（机械工程专业论文）浅海水下桩基单立柱支撑平台研究与设计.pdf

摘要 目前我国浅海及极浅海油田开发中，海洋固定平台大部分采用导管架式结构，导管 架平台技术成熟、安全可靠，但因造价及用钢量两方面原因，使其在开发边远小油区方 面受到制约。本文针对埕岛油田水深较浅、冰情较为严重、海底冲刷、边际油田产出液 要进入油田管网等具体的环境条件和油田特点，对适用于有冰海区，且具有较好的抗振 性能的水下桩基单立柱平台结构进行了研究。 论文采用基于优先关系的模糊优选决策法，针对特定环境和要求，对已有的单立柱 平台形式进行优化选型，筛选出较为合适的基本平台结构形式，并在此基础上进行改造， 得到满足埕岛海区的环境特点和目标工程的功能要求的水下三桩单立柱平台形式。 单立柱支撑平台结构简单，冗余构件少，设计分析时考虑各种变异性、随机性和模 糊性等不确定性因素影响，对单立柱平台各构件进行可靠性分析，在此基础上，对单立 柱平台进行了模糊优化分析，使结构系统在合理的可靠性基础上达到体系的最优化。 在单立柱平台结构模糊优化的基础上，利用海洋平台结构分析专业软件s a c s 软件， 并完全按照a p i 、a i s c 和d n v 的相关规范对单立柱平台进行了详细结构分析，包括： 静力分析、动力分析、疲劳分析等。结果表明：单立柱平台整体强度及稳定满足规范要 求。 支撑桩与单立柱塔式基础水下连接是整个单立柱平台的关键技术部分。桩顶水下连 接采用机械齿合相结合的方式连接，这种连接方式更安全可靠，海上施工风险小，无论 是在单立柱海上安装期还是平台的正常服役期，均能提供可靠的连接。桩身与单立柱塔 式基础的连接采用水下灌p a e 水泥砂浆连接，设计了关键部件一灌浆封隔器，封隔器结 构简单，工作可靠，承受压力高，适用于水下灌浆密封。 关键词：浅海，单立柱平台，模糊优化，可靠度，三维有限元分析，平台设计 r e s e a r c ha n dd e s i g no fc a i s s o np l a t f o r mw i t hu n d e r w a t e rp i l e s u s e di ns h a l l o w 纤知t e r f e n gc h u n j i a n ( o f f s h o r ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nx i a n g z h e n a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sp r o v e nt e c h n i q u ea n dh i 曲s e c u r i t y , j a c k e tp l a t f o r mi st h em o s tp o p u l a rf i x e d o f f s h o r ep l a t f o r mi ns h a l l o ww a t e r h o w e v e r , t h eh i g hc o s ta n dt h eh e a v ys t e e lq u a n t i t yp l a c e s e r i o u sr e s t r i c t i o n so nt h ea p p l i c a t i o no fj a c k e tp l a t f o r mi nm a r g i n a lo i l f i e l d r e s e a r c ho n c a s s i o np l a t f o r mw i t hg o o dr e s i s t a n c et oi c el o a da n dv i b r a t i o n ，h a sb e e nc a r r i e do u t i nv i e wo fs p e c i f i ce n v i r o n m e n t sa n dr e q u i r e m e n t s ，f u z z yo p t i m i z a t i o ns e l e c t i o nm e t h o d w h i c hi sb a s e do np r i o r i t yh a sb e e na p p l i e dt oc a s s i o np l a t f o r mi ns e r v i c e ，a n dt h e nt h eb a s i c p l a t f o r ms t r u c t u r ew i t hs a t i s f a c t o r ya d a p t a b i l i t yt om a r g i n a lo i l f i e l dh a sb e e ns e l e c t e d i n a d d i t i o n ，s o m ei m p r o v e m e n t so nt h es e l e c t e dp l a t f o r ms t r u c t u r eh a v e b e e nm a d e ，a n dc a s s i o n p l a t f o r mw i t ht h r e ep i l e st h a ta d a p t st h ee n v i r o n m e n t so fc h e n g d a oa r e aa n dm e e t st h e r e q u i r e m e n t so ft a r g e tp r o j e c th a sb e e na c h i e v e d c a s s i o np l a t f o r mh a st h ef e a t u r eo fs i m p l es t r u c t u r ea n dl e s sr e d u n d a n tm e m b e r s i nl i g h to f t h en o n i s o t r o p h i e s ，u n c e r t a i n t i e sa n df u z z i n e s s e s ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i so fc a s s i o np l a t f o r m m e m b e r sh a sb e e nc a r r i e do u t a n dt h e n ，c a s s i o np l a t f o r mh a sb e e na n a l y z e db yf u z z yo p t i m a l m e t h o d ，s ot h a to p t i m a ls t r u c t u r es y s t e mw i t hr a t i o n a lr e l i a b i l i t yc o u l db ea c c o m p l i s h e d a f t e rt h ef u z z yo p t i m i z a t i o no fc a s s i o np l a t f o r ms t r u c t u r e ，d e t a i l e da n a l y s i so fc a s s i o n p l a t f o r mh a sb e e ne x e c u t e db ym e a n so fp r o f e s s i o n a ls o f t w a r es a c s m e a n w h i l ei th a s c o m p l e t e l yc o m f o r m e dt oa s s o c i a t e dc o d e sa n ds t a n d a r d sf r o ma p i ，a i s ca n dd n v t h e r e s u l t so ft h ea n a l y s i si n d i c a t et h a tt h eg l o b a lc a p a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fc a s s i o np l a t f r o mm e e t t h er e q u i r e m e n t so ft h ea s s o c i a t e dc o d e s t h eu n d e r w a t e rc o n n e c t i o no fs u p p o r t i n gp i l ea n dc a s s i o nf o u n d a t i o ni st h ek e yp a r to f c a s s i o np l a t f o r m t h eu n d e r w a t e rp i l eh e a d si sc o n n e c t e db ym e c h i n a li n t e r m e s h i n g t h i s m e t h o dc a np r o v i d er e l i a b l ec o n n e c t i o nb o t hi ns e r v i c ep h a s ea n di n s t a l l a t i o np h a s e ，a n di t c a nb ei m p l e m e n t e dw i t hl i t t l er i s k t h ep i l ei sc o n n e c t e dt oc a s s i o nf o u n d a t i o nb yu n d e r w a t e r g r o u t i n ga n n u l u ss p a c ew i t hp a e s a n dc e m e n ts l u r r y g r o u t i n gp a c k e rh a sb e e nd e s i g n e d i ti s s i m p l e ，r e l i a b l ea n da p p l i c a b l et ou n d e r w a t e rg r o u t i n gs e a l k e yw o r d s ：o f f s h o r e ，c a i s s o np l a t f o r m ，f u z z yo p t i m a lm e t h o d ，r e l i a b i l i t y ，3 df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，e n g i n e e r i n gf o rp l a t f o r m 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源，。 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目：蕴遮窿e 堑整皇垫逢逝邂复蛰i 卞 毕业院校：立匡l 圣迪龌 毕业时问： 兰竺! 里：! f 一 论文类型：博士论文 口 硕士论文 博士后研究报告 口 同等学力论文 口 授权人签字：别友 日期：2 0 0 9 年，2 月夕日 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：墨被日期：a 叼年i2 月罗日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：勐年，2 月多t 3 日期：庐一彳年么月7 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 目的和意义 胜利埕岛油田经过l o 多年的开发建设，根据自身特点，结合其特殊的海洋环境条 件，采用卫星平台、中心平台结合海底管线的开发方式，目前已建成年产2 0 0 万吨原油 生产规模，形成了独具特色的半海半陆浅海开发模式，这种开发模式也为环渤海湾油田 ( 如大港、冀东、辽河等) 开发提供很好的借鉴和参考。随着胜利浅海勘探开发工作的 不断深入，有很大一部分边际油区亟待开发，现阶段在主力区块大部分开发的前提下， 开发周围边远小区块是油田稳产、增产的重要保障。但这一地区分布水域较广，水深变 化幅度在1 5 - - - 2 0 米。同时，油层开发后含水上升快，产量下降快。对于一般的井组平 台，在投资组成中，平台结构部分的投资占总投资的6 0 以上，如果对这些边际小油区 采用常规的平台结构方式必将制约其可能达到的投资回报率，因此必须寻找新的平台结 构形式，以减少结构部分的投资，从而有效的降低工程总投资，使开发边际油区成为可 能。 目前我国浅海及极浅海油田开发中，海洋固定平台大部分采用导管架式结构，导管 架平台技术成熟、安全可靠，但因造价及用钢量两方面原因，使其在开发边远小油区方 面受到制约。鉴于此，为寻求更大的投入产出比，国内外科研机构及工程技术人员都在 积极开发研究适用于这一领域的、有较好经济效益的轻型、小型、新型平台，如简易浮 式生产装置、桶型基础平台、单立柱平台等，国外已研究出多类形式的轻型平台用于边 际油田的开发，其中较为有代表性的是轻型单立柱支撑平台形式【l 】( 如c b s 工程公司 的m o s s 型平台、d e g 公司的m a n t i s 型平台、p e t r o m a r i n e 工程公司的g u a r d i a n 平台等，这些单立柱轻型平台均为各个工程公司的专有技术) 。采用轻型单立柱平台不 仅可以节省平台用钢量，而且可以缩短海上施工周期，明显降低施工费用。 上述这些类型的轻型平台在北海地区、墨西哥湾、亚得利亚海等浅海海域油气田的 开发中得到了一定的应用。但这些平台由于其针对性很强，不适合埕岛油田的海况与油 层条件。以往我国在轻型海洋平台结构型式方面的创新不多，多是对国外已有的结构型 式进行模仿。但对于轻型平台来说其经济性与针对性要求很高，同时受到知识产权的制 约也不能照抄照搬国外的研究资料。因此如何开发适应于我国渤海海况与油层条件下的 具有完全知识产权的新型、轻型平台结构型式就具有重要意义，本文针对埕岛油田水深 较浅、冰情较为严重、海底冲刷、边际油田产出液要进入油田管网等具体的环境条件和 第章绪论 油田特点，采用基于优先关系的模糊优选决策法，对平台进行优化选型；并完全按照 a p i 、a i s c 和d n v 的相关规范对平台结构进行了优化设计；开发了灌浆密封与机械啮 合方式相结合的水下桩与单立柱水下连接关键技术，并研制了“环形颚式”封隔器代替 国外产品。该平台适用于有冰海区，且具有较好的抗振性能，研究成果拓宽了单立柱平 台的应用范围，提升了国内单立柱平台的设计建造技术水平，降低了类似于胜利浅海边 际小区块油田的开发成本，使边际小油田的开发成为可能，对稳定油田产量、增加胜利 浅海油田乃至环渤海湾浅海油田可控面积具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 我国国内海上油田开发，包括南海、东海及渤海等海域，平台的结构型式多种多样， 主要有桩基导管架式平台、单点系泊装置、人工岛结构、由钻井船改装的钻采平台等型 式。这些平台大都投资较大，比较适合于大型油田的开发，对于边际油田的开发不太适 用。因此，国内近几年也在不断探索研究寻求比较经济简易的平台结构型式。 国外轻型单立柱平台的研究及发展较快，并在北海地区、美国的墨西哥湾、意大利亚 得利亚海等浅海海域油气田的开发中得到了广泛的应用。国外单立柱平台的结构型式多 种多样，有工程实践经验的单立柱平台的型式主要有2 】： ( 1 ) m o s s 型平台 m o s s 型平台由c b s 工程公司于1 9 8 7 年首次设计并 用于墨西哥湾，其意为“近海边际油田支持结构 ( m a r g i n a l o f f s h o r es u p p o r ts t r u c t u r e ) ，m o s s 型平台用钻井隔水套管 作支柱，并有两根斜撑在水面上加以支持，斜撑在泥线处 用桩固定于海床。如右图1 一l 所示。 由于该种类型的平台直接用井口隔水套管作支撑，且 斜撑位于水面线，因此该种结构形式的平台主要用于类似 于墨西哥湾无冰海区。 ( 2 ) m a n t i s 型平台 图1 - - 1m o s s 型平台 m a n t i s 型平台由d e g 公司设计，也采用钻井隔水套管作为 f i g 卜1m o s sc a i s s o n 支柱，m a n t i s 型平台具有较高的刚性，除两根斜撑的桩用整体座底固联一体外，各主 要节点均不用卡装或销接等机械联接方式，这种平台可以用钻井平台或小型浮吊安装， 如下图1 2 所示。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 同样原因，m a n t i s 型平台主要用于无冰海区，与m o s s 型平台相比，其适应水 深能力更大。 图1 - 2m a n t i s 型平台 f i g1 - 2m a n t i sc a s s i o n 童隽饥零板 图1 - - 3g u a r d i a n 型平台 f i g1 - 3 g u a r d i a nc a s s i o n ( 3 ) g u a r d i a n 型平台 g u a r d i a n 平台是p e s o m a r i n e 工程公司设计的一种单柱平台，见图l 一3 。它也 用钻井隔水套管作为平台支柱，不同的是该平台用两根斜桩取代了m o s s 型平台和 m a n t i s 型的斜撑和直桩，两个斜桩套与靠船台做成一体，套装并焊接在隔水套管上，通 过桩套各打一根斜桩并将桩与桩套焊接在一起。同样原因，g u a r d i a n 型平台主要也 用于无冰海区，由于其结构更为简单，施工方便，g u a r d i a n 型平台在无冰海区3 0 m 水深以浅范围内使用较多的一种轻型平台结构型式。 ( 4 ) s e a h o r s e 型平台 s e a h o r s e 平台结构型式见图1 4 ， 其最大的特点是采用金字塔形的水下构 架和宽大的底座，前者保证了它在水面对 风力和波浪载荷的高透明度，从而大大减 少了受力，而后者又使其抗倾覆能力大为 提高。这样既可减轻平台的结构重量，又 可减少桩的入泥深度和重量，不仅可降低 材料和制造费用，还相应降低海上安装费用。 图l 一4s e a h o r s e 型平台 f i g1 - 4 s e a h o r s ec a s s i o n 第一章绪论 s e a h o r s e 平台具有较大灵活性，既可作为井口平台，也可以用作小型生产平台， 由于其使用水下框架支撑，其适用水深及抗风浪能力比前几种型式单立柱的轻型平台 强。 s e a h o r s e 型平台刚度相对其它单立柱轻型平台而言较大，平台主体依靠单立柱 支撑，由于其水面附近结构简单，可以最大限度的减少平台所受的环境荷载( 具有较好 的抵抗冰荷载的能力) ，同时根据需要，当作为井口平台使用时，井口可布置在单立柱 内部，井口不直接承受外部荷载，从而对井口实现有效的保护。 这些平台均是各个公司的专利技术，其技术被各个公司所垄断。下表是国外一种单 立柱平台与类似项目导管架平台的一组统计数据。 表l - 2t t p 单立柱平台与导管架平台对比1 2 i t a b l e l 一2 c o m p a r et t pc a s s i o np l a t f o r mw i t hj a c k e tp l a t f o r m 使用水深最大甲板尺寸结构重量海上安 平台型式井口数桩数 ( m ) ( m x m )( m t )装天数 t r p 单立柱平台 1 3 7 - - 一5 9 42 431 3 7 x 1 3 75 9 9 1 9 9 94 导管架平台1 3 7 6 44 1 6 4l8 3 x 2 7 4 7 6 7 3 6 2 3 6 1 3 本文主要工作 本文主要在以下几个方面对单立柱平台进行研究： ( 1 ) 适合于有冰海区使用的单立柱平台的优化选型研究； ( 2 ) 基于可靠度的单立柱平台模糊优化设计研究； ( 3 ) 单立柱平台的详细结构分析及结构设计； ( 4 ) 水下桩与单立柱水下连接关键技术研究。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章单立柱平台结构型式方案优选简述 2 1 模糊优化基本组成元素和方法 2 1 1 简述 方案的优选决策，评价其适用范围，以选出合理的平台形式，是个复杂的过程。 平台结构形式的合理与否直接关系到油田开发的投资收益与安全。确定既安全可靠又经 济合理的平台形式，需要根据油田开发的具体条件对各种预定方案进行仔细全面的分析 决策。但方案优选中的各个参数往往很难进行定量化分析，同时影响平台方案选择的因 素又很多，且这些因素往往具有不同的层次和类别，这些都给平台结构形式的确定带来 困难。但如果把这些影响因素模糊化，并对这些模糊因素进行综合考虑的话，则是一个 很好的解决途径，这就是模糊优选的概念，本文采取模糊优选法确定单立柱平台的结构 型式。 2 1 2 方法和步骤 ( 1 ) 建立因素集： 因素集是以影响优化对象的各种因素或者说是目标为元素组成的集合。在平台选型 优化决策中包括结构性因素( 如：项目投资成本) 和非结构性因素( 如：平台对环境的 影响程度) 。因此在海洋平台方案模糊优选中因素集是半结构性的，即含有结构性与非 结构性因素。采用以下表达式表示【3 】： u = 缸。，“：，“。) ( 2 1 ) ( 2 ) 建立评价集： 评价集是以优选者对优选对象可能做出的总的优选结果v j 元素的集合，它表示被选 择的设计方案，用以下表达式表示： 矿= “，：，。)( 2 2 ) 3 ) 建立模糊优选矩阵： 设优选对象按因素集中第i 个因素u i 进行优选时，如果评价集中第j 个元素v j 的隶 属程度为r i j ，总体模糊评价矩阵： 4 ) 建立权重集： r = ( 2 3 ) 第二章单屯柱平台结构型式方案优选简述 一般而言，各个因素的重要程度是不一样的，为了反应各个因素的重要程度，对各 个因素应赋予一定的权数，由各权数所组成的集合，称为权重集。 w = “，w 2 ，w m ) ( 2 - 4 ) w i = 1 w j 一0 ( 2 - 5 ) i = 1 5 ) 模糊综合优选： 模糊综合优选的结果： b = w r = 1 w 2 , w 0 。 l 1 2 r 2 1 r 2 2 ，脚l r m 2 = p 厶6 2 ，”j6 ( 2 6 ) b j 含义是综合考虑所有的因素时，优选对象对评价集中第j 个元素的隶属度。 2 2 单立柱平台优化选型 2 2 1 单立柱轻型平台结构形式 根据调研情况，国外有工程实践经验的单立柱轻型平台的型式主要有m o s s 型平 台、m a n t i s 型平台、g u a r d i a n 型平台、s e a h o r s e 型平台，其中s e a h o r s e 平 台具有较大灵活性，既可作为井口平台，也可以用作小型生产平台，由于其使用水下框 架支撑，其适用水深及抗风浪能力比前几种型式单立柱的轻型平台强。 类似于胜利浅海油气田密布的渤海湾，由于存在海冰及地震作用，海冰和地震环境 条件让许多工程技术人员对于低裕度、低刚度的轻型平台的应用心存疑虑，因此单立柱 轻型平台在类似海区没有得到工程应用的机会。要使单立柱轻型平台能抵抗海冰及地震 的作用，适应渤海湾有冰海区的适用条件，必须对单立柱平台进行优化选型。相比之下 上述s e a h o r s e 型平台具有该条件，其刚度相对其它单立柱轻型平台而言较大，平台 主体依靠单立柱支撑，由于其水面附近结构简单，可以最大限度的减少平台所受的环境 荷载( 具有较好的抵抗冰荷载的能力) ，同时根据需要，当作为井口平台使用时，井口 可布置在单立柱内部，井口不直接承受外部荷载，从而对井口实现有效的保护，此种类 型的单立柱塔式支撑平台是有冰及地震海区较为适合的一种轻型平台型式。 2 2 2 单立柱平台优化选型结果 在以上对单立柱轻型平台调研、分析对比的基础上，单立柱塔式支撑结构型式是冰 区及地震海域最为适应的轻型平台结构型式。为进步针对胜利浅海海区环境条件，对 6 一 再 啦 气乞 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 该种类型的单立柱平台进行进一步的优化选型，选择四种单立柱结构作为备选方案集 ( 评价集) 进行结构型式优选。即：v l 一3 桩支撑6 米直径单立柱平台；v 2 一桶形基础 单立柱平台台；v 3 3 桩支撑对称布置2 米直径立柱平；v 4 3 桩支撑偏心布置2 米直径 单立柱平台。 4 种型式的单立柱平台结构分别见下图： + 1 5 m 叭 刖凹冉扒i 、，x k j印 v 、 u 6 0 0 0咖 始 r - p 6 1 0 0 一- 4 5 一 _ _ 链 支纂 。譬 叫鼍寝 _ _ _一加。 一 量 ， 一功且 争bc - c 图2 16 米直径3 桩单立柱平台 f i 9 2 - 16 md i a m e t e ro fs i n g l ec a s s i o na n d3p i l e sp l a t f o r m s 匕一 。墨r 一 一 图2 - - 2桶形基础单立柱平台 f i 9 2 - 2s i n g l ec a s s i o np l a t f o r m 7 蝴 蚴 掣 _ 一 蚋 f 第一口单z 柱平台镕掏型式方案优选简述 一 ， 1 缸：么 怯 圄2 32 米直径3 桩单立柱平台( 对称和非对称布置) f 吨2 - 32 m d i a m e t e r o f s i t l g k c a s s i o n w i t h 3 p i l e s p l a t f o r m ( s y m m e t r i c a l u n - s y m m e t r i c a l a n “g e t ) 根据工程所建的地理位置和工程及技术条件，选择7 个影响因素组成了影响因素集： u 1 海洋环境及适用要求：1 1 2 工程造价；1 1 3 平台的冲击荷载承载能力；“平台的使用年 限；u 5 平台的施工难度：u 6 平台对环境的影响程度；u 7 须动用大型设备情况。即：因 素鬟瞻胁| 。“h “h ”s u d 。 因素权重集表达式w 确定如下： i = b f = 6 5 554 4 2l15 】 ，q 8 ，= 2 4 5 i = 1 一i 利用下列公式使权重集归一。 w = i 。w 2 ，w i n 。o 5 5 i f 1，。吣o ，o o o ；。o o o o o o o o o o o o o o _。【 卧陆， k k k 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 yw i = 1w i 2 0 j ；- 一 j - 1 肛l r0 2 6 5 d 2 2 5d 1 6 30 1 6 3d 0 8 2d 0 4 1 0 0 6 1 总体模糊评价矩阵r 的计算如下： r = 吒l r 2 1 l 模糊综合优选计算结果如下： 斗 0 5 0 0 o 8 1 3 3 0 8 1 3 3 0 5 0 0 0 5 9 4 6 0 5 0 0 0 5 0 0 b = w r = ( 1 2 m ) 0 7 4 7 7 0 5 0 0 0 5 9 4 6 0 6 5 8 0 0 7 8 2 5 0 6 5 8 0 0 6 5 8 0 l r 2 1 r 1 吒2 r z 2 r 2 0 7 4 7 70 7 4 7 7 0 7 0 7 10 7 0 7 1 0 5 9 4 60 7 4 7 7 0 7 8 2 50 7 8 2 5 0 5 9 4 60 5 9 4 6 0 7 8 2 50 7 8 2 5 o 7 8 2 5 0 7 8 2 5 ，2 。 ，舢 2 p 6 2 9 1 0 6 4 6 00 7 1 0 2 d 7 3 5 2 1 根据以上计算结果可以得到备择方案v 4 ( 偏心2 米直径单立柱平台) 是最优的结构 形式 为了更方便船舶停靠及配套海底管线及海底电缆建设，最终选择偏心布置水下三桩 塔式支撑单立柱( 2 米直径) 平台结构型式。作为井口平台使用时，井口布置在单立柱 内部，对井口进行有效的保护。最终确定的总体结构形式见图2 4 。 9 包饧 弱 o 一瞽举 i一1，。 萤 - h 0 降婿d 匝棚惜喧 1 i篁i1jd凹叠1_割斟 oi暑昌i_盎oq靠u q_锄置一露眉盈q皇寸nq!i 铽瓮霎好姐堪翻砰窨议器蹴噼 寸i n 匝 -4it 随悄 矧程嫂s球恹钌副霎好姬丰叫斗褂躲 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 单立柱平台由单立柱、塔式支撑框架、水下桩、上部平台组成。塔式支撑框架三个 面均为直立，水平面为等边三角形，塔式支撑框架导向管位于三角形的顶点，单立柱偏 心布置，位于三角形底边的中点；塔式支撑框架用钢管与单立柱连为一体。塔式支撑顶 标高8 6 m ，底标高1 6 4 m ，主导管采用巾1 4 0 0 钢管，成等边三角形布置，在标高1 4 4 m 处设加强段。在标高1 4 4 m 处设水平拉筋，内、外侧拉筋均采用巾4 0 0 以上的钢管。单 立柱顶标高为4 o m ，底标高为1 6 4 m ，采用由2 0 0 0 变壁厚钢管，在标高4 4 m 处与塔式 支撑框架主导管1 4 4 m 之间设竖向斜拉筋，采用不同直径的钢管。 水下桩采用由1 2 0 0 开口变壁厚钢管桩，桩入土3 6 m 。桩与塔式支撑主导管水下连接 固定，以便使平台所受的荷载传递到支撑桩上。 上部甲板采用独柱帽式结构，由一根立柱、甲板、梁格和斜撑组成。平台梁顶标高 为8 o m ，主尺寸为7 5 m x7 5 m 。平台梁格采用热轧h 型钢焊接而成，立柱采用由2 0 0 0 钢管。 井口隔水管位于单立柱中间，由单立柱对井口结构进行保护。 第三章单立柱平台可靠度分析及模糊优化设计 第三章单立柱平台可靠度分析及模糊优化设计 3 1 单立柱平台设计环境条件n 1 3 1 1 示范工程设计水深 平均水深( 黄海平均海平面) 1 4 4 0m 3 1 2 设计寿命 设计寿命为1 5 年。 3 1 3 潮位 极端工况高水位( 5 0 年重现期)3 0 8 m 操作工况高水位1 4 8 m 黄海平均海平面0 0 0 m 操作工况低水位 0 6 9 m 极端工况低水位( 5 0 年重现期)2 3 2 m 3 1 4 波浪 极端工况：5 0 年重现期最大可能波高7 2 m ；对应波浪周期8 6 s 。 操作工况：5 0 年重现期最大可能波高6 0 m ；对应波浪周期8 6 s 。 3 1 5 海流 极端工况流速 1 6 3c m s 操作工况流速9 8o l a j s 3 1 6 风 风速见表3 1 。 表3 - 1 风速表 t a b l e 3 - 1w i n d v e l o e i t y 重现期 时距 5 0 年2 0 年1 0 年5 年2 年 十分钟 2 8 o2 6 82 5 72 4 8 2 2 3 一分钟3 0 52 9 22 8 02 7 02 4 3 三秒钟3 3 63 2 23 0 82 9 82 6 8 3 1 7 海冰 设计冰厚( 5 0 年一遇) 抗压强度 3 1 8 地震 0 4 51 1 3 2 2 4 4 l 【p a 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 地震烈度8 度，地震谱按a p ib 谱计算，地面运动水平加速度取0 2 0 9 。 3 1 9 海生物 平均海平面以下的构件考虑1 0 c m 厚的海生物附着。 3 1 1 0 腐蚀和磨损 飞溅区的构件腐蚀裕量考虑3 m m 。 飞溅区定义为标高一2 6 9m + 5 4 8m 。 冰接触区构件磨损量考虑l m m 。 冰接触区为标高一1 1 4m + 1 9 3m 。 3 1 1 1 地质资料 地质资料土层分类及深度见图3 1 。 砂质粉土 笏 潞泥质粉质粘土 蓁 粉质粘土 牯质粉土 细砂 粉质粘土 细砂 图3 - - 1土壤分层图 f i 9 3 - 1t h ec o l u m no fs o i l 3 2 单立柱平台有限元模型建立 可靠度分析及模糊优化矛u m a n s y s 软件建立单立柱平台有限元模型4 1 。a n s y s 软 * 三章4 立柱平自日靠度分析及模糊优化设计 件是美国a n s y s 公司开发的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分 析软件。利用a n s y s 软件建立的有限元数值模型见图3 - - 2 。该有限元模型总体坐标系原 点位于海面处t 以垂向轴为z 轴z 轴正向指向上：x 轴为一1 44 坭面位置对称轴，v 轴为其 水平垂直轴。 图3 2有限元敷值分析模型 f 啦o o f g o b a l a m d y s i s 单立柱、塔式支撵、桩和连接钢管采用管单元模拟，泥面以上( 一1 4 4 m ) 为p i p e 5 9 单元 5 1 ( 3 0 0 个) ，泥面及泥面以下为p e 1 6 单元( 3 5 5 个) ，共有6 5 5 个管单元；平台 甲板采用壳单元s h e l l 6 3 模拟，共有3 4 7 个壳单元；甲板主粱采用梁单元b e a m l 8 8 模拟， 共有2 6 9 个梁单元；结构其它部分质量、甲板上部设备及活荷载等作为集中质量考虑， 采用质量单元m a s s 2 1 模拟，共有1 个质量单元；泥面以下柱、土相互作用采用弹簧阻尼 单元c o m b i n l 4 模拟，弹簧阻尼系数取00 8 ；弹簧剐度矩阵各数值根据各层土壤的密度、 弹性模量以及土层的厚度和等效剪切波速计算得到。共有6 9 0 个弹簧阻尼单元，以上共 计1 9 7 1 个单元，1 5 0 8 个节点。 有限元模型主要部分杆件及节点编号见下图3 - - 3 。 33 荷载及荷载组合 作用在单立柱平台上的荷载主要包括州：( 1 ) 固定荷载：结构及设各自重、浮力； ( 2 ) 甲板上活荷载：( 3 ) 海洋环境荷载：风荷载、波浪荷载、海流荷载、海冰荷载：( 4 ) 地震 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 荷载。 2 2 3 3 图3 3杆件及节点编号 f i 9 3 - 3m e m b e r sl a b e la n dj o i n t sn a m e 3 3 1 荷载计算 ( 1 ) 固定荷载 固定荷载包括结构自重和设备自重等荷载，结构自重包括导管架、桩、上部组块 以及其它附属结构的自重。水面以下结构构件的浮力也是固定荷载的一部分。设备自重 根据工艺总体布置提供的设备布置图确定，包括设备以及设备支撑的重量【7 1 。 ( 2 ) 风荷载 作用在平台上的风荷载按下式计算8 】 f=k k ：p o a ( 3 1 ) 式中：k 一风荷载形状系数； k ，一海上风压高度变化系数； 异一基本风压值，e o = o n ；俨矽 f 口一风压系数，取0 1 6 3 ( n s 2 m 4 ) 【1 ，一时距为t 的设计风速( m s ) 第三章荦立柱平台町靠度分析及模糊优化设计 4 一受风面积伽 ( 3 ) 波浪荷载 对于小尺度圆形构件，垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力厂，当d l 0 2 ( d 为圆形构件直径，m ；l 为设计波长，m ) 时，可按下列公式计算 9 】： 厂= c d p d “i “+ 夕譬z ；聊) ( 3 - 2 ) 式中：c d 一曳力系数，取1 2 5 p 一海水密度，( 磁m 3 ) ； c 肼一喷性力系数，取2 0 ； d 一圆形构件直径，m ； “一垂直于物体轴线的水质点相对于物体的速度分量( m l s ) ； 如一垂直于物体轴线的水质点相对于物体的加速度分量( m l s 2 ) 。 ( 4 ) 流荷载 当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度上的海流荷载厶可按下式计算9 1 ： 厶= 丢c d u ；( n m ) ( 3 3 ) 式中：一阻力系数，取1 2 ； p 一海水密度，( k g l m 3 ) ； 么一单位长度构件垂直于海流方向的投影面积( 朋2 m ) 。 ( 5 ) 海冰荷载 结冰的海域内，在风和流作用下，大面积冰块挤压，垂直孤立桩柱所产生的静冰荷 载与平台所处海域环境、平台的结构型式、海冰的性质等有关，通常采用海洋固定平台 规范中的公式计算8 】： p = m k i k 2 r 。b hf ，删夕 ( 3 4 ) 式中：聊一桩柱形状系数，对圆截面柱取0 9 ； k 。一局部挤压系数，该系数影响因素较多，一般取1 5 - - 3 0 。鉴于单立柱平 台的特殊性，在平台初步设计阶段没有参考工程数据时取3 0 。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 k 2 一冰与结构接触系数，取0 4 5 ； 尺。一冰块试样的极限抗压强度，( k n m 2 ) ； b 一桩柱宽度( 或直径) ，( 掰) ； h 一冰层计算厚度，取0 4 5 m ； ( 6 ) 地震荷载 平台的地震荷载主要为地震惯性力和动水压力，当平台按单质点体系计算时，平台 甲板处水平地震惯性力石可按下式计算【8 】： p 日= c k 日j a , n g例 ( 3 5 ) 式中：e 一综合影响系数，取o 5 ； k 日一水平地震系数，设计烈度8 度时，取o 2 ； 一相应于平台计算方向自振周期为t ( s ) 的动力放大系数； g 一重力加速度； m 一位于平台甲板处的质量( 以及甲板下部结构质量和其它质量对于平台甲板 处的折算质量) ，( k 曲。 地震时任意方向细长构件的水下部分所受到的动水压力尸应按下式计算1 0 】： p = c k 圩( 巳一1 ) v y s i n 2 烈f ，) 伍矽 ( 3 6 ) 式中：c 、k h 、同上所述； v 一浸水部分的构件体积，肌3 ； q 一惯性力系数，对圆形构件可取2 o ； 7 一流体的容重，k n m 3 ； 驴( f ，) 一地震的振动方向i 与构件，之间的夹角。 3 3 2 荷载组合 单立柱平台的荷载组合条件见表3 2 。 1 7 第三章单立柱平台可靠度分析及模糊优化设计 表3 - 2 荷载组合 1 r a b l e 3 2l o a dc o m b i n e 荷载工况荷载组合 l 冰+ 风+ 流+ 最大垂直荷载极端低水位) 2 冰+ 风+ 流+ 最小垂直荷载( 极端高水位) 3 波i s + 风+ 流+ 最人垂直荷载( 极端低水位) 4 波浪+ 风+ 流+ 最小垂直荷载( 极端高水位) 5 地震+ 最大垂直荷载( 极端低水位) 3 3 3 荷载汇总 根据以上计算方法，初步计算作用于单立柱平台上的荷载值汇总于表3 3 中。 表3 3 荷载汇总 t a b l e 3 - 3c o m b i n e dl o a dc a s es u m m a r y 冰位 项目 校核高水位校核低水位删) 甲板荷载2 9 。3 42 9 。3 4 风力 梁板 3 4 l3 4 l 立柱1 9 82 2 7 波浪力 2 5 91 8 9 水流力 9 2 6 76 8 5 1 冰力 2 4 5 32 4 5 3 惯性力 1 2 7 6 41 2 7 6 4 地震力 动水压力6 2 8 36 2 8 3 重力 1 4 9 31 6 6 7 从上表中可以看出，在各种荷载中( 除重力外) ，水平荷载