导管架基本知识简介.doc

导管架基本常识简介导管架基本常识简介 导管架基本常识简介 第 2 页 共 19 页 目 录 1概述概述.3 1.1简述.3 1.2主要特点.3 2组成组成.3 2.1主要结构（PRIMARY）.3 2.2附属结构（APPURTENANCE）.4 2.3典型结构形式.5 3简单分类简单分类.5 3.1按导管腿的数量分类.5 3.2按水深分类.5 3.3按重量分类.5 3.4按基本功能分类.5 4设计设计.5 4.1设计的基本内容.5 4.2设计的要求.6 4.3设计的依据.6 4.4设计的方法.6 4.5设计阶段.7 4.6设计步骤.7 4.7设计荷载及其组合.7 4.8设计分析内容.8 5建造建造.9 5.1建造主要标准简介.9 5.2建造流程.9 5.3典型建造方法.9 6装船装船.10 6.1吊装装船.10 6.2滑移装船.10 6.3拖车装船.10 7运输运输.10 8安装安装.11 8.1下水方法.11 8.2扶正.11 8.3就位与固定.11 8.5附件安装.11 9结束语结束语.11 导管架基本常识简介 第 3 页 共 19 页 1概述概述 1.1简述 导管架型平台是由钢管桩通过导管架固定于海底的结构物，导管架本身具有足够的刚 性，以保证平台结构的整体性，从而提高了平台抵抗自然荷载的能力。 导管架是海洋石油平台中传递荷载的主要部件，其主体是钢质桁架结构，是海洋石油 平台的固定基础。 导管架是由若干竖向立柱（圆钢管）和横向、斜向联接钢管焊接成的空间框架结构， 横向和斜向的钢管分别叫横撑和斜撑，也叫横拉筋或斜拉筋，竖向大直径圆管立柱叫 导管。 导管架的作用： 为平台的海上施工提供条件：在导管架的竖向圆管（导管或桩套筒）内打桩，大大减 少了在海上施工时单桩定位等操作上的困难。 把各单桩联成一个整体：打桩完毕后，桩和圆管之间的环向内用水泥浆固结，这样再 通过导管架的空间结构，将各单桩联成一体，加强了平台工作的整体性，且使平台的 各种荷载能均匀的传递到各桩上。 可安装泊船设备，供交通联络、船舶停靠。 可安装电缆护管及电缆，供通讯、动力。 可安装梯子、走道，登陆桥等，供工作、维护时的通行。 在导管架上架设临时性的工作平台，以加快施工进度和保证施工过程中的安全。 1.2主要特点 导管型桩基固定平台是国内外制造与使用最多的一种形式，它包括上部结构和基础结构。 上部结构（TOPSIDE）分为甲板、梁、立柱或桁架，主要作用是为海上钻、采提供必须的 场地以及布置工作人员的生活设施等，提供充足的甲板面积（分不同层） ，保证钻井或采油 作业能顺利进行。 下部结构（SUBSTRUCTURE）分为导管架（JACKET）和钢桩（PILE） 。 导管架主要由管状构件通过焊接而成，一般呈多边棱台型，座落于海床上，适应复杂的海 洋气候工作环境：如海啸、风暴、波、浪、流、海洋生物侵蚀、冰、地震等等，同时它还 承受平台的工作荷载。复杂的工作环境，高频率的振动冲击决定了导管架的特殊性。 2组成组成 无论何种形式的导管架，其组成基本分为主要结构和附属结构。下面主要介绍各部件的基 本结构形式与基本功能。 导管架基本常识简介 第 4 页 共 19 页 2.1主要结构（PRIMARY） 2.1.1导管腿 leg ：竖向大直径圆管立柱，承受并传递平台荷载的主要受力构件。 2.1.2拉筋 brace-chord(barrel),stub：导管腿之间的管状联接构件，也是承 受并传递平台荷载的主要受力构件。 2.1.3裙桩套筒 skirt pile sleeve：桩与导管架之间的联结构件，主要结构是 管状物与板的组合形式，通过它可将平台荷载传递到钢桩。有些导管架的 钢桩直接从导管腿内打入，不需要裙桩套筒；有些导管架既有腿内桩，也 有裙桩。 在裙桩套筒构造中还有一些特定构件： 焊珠 weld bead-在套筒内壁及钢桩外表面通过焊接而形成的剪力环，加固裙桩套筒（或导 管腿）与钢桩之间的联接。 间隙块 shim -焊接于套筒（或导管腿）的内壁，减少钢桩与套筒之间的间隙，以便于钢桩 的垂直打入。 剪力板 shear plate、轭状作用板 yoke、裙板 skirt plate：特定作用及特定位置上的钢板 2.1.4钢桩 pile：管状构件，承受平台荷载并将之传递到主着力层上。从套筒 （或导管腿）内打入。 *有些文件将钢桩划分为附属结构，其实钢桩是主要的受力构件应该作为重要件对待。 2.2附属结构（APPURTENANCE） 2.2.1防沉板 mudmat：保证导管架的座底稳定性。增加导管架与海床的接触面积， 防止导管架在安装时的不均匀沉降。 2.2.2井口坞 Docking：是安装时的一种定位导向结构。 2.2.3井口导向 conductor guide：保证隔水套管能准确打入而安装的导向结构。 2.2.4隔水套管 conductor：将水、砂等杂质与油或气隔绝的独立结构。 2.2.5阳极 anode(cathodic protection)：是一种锌铝合金，防止导管架水下部 分的腐蚀。 2.2.6靠船件 barge bumper/boat fender(shock cell for compression absorber)：船停泊时缓冲对导管架的冲击力。 2.2.7登船平台 boat landing/landing stage/boat access platform：船与平 台之间的人行通道 2.2.8走台/梯子/栏杆 walkway/ladder/handrail：导管架上的人行通道及安全 防护设施。 2.2.9吊点（主吊点、扶正吊点）padeye(lift、upending)：吊装或扶正导管架 的主要作用点。 2.2.10护管（泵护管、消防管等等）caisson（pump/fire/rain caisson.）： 平台上排污水、消防用水等的钢管。 2.2.11电缆护管 cable caisson or J-tube：保护电缆线的钢管。 2.2.12立管 riser (clip)：油或气的运送通道。 2.2.13注水系统 flooding system：安装时向导管架的密封舱注水，使导管架由 水平状态旋转为直立状态。 2.2.14灌桨系统 grouting system：向裙桩套筒或腿内灌入泥桨，使钢桩与其连 接为一体。 导管架基本常识简介 第 5 页 共 19 页 2.2.15调平装置 leveling tool：调整导管架水平的动力源及相关组成部分。 2.2.16分隔器 packer wiper：分隔海水与泥桨。主要有气胀式与机械式两种。 2.2.17卡桩器 gripper pile：调平导管架后将导管架与钢桩联结于一体。 2.2.18阴极监测系统 cathodic monitoring system：监测阳极的腐蚀状态。 2.2.19防海生物 marine growth protection：防止海生物附着于导管架上。 2.2.20滑靴/下水桁架 skid shoe/launch cradle：导管架装船（或下水）时，支 撑导管架重量并可沿固定轨道滑移的结构件。 2.2.21隔膜 diaphragm：密封裙桩套筒的橡胶板，以增加导管架的浮力。 2.2.22索具平台 rigging platform：挂扣钢丝绳的操作平台。 2.2.23浮筒 buoyancy tank：提供导管架浮力。 2.2.24系船柱 mooring bit：导管架上用于系缆的结构。 2.2.25防护件 fender：导管架装船时置于船与码头之间，用于保护驳船及码头。 2.2.26水密隔板 watertight diaphragm plate：将导管腿分隔成多个密封舱，以 适应导管架扶正的需要。 2.2.27拖拉耳轴 pulling lug：导管架滑移时主要动力作用点。根据不同的动力 源有不同的结构形式。 2.2.28装船固定 seafastening；将导管架与船绑扎于一体，保证海上运输的安全。 2.2.29滑道梁或滑块 skid beam：在建造时为保证导管架最低点与地面有安全距 离而存在的在一定长度上连续的垫墩。材质是钢质或钢筋混凝土。 上述附件中的隔水套筒、有些防护件不安装在导管架上，顶部浮筒、索具平台、导管腿顶 部的水密隔板（有时包括扶正吊点）等附件待导管架在海上安装完成后再切割去除，滑靴 及装船固定是在导管架安装前切割。 2.3典型结构形式 导管架最常见的结构形式有两种：一种是四柱式，类似四棱台型，另一种是八柱式，类似 八棱台型。见图。 导管架基本常识简介 第 6 页 共 19 页 四柱式导管架图例 导管架基本常识简介 第 7 页 共 19 页 八柱式导管架图例 3简单分类简单分类 导管架型平台大致可分为主桩式(桩沿导管打入)和裙桩式（桩沿平台四周的裙桩套筒内打 入） 。本文所描述的导管架分类仅仅是指在建造时的惯用俗称。 3.1按导管腿的数量分类 按导管腿的数量划分常见的有：单腿导管架、双腿导管架、三腿导管架、四腿导管架、八 腿导管架。这种分类简单明了地突出了导管架的主要特征。当然导管腿的数量相同并不 表示其结构形式相同，有时可能还相差甚远！如：M110 导管架与 WZ6-1 导管架都是单腿 的，但形式却差别较大。 3.2按水深分类 一般而言水深小于 60 米称为浅水导管架，水深超过 100 米称为深水导管架，水深介于二者 之间的称为浅深导管架。这种分类直接点明了导管架的工作环境的特点。现在有人提出水 深在 200 米以内属于浅水导管架，水深超过 200 米才能称为深水导管架。 导管架基本常识简介 第 8 页 共 19 页 3.3按重量分类 导管架按重量分类只是说明了在建造时的工作量。重量在 1000 吨以下称为小型导管架，重 量在 1000 吨至 5000 吨称为轻型导管架，重量在 5000 吨至 10000 吨称为中型导管架重量在 10000 吨以上称为重型导管架。 3.4按基本功能分类 所说的基本功能是针对导管架所支撑的平台而言,其分类有：井口平台导管架（WHP） ，工 艺性平台导管架（CEP） ，生活平台导管架 LQ（在一个多平台群而且平台相对集中时此导 管架才会应运而生） 。 4设计设计 4.1设计的基本内容 4.1.1总体设计：根据设计任务书的要求，设计出合理的结构型式，确定主尺度， 进行总布置，计算总体性能，绘总体图，编写总体说明书、总体性能计算 书以及相关的试验成果报告等。总体设计要考虑整个平台的综合平衡，协 调处理各专业的要求，解决各专业之间可能出现的矛盾，以达到整体设计 的合理性。 4.1.2结构设计：根据总体设计确定的结构型式，选择各部分的结构型式，确定 其尺寸，进行构件布置，绘结构图，进行结构计算，编写结构计算书和说 明书，结构设计包括整体结构设计和各部分结构设计。 4.1.3工艺设计：根据生产工艺要求，对工艺、设备、材料、布置、流程等内容 进行设计，编写工艺说明书及各种规格书（specification） 。 4.2设计的要求 设计是一种创造性的劳动，设计艺术很重要，从方案设计(concept design)、基本设计 （basic design） 、详细设计(detail design)，到施工设计（shop design）直至完工(as-built)投产， 这是一个创造过程；这是经过多次修改逐步接近正确认识的过程，也是继承前人经验进一 步发展的过程；它是从整体到局部，再从局部到整体反复认识的过程。 一个好的设计应满足以下基本要求： 安全性：海上生产安全特别重要，海上发生事故，其后果特别严重，因此，在设计中 要确保结构安全可靠，保证生产和人员的安全。 适用性：在设计中要考虑海上作业的特点和需要，根据设计任务书的要求，以满足导 管架的使用性:：达到便利施工生产，方便生活。 先进性：设计时应采用先进技术，在建成后，尽可能反映先进的技术水平，有较先进 的技术性能指标。 经济性：要特别考虑经济效益，要有良好的经济性能指标以达到投资省、收效大。 工艺性：设计中应考虑到陆地建造、海上施工安装以及建成后的维修等特点，降低劳 动强度，提高劳动生产率，便于施工建造及安装。 4.3设计的依据 设计任务书（DESIGN BASIS）：是设计的主要依据，由业主提出，经过技术、 经济等方面的论证后制定各个设计阶段的任务书。 海洋环境条件：设计风、波、流数据，潮差，海底坡度，海底土壤指标，最低与 导管架基本常识简介 第 9 页 共 19 页 最高温度，地震资料，冰资料等等。 上部组块的图纸、布置、重量重心、主要性能要求等等。 设计标准、规范 4.4设计的方法 常用的设计方法有如下几种： 4.4.1母型设计（仿型设计） 即选择已建成的使用成功的平台作为母型进行仿型 设计，所选的母型平台应与要设计的平台的使用技术条件、海洋环境条件 相近，而且经证明这种平台性能良好。在方案设计阶段，选择平台主尺度 和结构型式时常用这种方法。 4.4.2规范设计 即根据各国船检局或船级社、石油协会公布的规范要求进行设计， 如： 美国石油协会 API 挪威船级社 DNV 美国船检局 ABS 英国劳氏船级社 LR 德国劳氏船级社 GL 法国船检局 BV 日本海事协会 NK 还有中华人民共和国船检局 ZC 等等，设计中应注意使用新版本的规范。 4.4.3按强度理论进行设计 这种设计方法是建立在结构力学、理论力学、弹性力 学、材料力学等基础理论知识和现代计算技术（如计算机软件 SACS 等工具） 进行的设计。对复杂的局部结构需用强度理论分析方法（如有限元分析软 件 ANSYS 等） 。 在实际设计中以上三种都会用到。 4.5设计阶段 设计一般分四个阶段： 4.5.1方案设计阶段 也可叫可行性研究或概念设计，主要任务是根据设计任务书 的要求，对平台重大的技术和经济问题进行论证；提出几个方案进行综合 分析比较，论证该平台设计、建造的可行性和经济技术指标，初步确定平 台结构型式、主尺度、总体性能、总布置和总造价，包括环境评价、HSE 健康安全环保论证、风险评估等，提交审查，以便选择最佳设计方案。 4.5.2基本设计阶段 对审查确定的方案设计进行更进一步的设计、计算、分析， 确定出主体结构、总体建造及安装方案、各种规格书等，确定投资，以便 进行总包 EPI 招标。 4.5.3详细设计阶段 根据业主要求及基本设计资料，审查确定设计基础及工作范 围，进行详细的设计计算分析，对基本设计进行优化，包括与各个专业的 界面协调，确定详细的主结构及所有附件图纸和材料单（MTO） 、详细的建 造安装方案、各专业规格书，提交所有详细的计算分析报告、图纸、规格 书报业主审查批准。 导管架基本常识简介 第 10 页 共 19 页 4.5.4施工设计阶段，也可叫加工设计，解决施工过程中的技术问题，绘施工图， 制定施工建造工艺。施工设计应根据制造厂的设备能力和场地情况、技术 水平等实际情况进行设计，最后绘完工图，供使用部门维修时使用，故完 工图应反映最后建造的实际情况，所有变动或修改均应相应显示在完工图 中。 4.6设计步骤 4.6.1首先根据平台使用目的和要求对导管架进行总体布置，确定主尺寸，确定 使用荷载。 4.6.2根据导管架所处海域位置确定环境条件：风、波、流、冰、地震、水深、 温度等，确定平台高程和方位。 4.6.3根据土壤地质资料进行桩基初步布置：确定桩径、桩数、桩长，确定导管 尺寸及倾斜度。 4.6.4根据设计规范、长细比等要求，结合经验，确定导管、立面支撑、水平支 撑等。 根据以上初步估算结果，输入计算机专用软件（如：SACS，ANSYS 等） ，最后确定出 详细的结构。 4.7设计荷载及其组合 4.7.1荷载分类 导管架所承受的荷载可分为： 自重：指平台在空气中的重量，包括：桩，导管架，上部模块（包括机械、 设备等重量）等等。 浮力：指结构在水面以下的排水量。 活荷载：例如钻井、采油用的备品重量，短期作用于结构物上的荷载等等。 动荷载：是指一些机械设备除它们本身的重量外，在运转过程中会产生冲击 力。 施工荷载：，指平台在施工时所经受的荷载，如装船、下水、起吊过程中， 这些荷载会使一些构件受力过大，但它是在施工过程中产生的，所以应进行 验算，一般不作为设计控制荷载，应尽量采取临时措施解决。 外载：指自然条件作用于平台上的荷载，如风、波、流、冰、地震等荷栽。 4.7.2荷载组合 在平台整个运行过程中，上述各种荷载必然以各种不同的组合方式作用于平 台上，要把平台设计好，使其在海洋中立得稳，站得牢，就必须对平台在整 个运行期间可能同时作用的各种荷载做全面具体地分析，从中得出可能出现 的最不利的荷载组合。 在荷载组合时应注意： 要针对平台的不同设计工况，确定不同的最不利的荷载组合。例如，验算桩 基承载力时，拉桩和压桩应考虑不同的不利荷载。 在考虑组合中的各种荷载，必须是同时出现的，决不能笼统的把所有最大荷 载都同时来考虑。例如，波荷载和冰荷载就不能同时出现。 4.8设计分析内容 通常，对导管架应进行如下分析： 4.8.1在位分析（In-place） ，即导管架在作业期间的分析，包括如下： 导管架基本常识简介 第 11 页 共 19 页 静力分析（Static analysis） 动力分析（Dynamic analysis） 疲劳分析（Fatigue analysis） 地震分析（Seismic analysis） 波浪拍击（Wave slam） 涡流激震（Vortex shedding） ，需分别考虑在位期间、建造期间、运输期间 4.8.2安装分析（Installation analysis）：即导管架在安装期间的分析，包括 如下内容： 座底稳定性和防沉板设计（On-bottom stability and mudmat design） 装船分析（Load out analysis） 吊装分析（Lifting analysis） 漂浮和扶正分析（Floatation and upending analysis） 下水分析（Launch analysis） 运输强度和稳定性分析（Transportation strength and stability） 根据实际情况，选择不同的分析。 4.8.3桩和隔水套管的分析（Pile and conductor analysis） 桩强度分析（Strength analysis） 桩疲劳分析 (Fatigue analysis) 桩和隔水套管的自由站立分析 (Stick-up analysis) 桩和隔水套管的可打入性分析 (Drive-ability analysis) 桩的起吊分析 (Lifting analysis) 桩和导管/套筒间的连接分析 (Grouting pile to structure connections analysis) 4.8.4附件及有限元 FEA 分析（Finite Element Analysis） 靠船件分析（Barge bumper analysis） 登船平台分析（Boat landing analysis） 索具平台分析（Rigging platform analysis） 井口导向分析（Conductor guide analysis） 滑靴或下水桁架分析（Skid shoes or Launch cradle analysis） 水密隔板分析（Watertight diaphragm analysis） 吊点分析（Padeye analysis） 阳极设计（Anodes analysis） 5建造建造 5.1建造主要标准简介 导管架基本常识简介 第 12 页 共 19 页 建造除遵循业主的规格书之外，以下通用标准是适用的： API RP 2A: Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design API SPEC 2B: Specification for the Fabrication of Structural Steel Pipe AWS D1.1/D1.1M: Structural Welding Code-Steel 5.2建造流程 普通钢结构的建造流程对导管架是适用的，只是在此基础上有针对性地增加特殊要求。这 些特殊性是通过各种设计的程序来体现的。如：焊接、涂装、预制以及吊装、装船等等。 以下是典型的建造流程图（以 WENCHANG15-1 A 为例）： 5.3典型建造方法 导管架的建造按其所处的站立方式不同而形成两种建造方式：立式与卧式。 5.3.1立式建造 所谓立式就是导管架在建造时的状态与工作时的状态一样，都是直立的。一般 浅水、小型导管架适用立式建造。 立式建造示例： 导管架基本常识简介 第 13 页 共 19 页 5.3.2卧式建造 所谓卧式就是导管架在建造时的状态与工作时状态旋转了 90 度，即：建造时 以导管架的高度方向平放。导管架平躺后就好比是桁架式的“箱形梁” ，上下 底面称为顶片与底片，两侧面叫花片，中间的“隔板”由水平片组成。 卧式建造图例： 导管架基本常识简介 第 14 页 共 19 页 卧式建造根据其主要特征又有两种方法，其一：吊装“扣片”法；其二：“旋 转”立片法。二者最大的区别在于合片的方式不同。 吊装“扣片”法 此方法形象称为“搭积木” ，工序是先装底片（包括导管） ，然后吊装花片与水 平片，最后将组装好的顶片（包括导管）用起重机吊起从顶部扣装，完成合片。 “扣片”图例： 导管架基本常识简介 第 15 页 共 19 页 “旋转”立片法 此方法先将导管架分成两大部分组装：一部分是一个侧面（包括导管） ；另一 部分是顶片与底片及另一个侧面（包括导管） ，组成“U”形；然后将侧面吊装 直立，最后将“U”形片绕其中一条导管旋转完成合片。 “旋转”立片图例： 导管架基本常识简介 第 16 页 共 19 页 6装船装船 采用特定的方式将建造好的导管架运送到驳船上的过程称为装船。为保证海上运输的安全， 通过焊接将导管架与船绑扎于一体的过程称为装船固定。装船的方式一般有三种：吊装方 式(lifting)、滑移(slip)方式以及采用拖车（trailer）运送方式。 6.1吊装装船 吊装方式装船适用于小型导管架，它是借助大型起重设备浮式吊机将导管架由建造区运 送到驳船上。这种方式最直接，最简单。附图如下： 导管架基本常识简介 第 17 页 共 19 页 6.2滑移装船 所谓滑移装船