0.75”24x0.75 18.4(1) 4.507 19.51 0.98 19.90 0.6420x0.625 13.90(1) 4.507 16.19 0.91 16.58 0.5316x0.75 14.80(1) 4.507 12.87 0.94 13.26 0.6516x0.5 5.2 4.507 12.87 0.24 13.26 0.1212x0.5 5.5 4.507 9.56 0.35 9.95 0.186x0.375 3.0 4.507 4.58 0.58 4.97 0.1520x0.75 6.86 Covered by 20”x0.625”20x0.5 1.3 Covered by above导管架水平层 EL(+) 4 500三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司涡激振动分析Vortex will occurIn-line Cross-flow Stability parameterCurrentWind判断标准：计算结果：l 有 /无海生物，流不会引起杆件的 VIVl 风：经计算，所有杆件在风作用下不会发生VIV.计算内容：l 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/m3l 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 ;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；l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 ;l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：l 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l 校核导管架在拖航时的强度是否满足要求；l 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； l 采用横摇 12.5度，纵摇 20度的拖航条件。许用应力放大 1.333。l 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。l 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l 导管架在 Row1与 EL(-)12.5m和 EL(-)51.5m的相交处设置吊点。l 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。l 吊钩高于 Row2层 76米。l 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： 11500 kN计算结果：计算内容：l 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l 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l 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。l 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。l 吊勾高于顶部水平层 40m。垂直吊装分析计算结果：计算内容：l 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。l 当荷载系数为 2.0时，最大冲剪为 0.402；l 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l 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；l 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；l 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l 浮力余量为 12%；l 形成施工顺序三、工程实例分析中国石油海洋工程有限公司坐底稳性分析及防沉板设计l 校核导管架在扶正站立后，打桩前，由防沉板进行支撑的状态下，结构的强度，稳性等。l 根据 API规范通过手工计算土壤的刚度后，按比例分配到导管架底层水平层的节点上，作为导管架的约束。l 导管架腿设置为充水状态，并且去除了索具等重量。l 杆件的最大 UC为 0.982，位于最下层水平层处；l 节点冲剪最大 UC为 0.978， 该点位于 EL(-)71.5m层，斜撑与水平杆相交处。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桩自由站立分析l WHPA桩长 169.99m,1524mm, 入泥 90m，分三段打入；第一段： 92.5+0.5第二段： 39.0+1.0第三段： 38.49+