海洋平台结构设计课件第三章 导管架平台总体设计

1,第一节 设计参数 第二节 导管架平台的构成及分类 第三节 平台的方位、结构型式及主要尺寸设计 第四节 平台上的主要设备 第五节 平台上设备的布置 第六节 平台的总体规划与布置,导管架平台总体设计,本章主要内容,导管架平台总体设计,定义：按一般的设计准则、法规和标准处理平台上部设施和设备的工艺布置与支承结构选型的总体问题总体布置的目的：寻求平台总体的最优设计方案,平台总体设计,第一章 绪 论,Chapter 1 introduction,工艺布置是支承结构规划布置的依据；支承结构选型必须满足工艺布置的要求,平台总体设计过程：反复进行工艺布置与结构选型的过程,平台使用参数,施工参数,海洋环境参数,海底地质参数,第一节 设计参数,平台的用途、工艺要求,施工手段、满足施工要求的自然环境条件,工作环境参数、极端环境参数,工程地质参数、适宜的持力层,（1）使用年限（2）平台设置的位置及该位置的水深（3）是否有人居住，若有人居住，居住人数、人员上下平台方法及紧急状态的撤离方法（4）平台工艺布置要求及处理方法（5）供应船的尺度、停靠方式，直升飞机的型号及直升飞机停泊场的布置，起重设备能力及数量（6）油（气）井的数目、间距（7）保证工作人员和设备的安全、防止污染、减少振动及防火的措施,一、平台使用参数,（1）要求预制场地有足够的工作面积（2）供水供电方便、充足，能正常进行构件制造（3）要求路上交通有铁路公路相通，水路有码头通航，能够保证大量材料运进和大型构件运出（4）要求有足够的工作船和起重机具进行运输安装（5）平台制造厂技术水平能满足平台制造要求（6）要求从制造场地到平台服役海域的航线有足够的航行水深,二、施工参数,（1）海洋环境：a. 风、波浪、潮汐、海流、海冰、地震、海啸b. 风、雨、雪、雾、霜、温度、湿度c. 地基土壤、腐蚀性海水、海生物附着、盐度（2）环境参数包括工作环境参数、极端环境参数（3）工作环境参数：平台在施工和使用期间经常出现的环境参数，以保证平台能正常施工和生产作业为标准（4）极端环境参数：平台在使用年限内，极少出现的恶劣环境参数，作为保证平台生存标准。所选用的荷载重现期均不小于50年,三、海洋环境参数,（1）平台设计前需进行地质调查：a. 现场海底地貌情况b. 浅地层剖面c. 地球物理测量结果d. 周围土层的分类、年代、成因类型、状态、分布规律e. 软硬岩土层的接触关系、接触面的坡度和坡向（2）了解本海域不良工程地质现象：海沟、古河道、断层、海底冲刷情况（3）分析场地工程地质参数，判定不良地质现象对平台安装的影响（4）确定适宜的持力层,四、海底地质参数,第二节 导管架平台的构成及分类,甲 板 结 构,导管架平台是由腿柱和纵横杆系构成的空间构架。 纵向和横向连接杆构成的支撑可传递水平荷载，保证结构的整体稳定。,1、导管架,腿柱（导管）,水平撑杆,斜撑杆,桩,导管架的主要作用,1. 桩基施工时，作为打桩定位和打桩导向，并使各单桩有机地连为一体 2. 安装上部设施与设备时，可在上面架设临时施工平台，保证施工安全和加快施工进度 3. 作为支撑结构的一部分可以增加结构的抗倾覆能力的刚度，提高结构整体稳定性 4. 可作为大量附属设施的支撑,2. 钢管桩,钢管桩,导管架,海床,群桩基础把平台固定于海床，可承受各种使用荷载和海洋环境荷载。,3. 甲板结构,板,梁,桁架（立柱）,甲板结构：为海上油气田开发和其它海洋开发提供足够的使用空间，用来布置各种设施和设备。,4. 设施和设备模块,陆地制作模块,海上,甲板结构,现代平台设计通常按照起重机的允许最大吊装能力和工艺流程要求，将上部设施与设备分成很多模块。,按工艺流程组装模块,导管架平台,井 口 平 台,生 产 处 理 平 台,泵 站 与 压 缩 机 平 台,生 活 平 台,火 炬 平 台,集 油 （气） 平 台,注 入 平 台,综 合 平 台,其 他 种 类 平 台,导管架平台的特点,1. 平台的支承结构是以圆钢管为主要构件的钢结构，结构受力状态较好 2. 桩打的准而直，故结构适用于水深、浪高、风大的海域 3. 打桩作业简单，且导管架可保证平台结构的整体稳定性 4. 分模块作业使得结构既安全又经济 5. 平台设计、制造和安装技术成熟，结构的适用性强,有利于抵抗海洋环境荷载作用,便于工作船停靠,满足平台上部设施与设备工艺布置要求,第三节 平台的方位、结构型式及主要尺寸设计,使支撑结构抗倾覆能力强的方向与流向一致,火炬塔在下风向，生活区在上风向,一、平台的方位设计,平台的方位：在标明正北方向的平面图上，平台主轴与正北方向的夹角。它通常取决于主导风向、波向、流向、海冰方向及平台使用要求。,把靠船装置布置在支撑结构与流向相平行的一侧,选择平台方位的原则：,导管架,三腿柱导管架,四腿柱导管架,八腿柱导管架,主要用于井口平台、火炬平台、机械设施支承平台,主要用于井口平台、生活平台、压缩机平台、油（气）生产平台、钻井平台,主要用于综合平台,平台支承结构型式的选择即导管架结构型式和桩基布置型式的选择。,其它导管架,6、9、12、16、24腿柱导管架平台,目前世界上导管架趋势是向少腿柱发展，大多数为4腿柱和8腿柱导管架平台。,二、平台支承结构的型式设计,撑杆的布置,K型撑杆,X型撑杆,撑杆受压，易失稳,撑杆有效长度短，可采用细长杆件，减少导管架总重量,导管架腿柱和支承腿柱的撑杆共同构成导管架空间框架结构。,荷载作用下，一根受拉，可防止另一根受压撑杆失稳,焊接节点多，焊接工作量大,撑杆有效长度大，导管架总重量大,焊接节点少，焊接工作量小，费用低,设计者的经验、导管架运送方式、施工技术决定撑杆布置型式。一般在深水海域和地震海域多采用X型撑杆。,桩基布置型式,1. 桩基的布置和桩数决定导管架型式 2. 边桩：均匀布置在导管架底部四周的桩 3. 裙桩：布置在导管架四个角柱周围的桩,桩基的布置,边桩布置,裙桩布置,平台上部竖向荷载显著大于水平荷载引起的倾覆力矩对地基的作用,适用于水平荷载对地基引起的倾覆力矩占地基总负载较大比例的情况,裙桩可承受更大倾覆力矩；导管架需采用较粗支撑,北海应用较多,上部竖向荷载较直接通过腿柱传到基础，导管架撑杆主要用来承受水平荷载，支撑较细,墨西哥湾应用较多,边桩与裙桩结合布置,根据油田开发及其位置的相关参数：a. 水深、平台上部设施与设备重量、甲板面积b. 上部设施与设备的重量分布、油井的数量和产量、油井的位置、辅助设施的位置c. 海洋环境资料、地质地貌（包括桩的钻孔资料）、可能的施工方法,导管架结构型式选择依据,三、平台主要轮廓尺度确定,平台主要轮廓尺度包括上部结构的轮廓尺度和下部支承结构的轮廓尺度。1. 上部结构的轮廓尺度：甲板面积和甲板高程,甲板区,中央甲板区,悬臂甲板区,甲板面积,取决于使用要求、上部设施与设备的工艺布置和其外形尺寸,需考虑平台要具有一定的自持能力及二次采油所需增加设施的空间,支撑结构腿柱边界线以内部分的甲板区,支撑结构腿柱边界线以外部分的甲板区,甲板高程,a. 底层甲板下缘的高程CH :b. 甲板的层间高度：由设备的高度和操作、维修、防火的安全空间决定。,Ht 设计高潮位，高潮累积频率10%的潮位 Hw 设计波高，50年或100年重现期最大波高的可能值底层甲板下缘与波峰间的间隙，1.03.0m,2. 支承结构轮廓尺度确定,a. 导管架的顶高程：需考虑上部结构与支承结构的连接形式及上部设施与设备在海上安装期是否需架设临时施工平台。b. 导管架的底高程：两个原则：导管架腿柱要插入泥面下足够深度；依靠导管架自身重量和适当锤击可顺利达到设计深度要求。导管架底部水平支撑轴线与自然泥面齐平；在导管架底部需设置防尘板，其面积由导管架有效重量和海底表层土壤的承载能力确定。,c. 导管架层间高程：主要取决于导管架腿柱的柔度、桩的间距、交于各节点的垂向支撑的交角。一般为1218m。d. 导管架腿柱的倾斜度：导管架腿柱的倾斜度对导管架的重量、桩的轴向承载力、平台所受的波浪力、打桩效率、海上接桩都有影响；一般布置为双斜对称型。可根据土质特性、打桩机性能、钢材牌号、是否用辅桩、制造费用、安装费用选择最佳倾斜度。导管架四角腿柱典型斜度为1:8。,e. 水面附近的构件尺度：尽可能减小水面附近的构件尺度。为了减小对角支撑直径，应合理地设计荷载的传递路径，一般将荷载由导管架内框架向外框架的传递设计在低于水面以下的水域内进行，以减少导管架外框架腿柱直径。f. 桩尖支承高程：桩尖支承高程主要取决于桩的入土深度。桩尖一般支承在持力层上。为防止桩基的不均匀沉降，桩尖应支承在同一土层上。,第四节 平台上的主要设备,确定工艺流程,决定工艺设备和机械设备,确定辅助设施和服务设施,根据储油层情况、水深、支承结构型式、工艺要求、开发经济性、法规决定设备布置情况。,平台上的设施和设备,钻井与井口设备,油气处理设备,a. 开发井：当地震精查构造图可靠、评价井所取的地质资料比较齐全、探明储量的计算误差在规定范围以内时，可根据编制的该油气田开发方案，为完成产能建设任务按开发井网进行钻井，这样所钻的井称为开发井b. 自给式平台钻机：本身带有动力设备和生活设施的平台钻机c. 非自给式平台钻机：利用采用设备与设施提供的动力和生活条件（包括动力、饮用水、海水、柴油、压缩空气及生活区）的平台钻机d.井口：控制来自生产井和注水井流量的阀门和管道的总称，包括套管头、油管头、总闸门、翼阀、自动关闭阀、流量控制阀或油嘴,在导管架平台上钻井，都是钻开发井，通常采用平台钻机，包括自给式平台钻机和非自给式平台钻机,一、钻井与井口设备,井 口,其他辅助设施,二、油气处理设备,工艺设备,直升飞机甲板及其服务设施,公用设施与设备,注入设备组装系统,机械设备,油 气 处 理 设 备,火炬和紧急卸压系统,生活设施与设备,上部设施与设备的核心,安全救生和通信的设施与设备,平台甲板结构,1）分离器：一个钢制的密封圆筒或球，依靠重力升降或离心的作用分离来自 油井的不同密度的液体，把液体分为气相或液相,工艺设备,分离器,换热器,容器,1、工艺设备,类型：卧式分离器、立式分离器 作用：使气体从大量液体中分开；使一种液体与另一种液体分开；或两者兼之 大小：主要取决于容器中的允许气体流速、油（液）停留时间、水停留时间、油滴大小（仅限于三相分离器）,2）换热器：借助空气或水通过翅片管束完成冷却作用，又称为冷却器 型式：管壳式热交换器、板式热交换器,3）容器：处理设备的核心或主要部分，包括各种塔、罐、过滤器。其尺寸和 重量由工业设计人员根据流程要求查有关手册确定,1）压缩机：一种旋转式或往复式机械，利用它的传动装置和有关的滤清器、冷却器、管线、阀门及控制装置一起将天然气或空气从低压压缩到高压；、排气量是压缩机选型的决定因素,机械设备,压缩机,泵,2、机械设备,类型：往复式压缩机、离心式压缩机（较常用） 原理：在较低压力下吸入气体，经过压缩，再在较高压力下排出 大小：主要取决于压缩机进口气量和进出口压力,2）泵：与传动装置、连接管线、阀门、减振器等一起输送流体 类型：输油泵组、脱水泵组、污水处理泵组、海水提升泵组、消防泵组、燃料油泵组、火炬分液罐泵、真空泵、注水泵 作用：利用增压，通过管线将流体从一个地点送到另一个地点 选择：根据输送液的性质及要求泵的排量确定泵型,3、公用设施与设备,工艺设施与设备是油气生产中的辅助设施，它占有较大空间和具有较大重量,动力设备,海水提升组装系统,加热介质组装系统,燃料气组装系统,冷却介质组装系统,公用设施与设备,工用设施及仪表通风组装系统,采出水、混油水及废液处理组装系统,4、注入设备组装系统,油田二次开发需要平台总体规划中考虑注入设备组装系统，即布置注水、注气、气举设备和设施,粗过滤器,细过滤器,真空泵,化学注入剂,脱氧装置,注入设备组装系统,增压泵,注入泵,5、火炬和紧急卸压系统,火炬和紧急卸压系统主要用于平台上少量低压气体的排放或紧急关闭时卸压。由于经济原因，把气体放空烧掉,火炬结构及配管系统,高压与低压火炬控制盘,低压火炬头,高压火炬分液罐,高压火炬头,火 炬 和 紧 急 卸 压 系 统,低压火炬分液罐,分液罐泵,平 台 火 炬 结 构 型 式,火炬塔火炬臂远程火炬三脚架,生活设施与设备主要是为平台上操作和维修设施与设备的全体人员提供住所和支持系统。一般生活设施的规模由平台上工作人数、生活标准和人员的运送方式决定。,6、生活设施与设备,直升飞机甲板结构及面积主要取决于选用的直升飞机性能和停泊直升飞机的数量直升飞机甲板上的主要设备：灯具、加油软管、灭火器、系扣点、系留绳索、风向显示器,7、直升飞机甲板及其服务设施,安全救生和通信的设施与设备：救生艇；救生筏；救生圈；救生吊臂；防火墙；火、气、烟的探测；消防设备；安全网；安全栏杆；通信及公用广播系统；助航设备；医疗设施,8、安全救生和通信的设施与设备,平台甲板结构作为上部设施与设备的一部分，主要用来承载模块和设备，又称为上部设施与设备的支撑结构,9、平台甲板结构,第五节 平台上设备的布置,一、综合平台的特点,（1）将多功能集中于一个平台上（2）平台可同时钻井和采油（3）平台自持能力高（4）上部设施与设备采用模块型式，在陆上完成制造、组装及预试运转，再在海上吊装（5）甲板上荷载大，一般为500020000t（6）平台上的设施与设备按安全要求分区布置,二、设备布置要考虑的因素,（1）平台的使用要求（2）平台上部空间甲板面积的安排要充分考虑设施与设备之间的间距和空间（3）施工条件施工条件包括设施与设备制造厂的地理位置和生产能力、可能得到的运输驳船及浮吊的起吊能力、设施与设备的支撑结构型式及模块单元的优化（4）安全与环境保护的限制,三、设备的布置原则,（1）在满足使用要求的前提下，尽量选用效能高、体积小、重量轻、技术先进、使用安全可靠、便于维修的设备（2）尽量采用模块布置，分块要满足生产流程要求，力求系统性和独立性；模块的重量、尺度要考虑支承结构和起重机能力，使模块单元最优化（3）工艺布置要有足够的灵活性（4）海上设备的选择要有较高的可靠性（5）安全分区,公用设施,钻井区,生产区,生 活 区,上部设施与设备的一般布置示意图,（6）充分考虑工人操作、人员安全、设备维修与更换、意外事故发生时的通道和空间（7）尽可能考虑设置封闭式模块（8）初步设计阶段所给出的上部设施和设备的重量、尺寸和重心数据必须是可靠的，并应在详细设计阶段和制造阶段严格遵守（9）为海上人员接送和器材运输而设计的辅助设施，需充分考虑海洋环境条件,平台上的分区,井 口 区,无 火 操 作 区,原 油 储 存 区,有 火 操 作 区,机 械 区,生 活 区,四、设备的布置,进行上部设施与设备布置前，需对上部设施与上部按安全要求进行分组，以便使危险区和噪声源尽可能远离安全区。,（1）井口区,a. 必须布置在钻井装置、修井设备能够到达和提供足够平台支撑的地方b. 井口应同着火源、燃料、机械及下落物体隔开c. 保护井口应放在首要位置，并要保护人员的安全d. 井口区域范围包括钻台、钻井液处理设施、井口、管汇e. 把着火源和燃料源减到最少,（2）无火操作区,a. 需避开着火源b. 无火工艺设备不应直接安装在没有特殊保护的有火设备的旁边或下方c. 无火工艺容器可安装在距离井口较近的地方，因为它是潜在的燃料源d. 在该区域把着火源减到最少,（3）原油储存区,a. 原油是可能的潜在危险源b. 原油储罐应安装在远离井口和潜在着火区域（机械区、生活区）或用其它方法对原油储罐加以保护c. 原油储罐可安装在无火工艺区容器附近，因为它也是潜在的燃料源，但要采取措施防止漏油d. 在该区域把着火源减到最少,（4）有火操作区,a. 这一区域的设备是潜在的着火源b. 有火工艺容器应远离井口，无火工艺容器和原油储罐应加以保护c. 潜在的着火源有火工艺设备和机械设备这两类设备区域可以邻近安装d. 在该区域要将燃料供应减到最少,（5）机械区,a. 该区域既有潜在着火源，又有燃料源b. 此区域应安装在远离井口、无火工艺设备区、原油储罐和生活区c. 机械和有火工业设备可以邻近安装d. 此区域是噪声源和振动源，要远离生活区e. 把燃料工艺减到最少,（6）生活区,a. 此区域应防止外部火焰、爆炸和噪声b. 从住房区逃生的路线，应能容易通行到所要求的逃生设施中，而且逃生路线设计应能把潜在的热源和火源减到最小程度c. 作为火源之一，此区域应尽量同燃料源隔开d. 此区域应用防火墙或流出足够的距离，将住房与其他区域分开；且防火墙要尽量不开窗户或少开口e. 此区域要远离操作区，通道远离操作区