70 m水深主桩式导管架平台结构设计及其技术特点
作者：郭洪升
作者单位：中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院,北京,100028
刊名：
石油工程建设
英文刊名：Petroleum Engineering Construction
年，卷(期)：2013,39(1)
参考文献(1条)
1.Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design 本文链接：https://www.doczj.com/doc/244125088.html,/Periodical_sygcjs201301006.aspx
大连理工大学 硕士学位论文 导管架海洋平台系统可靠性分析 姓名：杜超 申请学位级别：硕士 专业：防灾减灾工程及防护工程 指导教师：李昕 20060616
大连理工大学硕士学位论文 １绪论 １．１前言 １．１．１海洋平台的发展概况 随着社会的快速发展，人类对能源的需求也越来越大。石油是当今世界最主要的能源，人类对石油的开发已经从昔日的陆地逐渐向海洋进军。占地球面积７１％的海洋，蕴藏着丰富的生物资源和矿物资源【１］。海洋石油开发具有投资高、风险大、高新技术密集等特点，即便如此，面对及其丰富的海洋资源，各国都加紧了海洋高新技术的开发。使海洋环境探测、海洋资源调查、海洋油气开发、海洋深潜和海生物技术等成为世界高技术竞争的热点。 海洋平台是一种海洋工程结构物，它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。随着海洋开发事业的迅速发展，海洋平台得到了广泛的应用，如海底石油和天然气的勘探与开发、海底管线铺设、建造海上机场及海上工厂等。目前应用海洋平台最为广泛的领域当属海上油气资源的勘探与开发。海洋平台的建造历史可以追溯到１８８７年在美国加利福尼亚所建造的第一座用于钻探海底石油的木质平台；１９４７年墨西哥ｃｏｌｌｉｓｓａｎａ海域建造了第一座钢质海洋石油开采平台，开创了海洋开发的新篇章［２１。 图ｌｔｌ几种典型海洋平台示意图 Ｆｉｇ．１．１ＳｅＶｅｒａｌ¨ｎｄｏｆｔｙｐｉｃａｌｏｃｅａｌｌｐＩａ饰ｍｓ
导管架海洋平台系统可靠性分析 按结构型式及其特点来划分，海洋平台大致分为固定式平台、移动式平台和顺应式平台等三大类【２６】，如图１．１所示。水深在５—２００米范围内，导管架平台是应用最多的一种平台形式，约占９０％以上。“导管架”【８】的取名基于管架的各条腿柱作为管桩的导管这一实际。固定式钢质导管架海洋平台主要由两部分组成ｐ刀】：一部分是由导管架腿柱和连接腿柱的纵横杆系所构成的空间构架。腿柱（导管）是中空的，钢管桩是一根细长的焊接圆管，它通过打桩的方法固定于海底，由若干根单桩组成的群桩基础把整个平台牢牢地固定于海床。腿柱和桩共同作用构成了用来支撑上部设施与设备的支撑构件；另一部分由甲板及其上面的设施与设备构成，是收集和处理油气、生活及其它用途的场所。如图１．２所示，就是典型的寻管架式海洋平台结构。 图１．２东海油田导管架海洋平台示意图 Ｆｉｇ．Ｉ．２ＴｈｅｊａｃｋｅｔｐＩａｔｆｏｍｌｉｎＥ越ｔＣｈｉｎａｓｅａ １．１．２我国海洋平台的发展状况 我国有１ｓｏｏｏ多公里的海岸线，６５００多个海岛。在近３００万平方公里的海域内，大陆架海区含油气盆地面积近７０万平方公里，预测石油资源储量为２７５．３亿吨，天然气储量为ｌＯ．６万亿立方米。目前已探明在渤海、黄海、东海、南海等海域均有分布，且储量丰富［５】。我国从六十年代中期开始建造石油平台，于１９６６年依靠自己的技术力量在渤海海域成功的安装了第一座导管架式海洋平台。近年来，我国的平台设计、制造、安装都得到了突飞猛进的发展，在各海域陆续建造了近百座海洋平台。其中，我国“十五”重
海洋钻井平台的分类 海洋钻井平台（drilling platform）是主要用于钻探井的海上结构物。平台上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。主要分为移动式平台和固定式平台两大类。其中按结构又可分为： （1）移动式平台：坐底式平台、自升式平台、钻井船、半潜式平台、张力腿式平台、牵索塔式平台（2）固定式平台：导管架式平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台 坐底式钻井平台 坐底式钻井平台又叫钻驳或插桩钻驳，适用于河流和海湾等30m以下的浅水域。坐底式平台有两个船体，上船体又叫工作甲板，安置生活舱室和设备，通过尾郡开口借助悬臂结构钻井；下部是沉垫，其主要功能是压载以及海底支撑作用，用作钻井的基础。两个船体间由支撑结构相连。这种钻井装置在到达作业地点后往沉垫内注水，使其着底。因此从稳性和结构方面看，作业水深不但有限，而且也受到海底基础(平
坦及坚实程度)的制约。所以这种平台发展缓慢。然而我国渤海沿岸的胜利油田、大港油田和辽河油田等向海中延伸的浅海海域，潮差大而海底坡度小，对于开发这类浅海区域的石油资源，坐底式平台仍有较大的发展前途。80年代初，人们开始注意北极海域的石油开发，设计、建造极区坐底式平台也引起海洋工程界的兴趣。目前已有几座坐底式平台用于极区，它可加压载坐于海底，然后在平台中央填砂石以防止平台滑移，完成钻井后可排出压载起浮，并移至另一井位。图为胜利二号坐底式钻井平台。 自升式钻井平台由平台 自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，约占移动式钻井装置总数的1／2。 钻井船
导管架平台动力性能及安全性分析 作为常见的海上结构,导管架平台在完成钻井、采油、储油等作业的同时,由于长期暴露在海洋环境当中,会受到恶劣的天气环境以及其他诸多复杂因素的影响,有时还会受到爆炸、撞击等偶然载荷的作用,因此平台倒塌事故时有发生,这不仅造成了严重的环境污染,同时也带来了巨大的经济损失。为保证结构在恶劣环境下的抗倒塌能力,延长结构的服役期,有必要从整体结构层面出发,研究平台结构的整体安全性能。 目前导管架平台的整体安全水平研究主要围绕在静力载荷作用分析的阶段,由动力载荷造成的整体倒塌以及所体现的安全储备方面研究较少。同时,对于导管架的倒塌过程,很少进行结构内部杆件的屈服过程与塑性发展特性相关探讨。 本文针对以上几个问题展开了相关研究：探究了非线性方法在有限元分析中的实施手段。对于常见的倒塌分析,一般要求考虑材料、几何非线性,从而能够模拟更为反映实际情况的倒塌过程,因此有必要深入了解非线性在结构分析中的实施过程与分析手段。 将推导二维梁单元的几何、材料非线性有限元模型,结合Newton-Raphson 方法编制程序,研究非线性在结构分析中对计算结果产生的影响。研究了导管架平台的静力倒塌安全性。 采用某冰工况下的环境要素,以及基于提高重现期的载荷增量方法,对平台进行了Pushover分析,得到了不同方向的结构承载力与杆件塑性发展过程,进而根据其储备强度(RSR)探讨了结构整体安全性能；编制了逐步回归响应面程序,该方法不需提前给出功能函数,且计算效率较高。然后,计算了结构的整体可靠度,并通过给定拟合方程的JC法验证了程序的可靠性。
研究表明,尽管两类指标的研究侧重点不同,但两类指标均能很好地对结构的安全性进行描述。在地震作用下,对导管架平台进行了动力性能研究。 选择了26条具备不同频谱特性的三向地震记录,采用IDA方法对结构进行了动力增量分析,在分析中记录不同地震波作用下结构全过程响应信息与杆件状态信息,以及塑性点、倒塌点对应的载荷水平。探讨了结构的位移、层间角等动力参数的发展规律,发现结构在不同地震波下的动力参数发展特性并不一致且差别较大。 然后对结构的塑性发展过程进行了研究,提出了基于塑性发展影响系数的最易出现失效模式。该方法获取的失效模式与所有真实倒塌失效模式均较为接近且相似度离散性较小,具有统计意义。 对平台结构的动力倒塌失效特性进行了研究。首先,对相关倒塌参数进行总结,通过变形能、位移响应、基底剪力等特征参数对海洋平台结构的抗倒塌能力与安全储备进行分析,进而,从频谱特性的角度探讨了结构的倒塌极限状态动力特性,以及不同频谱特性与倒塌相关参数之间的联系。 研究发现：针对地震这类动力特性较为强烈的载荷形式,平台结构的承载能力与变形能力同时保证了结构的整体安全储备,不同地震作用下的结构倒塌承载力相近,结构的失效模式为动力强度破坏。从频谱特性的角度来看,当载荷水平较低时,结构响应频率在主振动区成分最高。 随着载荷水平的提高,结构受迫振动增强,共振效应比重降低。地震频谱特性中共振频率附近一定范围内频谱成分较大时,会对结构产生不利的影响。
海洋石油平台种类 海洋平台是在海洋上进行作业，石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设备，在生产平台上设采油设备。平台与海底井口有立管相通。 呵呵，石油钻探就是民用啦，当然也可理解为战略物资储备。但多才的美军把雷达也放到半潜式平台上了。 咱们先把军用的放在一边，海洋平台就是石油开采业向水下进军的一个产物。最原始的海洋平台甚至不能称为海洋平台，而是湖泊平台（1891年，圣玛丽湖，俄亥俄州），结构为木质，作业水深甚至仅有1.5m。说白了，就是给陆上井架加了一层台阶。既然能在湖边，也能在海边嘛，到现在海洋平台已经发展成为高附加值、高科技的工业设施。形式多种多样，且几乎每种新型的平台形式出现都是为了再更深的海区中作业。 最早出现的平台是导管架平台(Jacket)，适用于浅近海。导管架平台可以看作最原始，最直接的将钻井设备与海底连接起来的措施。钢桩穿过导管打入海底，并由若干根导管组合成导管架。导管架先在陆地预制好后，拖运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，桩是打一节接一节的，最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使桩与导管连成一体固定于海底。平台设于导管架的顶部，高于作业区的波高，具体高度须视当地的海况而定，一般大约高出4-5m，这样可避免波浪的冲击。导管架平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加，所以在深水中的经济性较差。
导管架平台使用水深一般小于300m，世界上大于300m水深的导管架平台仅7座。目前最大的导管架平台是在墨西哥湾安装的水深为610m的导管架平台。呵呵，看到下图，你是不是就想到一个字，“笨”？ 典型导管架平台
浅谈海洋石油平台电气设备防爆措施 发表时间：2019-01-16T11:24:27.200Z 来源：《电力设备》2018年第26期作者：薛成平 [导读] 摘要：近年来，随着我国海洋石油事业的发展，各种海洋设备数量逐渐上升。 （中国石油集团海洋工程有限公司天津分公司天津塘沽 300451） 摘要：近年来，随着我国海洋石油事业的发展，各种海洋设备数量逐渐上升。这其中尤其是以电气设备为主，并且是确保海洋作业安全的关键点之一。随着全社会对安全意识的提高，人们对机械电气设备的安全因素的考虑也逐步加强，海洋石油平台是一个特殊的作业环境，活动范围相对封闭，作业过程中人和设备会触及到易燃易爆性气体，故石油平台电气设备的防爆性能和防爆措施就显得格外重要。 关键词：海洋平台；电气设备；防爆措施 一、电气设备防爆区域的划分 1、爆炸是物质由一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量，同时产生具有声响的现象，是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。爆炸必须具备的三个条件：（1）爆炸性物质，（2）空气和氧气，（3）点燃源。 2、爆炸区域的划分： 1)爆炸性气体环境：0区：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。1区：在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。2区：在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。 2)可燃性粉尘环境：20区：在正常运行过程中可燃性粉尘连续出现或经常出现，其数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物和/或可能形成无法控制和极厚的粉尘层的场所及容器内部。21区：在正常运行过程中，可能出现粉尘数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物但未划入20区的场所。 二、海洋平台电气设备的使用 海洋平台电气设备的应用结合外部环境因素及应用条件进行综合考虑分析。海洋平台电气防爆设备不完全都是防海浪、风雨设备。其结构和外壳还要充分适应周围的环境。相关规定曾指出，不同电气设备的外壳防护都有明确的规定。而防爆设备的使用条件包括：船舶电源、电压及频率的波动。船舶电网的波动幅度较大也比较频繁，按照相关规定，交流电压的电网电压波动要达到+6%-10%。 三、海洋平台防爆电气设备的分类 海洋电气防爆设备一般有以下几种类型： 1、增安型：此型号的电气设备在结构和类型上都有很大安全保障，在运行过程中不会出现电弧、火花等带有爆炸型危险因素的存在，降低了爆炸的可能性。 2、本质安全型：在海洋平台电气设备运行过程中利用限制电流和电压等方法，即使在发生故障都不会出电火花和热效应，因为点燃爆炸性气体没有达到爆炸的规定范围。 3、隔爆型：此类电气设备实现隔爆是通过对止内部零部件点燃外部爆炸性气体的外壳进行阻止。隔爆外壳的机械强度十分强，爆炸时所造成的冲击和压力都可以承受，外壳的各个结合面的配合间隙都很小，间隙内部的火焰向外壳外部传递能够得到阻止。 4、正压通风型：外壳内部之所以接受不到外部易燃、易爆气体的冲击，则是因为正压通风型设备通过采取措使外壳内部在接受大气时产生了一定的正压，以此来达到防爆的目的。 5、防爆冲砂型：防爆充砂型电气设备与防爆充油型防爆电气设备相似，前者是将所有的带电零部件都放置于细颗粒装的填充物，使不会产生电弧或电火花点燃外部爆炸性气体。 6、防爆充油型：电弧的零部件可以通过此电气设备都沉浸在油中，之后通过其他技术手段来保护不产生电弧的所有带电零部件，以此来阻止点燃油面上可能存在的爆炸性气体。 四、海洋平台防爆电气设备常见的安全隐患 1、选型错误 防爆电气设备应该根据不同的危险等级和类别来进行选型，一般在对平台的检查的过程中发现错误较多的地方则是在系统中部分电气设备选型方面。如在爆炸性气体环境采用粉尘环境用设备，Ⅱ类环境采用I类设备，上述都是典型的选型错误。所安装环境如果不能配备正确的设备，有效防爆的目的则不能完成。 2、防爆电气产品本身存在安全隐患 比如防爆电气设备外壳出现破损现状，防爆电气产品铭牌缺失或者模糊不清，防爆增安复合型产品的隔爆腔和接线腔的隔离密封填料不符合要求。 3、设备使用不当造成的安全隐患 在对用于爆炸危险性环境中非防爆电气设备检查过程中，常常发现危险区域现场施工人员使用的手工具、温湿度传感器、仪表、电动工具等都是非防爆电气设备。而在危险区域使用上述物品会导致直接构成安全生产隐患，严重造成人员财产双亡。 4、使用防爆电气设备未经批准 海洋平台电气设备中的防爆设备往往的使用的过程中工作人员未能按照相关标准来操作，有些甚至对设备擅自更改。如将光源换成更大功率的，设备的温度组别就会受到影响，如果最高温度组别高于周围环境，此光源很可能会成为引爆周围环境因素，成为爆炸点，造成爆炸事故，后果不堪设想。 5、防爆电气设备隔爆间隙超差 考量隔爆型电气设备的重要参数之一则是隔爆型电气设备的隔爆间隙，也是保证设备不传爆的重要因素之一。隔爆型电气设备在海洋平台上由于采购验收程序不够规范，存在大量漏洞，尤其在后期使用过程中环境的间接影响，使隔爆间隙超差成为海洋电气设备防爆中最常见的问题之一。 6、防爆型电气社设备隔爆面严重锈蚀 海洋平台电气防爆设备中最常用的就是防爆型电气设备，而影响设备隔爆型能的关键因素在于隔爆面的粗糙度和清洁度。设备在很大程度上会因为严重腐蚀的隔爆面而失去防爆性能，海洋平台上隔爆面腐蚀缺乏正常维护，长此以往也成为设备出现的问题之一。
巨型海洋钻井平台 ——世界第六代3000米深水半潜式钻井平台 工程总投资：60亿元 工程期限：2008年——2011年 大型海洋石油钻井平台堪称海上巨无霸，其使用的平台作业吊钩比人还高。 目前，世界上已探明的海上油气资源大部分蕴藏在大陆架及3000米以下的海底。有数据显示，深海能源储量将是陆地能源储量的100倍，但由于开采技术上的限制，其还是能源领域最具潜力的处女地。 2009年4月20日上午，我国海洋工程装备制造标志性项目——世界第六代3000米深水半潜式钻井平台，在上海外高桥造船有限公司顺利下坞，进入关键的搭载总装阶段。这是我国首次自主设计、建造的当今世界上最先进的深水半潜式钻井平台，不仅填补了我国在深水钻井特大型装备项目上的空白，而且对于加速我国进军世界级海洋工程装备开发、设计和制造领域，提升我国深水作业能力，具有重要的战略意义。 这座深水半潜式钻井平台的拥有者是中国第三大石油集团——中国海洋石油总公司，由中国船舶工业集团公司708研究所和上海外高桥造船有限公司联合承担详细设计与生产设计，由上海外高桥造船有限公司承建，是我国实施深水海
洋石油开发战略的重点配套项目之一，也是“十一五”期间国家重点“863”项目之一，并作为拥有自主知识产权的重大装备项目纳入国家重大科技专项。 上海外高桥造船厂承建的世界第六代3000米深水半潜式钻井平台，造价60亿元人民币。 海上巨无霸 2008年4月29日，这座第六代3000米深水半潜式钻井平台在上海外高桥造船有限公司开工兴建。这是中国继1983年成功自主开发“勘探3号”大型半潜式钻井平台后，时隔20多年再次斥巨资设计建造新一代深水半潜式钻井平台。 该钻井平台自重30670吨，甲板长度为114米，宽度为79米，甲板面积相当于一个足球场大小，从船底到钻井架顶高度为130米，相当于43层的高楼，电缆总长度650公里，相当于上海至天津的直线距离。在主甲板前部布臵可容纳约160人的居住区，甲板室顶部配备有包含完整消防系统的直升机起降平台，可起降Sikorsky S-92型直升机。 这座平台具有多项自主创新设计：如平台稳性和强度按照南海恶劣海况设计，能抵御200年一遇的台风；选用大马力推进器及DP3动力定位系统，可以在45海里/小时的风速下正常作业，在109海里/小时的风速下生存。在1500米水深内可使用锚泊定位，甲板最大可变载荷达9000吨等；可在中国南海、东南亚、西非等深水海域作业，其最大作业水深3050米，钻井深度10000米，设计寿命30年，入美国船级社（ABS）和中国船级社（CCS），计划于2010年底交付。该项目总造价近60亿元人民币，堪称海洋工程领域的“航空母舰”。 深海石油作业是国际上公认的海洋石油工业的前沿战略阵地，其核心技术一直由欧美少数国家所掌握。我国的海洋石油开发长期以来受技术水平所限只能在近海进行，如今这一情况将得到根本性的转变。作为目前国内设施最先进、综合实力领先的造船企业，上海外高桥造船有限公司一直致力于先进海洋工程装备
第五篇 海上平台结构 第二章 导管架设计 第一节 结构总体确定 一、结构总体布置 1. 基本原则 总体布局合理，传力路径短，构件综合利用性好，材料利用率高，满足其他专业对结构型式的要求。 2. 一般考虑 在进行结构总体布置时，一般应考虑如下几个方面： 1） 应尽量使杆件在各种受力状态下都能发挥较大作用, 杆件数量和规格力求少，结构尽量对称； 2） 不宜在飞溅区内设置水平构件； 3） 不宜在冰作用区内设置水平构件和斜撑； 4） 一般情况下，管节点宜设计为简单节点； 5） 导管架斜撑的角度（即与水平面夹角）宜在45度左右； 6） 导管架腿的表观斜度宜在10：1 7：1； 7） 隔水导管与结构的连接: 如业主没有指定，对于动力响应较明显的平台（如三腿或独腿平台），水上部分（包括在甲板和导管架的水上水平层上），隔水导管和甲板﹑导管架的连接要用焊接方法固定，水下部分用楔块固定； 8） 各桩的受力力求均匀； 9） 对于滑移装船吊装下水型导管架，滑靴的布置与吊点的布置要协调考虑； 10）装船滑靴的横向间距的确定应考虑预制场地与运输驳船滑道的间距； 11）应考虑钻井﹑修井的要求。 二、结构构件的选取 1． 结构构件的选取要综合考虑强度、刚度、稳定性和经济性这几方面的因素。 2． 不论是成品钢管还是卷制钢管，如有可能，尽量减少所用材料的规格。 3． 对于管型构件的选择要考虑下列因素： 1） D/t比：不宜大于60，对于卷制焊接钢管不应小于20，最好大于30； 注： D---中性直径，t---壁厚。 2） Kl/r：对主要杆件不宜大于120； 注： k---有效长度系数，l---侧向无支撑长度，单位为米（m），r---回转半径, 单位为米（m）。 3） -Y-K节点:主要节点: d/D=0.4～0.8 次要节点: d/D取值可稍小些； 注： d---支杆直径，D---弦杆外径。 三、结构材料选取 1. 基本原则 结构材料的选取既要考虑强度要求，又要考虑结构工作场所的环境条件，在结构中的部位和可能使用的加工方法等。
海洋平台是在海洋上进行作业，石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设备，在生产平台上设采油设备。平台与海底井口有立管相通。 呵呵，石油钻探就是民用啦，当然也可理解为战略物资储备，但多才的美军把雷达也放到半潜式平台上了。 咱们先把军用的放在一边，海洋平台就是石油开采业向水下进军的一个产物。最原始的海洋平台甚至不能称为海洋平台，而是湖泊平台（1891年，圣玛丽湖，俄亥俄州），结构为木质，作业水深甚至仅有 1.5m。说白了，就是给陆上井架加了一层台阶。既然能在湖边，也能在海边嘛，到现在海洋平台已经发展成为高附加值、高科技的工业设施。形式多种多样，且几乎每种新型的平台形式出现都是为了再更深的海区中作业。 最早出现的平台是导管架平台(Jacket)，适用于浅近海。导管架平台可以看作最原始，最直接的将钻井设备与海底连接起来的措施。钢桩穿过导管打入海底，并由若干根导管组合成导管架。导管架先在陆地预制好后，拖运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，桩是打一节接一节的，最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使桩与导管连成一体固定于海底。平台设于导管架的顶部，高于作业区的波高，具体高度须视当地的海况而定，一般大约高出4-5m，这样可避免波浪的冲击。导管架平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加，所以在深水中的经济性较差。导管架平台使用水深一般小于300m，世界上大于300m水深的导管架平台仅7座。目前最大的导管架平台是在墨西哥湾安装的水深为610m的导管架平台。呵呵，看到下图，你是不是就想到一个字，―笨‖？ 典型导管架平台
文章编号:1001-4500(2007)06-0029-05基于ABAQUS /AQUA 的深水导管架平台动力分析研究 杨江辉1,张 宏2,刘锦昆3,何 锋4 (1.中国石油大学,北京102200; 2.胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司,东营257000) 摘 要:运用A BA Q U S/A Q U A 中的波流耦合算法模拟分析了较大水深海洋导管架平台 在随机波浪作用下的应力变化及振动响应过程,包括海流载荷引起的拖拽力作用和附连水质量 惯性力影响。通过大量数值模拟计算,得出了一些有规律性的曲线,为随机波作用下深水导管 架动力响应分析提供借鉴。 关键词:平台;波流耦合;动力响应;ABA QU S/A QU A 中图分类号: P752 文献标识码:A 1 引言 我国海洋石油开发经历了两个发展阶段。1957年到1979年为第一阶段,并在渤海浅水区进行开发试验。1980年开始的第二阶段是合作开发阶段,这阶段我国海洋石油执行了将自主经营和对外合作相结合的政策,即利用国外的先进技术和资金来开发我国的海洋石油资源,海上油气开发逐步由浅水迈向了深水,导管架平台被广泛应用于海上油田开发。随着工作水深的增加,平台桩腿延长,整体刚度变小,自振频率降低,对波浪的激振较为敏感,即使在未发生共振的条件下,结构动力响应也可能很大。因此必须对较大水深导管图1 平台几何模型 架平台进行动力分析。 ABAQU S/AQUA 是美孚石油公司同ABAQU S 公司合作开发的 大型通用有限元软件ABAQU S 的海工模块,该模块的用途是模拟海 上结构,例如海洋石油平台或船体。其具体功能包括模拟波浪、风载 荷、浮力和海流拖曳力的影响等。本文使用ABAQU S/AQUA,实现 对较大水深的八腿柱导管架平台的动力响应分析。找出其在随机波浪 作用下的动力响应规律,为我国深水油气资源的开发提供借鉴。 2 计算理论和方法 在深水导管架结构的动力响应分析中,波浪力是十分重要的,它是 平台设计中的控制荷载。计算小尺度孤立桩柱上的波浪力是由莫里森 提出,但对导管架平台而言,由于导管架是一个无限自由度的连续体, 且结构是由细长杆件构成(如图1),考虑到实际结构理想化后,波浪和 结构之间相对运动的力都集中作用在质点上[1],因此要对莫里森方程 进行修正。假定:(1)波浪力随水深减小的变化呈台阶性,以质点相邻 节间的中点之间的整个区段为一台阶;(2)作用于每杆件上的波浪力,邻近杆件并不干扰流体运动,采用未扰动流体速度计算波浪力。作用于某质点上的波浪力是实际结构与该质点有关的区段内所有杆件波浪力之和;(3)斜杆的波浪力按流向的投影长度计算,作用在与杆件平行方向的波浪力忽略不计;(4)各力相对于水平质点引起的净距,可以忽略不计。根据以上假定,应用莫里森方程收稿日期:2007-07-05 基金项目:中石化/深水油田开发关键技术预研0科技攻关项目(合同号JP05008)作者简介:杨江辉(1981O ),男,硕士生,从事工程结构研究。
海洋石油平台电力组网工程同期技术应用研究 发表时间：2019-06-11T11:10:35.757Z 来源：《中国电气工程学报》2019年第3期作者：赵红涛[导读] 随着海上油田的滚动开发，海上电网规模的不断扩大，同期技术的应用将会越来越广泛，同期点的设置也会越来复杂。基于此，本文以某电网为例分析了海洋石油平台电力组网工程同期技术的应用。电网工程中在设计电气主接线时，当开关两侧出现不同源电源时需要设置同期点。海洋石油平台电力系统随着电力组网工程的日益发展，同期点已不仅局限于发电机出口、母线联络开关等处。海洋电网各电站中心在何处实现组网互联，减少并网冲击，如何设置同期点可 便于操作而又经济变得极为重要。 1电力组网的必要性 1.1平台间可互供电力、互为备用，减少事故及大型负荷启动备用容量，提高电网运行的经济性；同时增强其抵抗事故能力，实现事故情况下的相互支援，最终提高电站安全水平和供电可靠性，避免因电站平台出现问题造成整个平台供电的中断。 1.2能承受较大的冲击负荷，如注水泵、压缩机等冲击负荷，从而有利于改善提高电能质量。 1.3可减少备用机组数量，节省投资及运行维护成本。两平台可通过共享一台备用电站，从而节省投资及平台的占用空间。 2电网同期技术的重要性 电力系统同期并车三要素：频率、电压、相角。在电力组网工程实施前，海洋石油平台电力系统通常为放射性网络结构，即一个电站中心平台或FPSO设置若干台发电机组作为电站中心，通过变压器为低压400V、230V系统供电，或通过升压变压器、海缆为油田群内其他终端平台供电。该系统同期点一般设置于发电机出口断路器，同期功能由发电机控制系统完成；发电机设置为3台或以上时发电机出口母线及对应低压400V系统母线一般设置为双母线分段形式，在中、低压系统母联处设置同期点。以往同期功能通常由继电器或PLC实现，通过装置自动或人员手动调节发电机组电压与频率，在合适相角差角度(一般为±5°)内实现合闸并车操作。海洋平台实施电力组网工程后，电网通常由两、三个甚至更多的电站中心互联而成，仅发电机出口及母联开关具备同期功能显然无法满足电网操作的需求，必须在电站中心互联路径关键节点设置电网同期点，以完成各电站平台均已起机带生产的情况下电网的并车。而电网内进行同期操作时，由于同期点两端均已是具备一定规模的电力系统，为了减少并网的冲击应尽量减小合闸时两侧的相角差，以往的同期继电器或PLC控制的相角差±5°无法完美解决，因此建议在电网同期点使用准同期技术，安装准同期装置，实现0°相角差合闸，以保证电网的稳定。 3同期点的设置原则与方法 海洋平台电力系统实施电力组网后，多个电站中心互联，联网主线路双端各连接对应的电站中心，因此需考虑设置并网同期点。 3.1双向供电回路。同期点设置的首要原则：设置在存在双向供电可能的回路。在海洋平台电力组网工程中，多个电站中心互联的主线路通常为35kV海缆或电缆连接(部分组网回路为10.5kV或其他电压等级)，其组网主连接线路的开关断路器可考虑设置为同期点并安装准同期装置，同期点同时可作为电网解列点，当系统发生震荡稳定性遭到破坏时能迅速合理的解列为两个或多个部分，以防止故障的进一步扩大，从而减少损失。 海洋平台电力组网工程中存在大量双向供电可能的开关节点，从实际设计角度出发，并非所有双向供电开关均需设置为同期点，需结合电网操作的便利性与必要性进行考虑。 3.2考虑操作便利与供电恢复操作的原则。海洋平台电力组网工程中存在多个双向供电可能开关节点时，如何选择其中哪个节点设置为同期点，需遵循电网操作的便利、供电恢复操作合理的原则。 通常海洋平台电站中心平台在电力组网实施前具备独立发电机并供其周边负荷平台用电孤岛运行模式，同期点的设置应考虑尽量设置在电力组网连接总出口处，以达到简化电网操作的目的，当电网局部组网或由于某些故障导致部分电力系统从电网中解列后，恢复联网时不应有复杂的倒换开关导致局部暂时性失电的问题发生。 图1
海洋石油平台电气设备和仪表的防爆问题初探 发表时间：2017-11-24T16:46:27.730Z 来源：《电力设备》2017年第19期作者：卜华伟 [导读] 摘要：在海洋石油开采的过程中会产生大量的易燃物，当其达到一定的浓度会发生爆炸，因此，在电气设备和仪表设备在设计的过程中要做好防爆处理，做到安全生产。 （中海油能源发展装备技术有限公司 300452） 摘要：在海洋石油开采的过程中会产生大量的易燃物，当其达到一定的浓度会发生爆炸，因此，在电气设备和仪表设备在设计的过程中要做好防爆处理，做到安全生产。 关键词：海洋石油平台；电气；仪表；防爆 1.前言 在海洋石油开采的过程中，安全是首要问题，针对易产生爆炸的区域要采取必要的措施加以防范。 2.海洋石油平台危险区电气设备的使用要求和防爆型式 根据设计要求，应尽量避免在危险区域和处所进行电气设备的安装和使用。如果确实不能避免，应严格执行相关标准和规范要求，选用与电气设备安装区域匹配的防爆型电气设备。海洋石油平台上的爆炸性物质是生产开采出的可燃性气体及原油中包含的各类可燃性液体挥发、蒸发后形成的油蒸汽等。依据爆炸性物质的性质，海洋石油平台应选择Ⅱ类电气设备，即专门针对有可燃性危险气体的环境条件进行设计、生产、制造，并经检验合格，能够安全可靠使用和运行的各类电气设备。在海洋石油平台上使用的电气设备防爆型式包括本质安全型、隔爆型、增安型、浇封型、充砂型等。 3.防爆电气设备选型的要素 3.1危险区和危险区的划分 正确选择电气设备防爆类型的首要条件，是明确设备安装处所的危险区域划分级别。危险区划分和危险释放源以及通风条件等因素都有关系。海洋石油平台的危险区通常是出现在工艺生产、工艺处理设备，以及井口区，原油生产相关的管道、阀门、法兰等处，这些位置容易形成危险气体的混合物。国标GB3836.14—2014规定，根据爆炸性气体环境出现的频次和持续时间，危险区级别划分为0区、1区和2区三类。在实际进行海洋石油平台危险区划分时，情况就要复杂许多。平台各处所环境条件不同，在对危险区进行识别时，应根据具体条件划分。通风条件好、可燃性气体不容易聚集的处所，其危险区等级应降低；反之，障碍物集中、通风不畅的处所，其危险区等级应升高。此外，部分特殊区域如果释放源能够释放的可燃性物质总量极为有限，那么就不能简单地套用规范定义来确定危险区类别，而应有其他特殊考虑。例如，部分海洋平台的实验室已经不划分为危险区，但是否有必要全部或部分使用防爆电气设备，还有待探讨。一般来说，海洋石油平台的0区范围很小，主要是1区和2区，2区范围最大。随着科学技术的发展完善及生产设备性能的逐步提高，危险区划分的趋势是2区在逐渐增大。 3.2爆炸性气体依据引燃温度的分组和电气设备的温度组别 在国标GB50058—2014中，按照可燃性气体的引燃温度，将爆炸性气体分为T1～T6六个组别；相对应地，依据电气设备运行时的最高表面温度，将电气设备划分为T1～T6六个温度组别。 3.3爆炸性气体及气体混合物的分类和对应的电气设备类别 国标中，将爆炸性气体或混合物定义为Ⅱ类爆炸物，并按其易被点燃的程度进行了分类，以ⅡA、ⅡB和ⅡC加以标示，ⅡC类气体最容易被引燃；用于气体环境的防爆电气设备也进行了对应的分类，同样使用ⅡA、ⅡB和ⅡC的符号进行标示，在选用电气设备时，必须选择适用的设备类别。 3.4设备保护级别 （EPL）及在危险区内的选用对于爆炸性气体环境用设备，设备保护级别分为3级，标示为Ga级、Gb级和Gc级。设备保护级别，即EquipmentProtectionLevel，缩写为EPL，它是一种新的防爆设备标示方式，通过辨识设备内在的点燃源和点燃风险，来确定设备适用的危险区域。根据防爆设备标示的保护级别，用户不需要清楚地知道设备采用的具体防爆型式，就可确定设备适用的爆炸性气体环境危险区等级。 4.海洋石油钻井平台防爆设备管理目标 首先，做到及时、全面的维护保养。由于受到海洋石油钻井工作特殊性质的要求，必须确保所有的电气设备和仪表都能正常使用，所以要求在使用过程中必须及时填写记录，同时还要定期对其进行检修，确保所有的设备和仪表都处于正常状态下；其次，快速追查事故原因。必须制定出健全的管理体系，能够及时有效的查找设备和仪表出现的故障原因。例如，位置和参数、维护保养记录等相关资料，以便快速地分析故障原因，并为制定预防措施提供依据。 5.合理选择爆炸性气体环境下的电气设备和仪表的有效措施 5.1针对不同情况，科学选择安装方式 首先在有爆炸危险发生可能性的区域必须要按照相关的规范和标准进行防爆电气设备的安装和使用，这些区域的电缆、电气设备、插座的安全性应当给予提高。对于一些功能性较强影响较大的电气设备即使是安装在安全区域也应当选用具有防爆性质的产品，提高整个海洋石油平台的安全性。此外就是插座等的设计和安装，要尽可能选取安全系数较高的带开关的组合插座，且应做到开关连锁，插座接通后一旦插入的插头拔出后，可以及时地将电路所有极或相进行分断。如果插座安装的区域的危险性较高则电器设备的防爆性能和安全性也应相应提高，极或相在电源开关和保护装置的作用下可以全部切断。一些对环境要求较高的电气设备例如发射天线等的安装应远离易爆易燃气体浓度较高的区域。防爆灯具的安装极为关键，因为灯具本身爆炸的可能性较之其他设备就比较高，因而不需要照明的区域应尽可能避免灯具的安装，必须进行照明的区域要选择分路供电的防爆灯具，也就是当一个路线出现故障或者是进行检修时另一个分路仍可正常报警。 5.2根据区域不同，合理选择防爆仪器和设备 气体点燃能量是本质安全电路分组的主要依据。海洋石油平台需要应用大量的电气设备和仪表，这些仪表所采用的本质电路也千差万别，而一些安全性较高的本质电路则可以直接用于零类危险区域，本质安全电路仪表系统在陆地油气开采中也有应用。还有些海洋石油
海洋钻井平台简介 海洋钻井平台（drilling platform）是主要用于钻探井的海上结构物。平台上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。主要分为移动平台和固定式平台两大类。其中按结构又可分为： （1）移动式平台：坐底式平台、自升式平台、钻井船、半潜式平台、张力腿式平台、牵索塔式平台 （2）固定式平台：导管架式平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台
坐底式钻井平台 坐底式钻井平台又叫钻驳或插桩钻驳，适用于河流和海湾等30m 以下的浅水域。坐底式平台有两个船体，上船体又叫工作甲板，安置生活舱室和设备，通过尾郡开口借助悬臂结构钻井；下部是沉垫，其主要功能是压载以及海底支撑作用，用作钻井的基础。两个船体间由支撑结构相连。这种钻井装置在到达作业地点后往沉垫内注水，使其着底。因此从稳性和结构方面看，作业水深不但有限，而且也受到海底基础(平坦及坚实程度)的制约。所以这种平台发展缓慢。然而我国渤海沿岸的胜利油田、大港油田和辽河油田等向海中延伸的浅海海域，潮差大而海底坡度小，对于开发这类浅海区域的石油资源，坐底式平台仍有较大的发展前途。80年代初，人们开始注意北极海域的石油 开发，设计、建造极区坐底式平台也引起海洋工程界的兴趣。目前已有几座坐底式平台用于极区，它可加压载坐于海底，然后在平台中央
填砂石以防止平台滑移，完成钻井后可排出压载起浮，并移至另一井位。图为胜利二号坐底式钻井平台。 自升式钻井平台由平台 自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台
142 1?概述 导管架平台主要由两大部分组成。一部分是支承结构，由导管架和钢管桩组成，用来支承上部设施与设备的基础结构；一部分是上部设施与设备，由甲板与其上的设备组成，作为收集和处理油气、生活及其他用途的场所 [1] 。导管架是由腿柱和连接腿柱的纵横杆系所构成的空间构架。 在实际的平台设计中，要根据不同的海域，选取不同 的波浪理论来计算结构的波浪力。目前对于二维波浪理论的各种求解算法已经有了许多的研究应用，但在国内的大型平台结构分析系统方面仍有很多工作有待解决[2]。在现代的平台设计中，用人工去简化作用在结构上的波浪荷载已不切实际，所以解决大型导管架平台结构分析中的波浪荷载自动处理问题有实际意义。 2?PIPE59单元特点和模拟方法 ANSYS软件中的PIPE59单元是与空间梁单元类似的单元，能够计算圆管形构件的流体静力和动力效应[3，4]。利用这些特点，考虑用该单元模拟海流载荷，通过输入单元控制参数，就可以自动模拟海流特性。 波浪通过导管架平台时，随着地震相位周期性的变化，对平台结构的作用力也在作周期性的变化。为此按照一定的步长对相位角（0～360?o ）进行等分，编程计算求得环境载荷从8个方向施加时每个方向产生最大作用的相位角，计算结果见表1。 表1?相位角计算结果 载荷方向0?o 45?o 90?o 135?o 相位角350?o 336?o 342?o 4?o 载荷方向180?o 225?o 270?o 315?o 相位角 28?o 41?o 36?o 14?o 3?导管架平台强度分析3.1?结构计算模型 采用ANSYS软件构建其有限元模型，取甲板主梁组成 的梁格和导管架各构件作为梁单元组成的空间结构（见图1）。采用PIPE16和PIPE59单元模拟导管架，采用BEAM 单元模拟平台梁格，模型共计598个单元，527个节点。建模中应考虑在泥面处设断点，泥面上下模型赋值不同单 元。 图1?ANSYS有限元分析模型 根据规范，可将桩的下部模拟为刚性固定端，刚性固定端位于设计泥面垂直以下T （m）处[6]。设计泥面的位置在自然泥面下的距离应按地质条件决定。T 值可按经验公式确定： T =6D （1） 式中：D —桩外径，m。 3.2?组合工况分析 3.2.1?冰载荷 在风和流作用下，大面积冰原挤压垂直孤立桩柱产生的冰载荷的计算方法，导管架所受的最大冰力为： F I =m ×K 1×K 2×σc ×D ×h （2） 式中：K 1、K 2—桩的局部挤压系数和桩与冰层接触系数；m —桩的形状系数，园柱体取0.9；σc —冰的单轴极限抗压强度（KPa），2244KPa；D —导管架直径（m）；h —冰层厚度（m）。 3.2.2?风载荷 最大风速为45m/s，方向0?o 、45?o 、90?o 、135?o 、180?o 、225?o 、270?o 、315?o 。风荷载计算公式为： 基于ANSYS的导管架平台强度分析 任红伟 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院?山东?东营?257000 摘要：导管架平台的波浪力分析是设计中的难点，利用ANSYS软件中PIPE59单元的浮力、波浪及海流荷载计算功能，通过控制单元参数可达到自动模拟海流载荷目的。在Water?Table菜单中分别输入8个方向波流参数，其中疲劳分析考虑的是平台在一个周期里受到的最大和最小波浪载荷，编程计算求出每个方向产生最大作用的相位角。通过建模分析，得到8种工况下结构位移和导管架各点应力。 关键词：导管架平台?强度分析?海流载荷?PIPE59单元 ?Strength?analysis?of?jacket?platform?based?on?ANSYS Ren?Hongwei Drilling Technology Research Institute ，Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257000，China Abstract：The?wave?force?analysis?is?difficult?in?design?for?jacket?platform.?PIPE59?element?in?ANSYS?software?has?the?function?of?computing?buoyancy，wave?and?current?load.?The?current?load?can?be?simulated?automatically?by?adjusting?the?unit?parameters.?The?wave?flow?parameters?of?eight?directions?were?input?in?the?Water?Table?menu?respectively.?Fatigue?analysis?needs?the?maximum?and?minimum?of?wave?load?in?a?cycle?of?platform，programming?to?calculate?the?phase?angle?of?maximum?effect?in?each?direction.?By?modeling?analysis，the?structural?displacement?and?stress?at?various?points?of?jacket?is?obtained?in?eight?kinds?of?conditions. Keywords：jacket?platform；strength?analysis；current?load；PIPE59?element
- 38 - 论文广场 石油和化工设备2018年第21卷 1-过滤器；2-风机；3-空气处理单元 图1 海洋石油平台电气房间新风系统设计 陈自刚，牛卫民，张勇青，魏占彪，高建虎 （海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451） [摘 要] 本文根据海洋石油平台所处高盐、高湿的特殊环境，对海洋平台的电气房间设计一套正压型新风系统，并对该系统新风量确定方法、新风过滤器性能参数及新风除湿方式进行分析与选型，可为类似海洋环境电气房间设计提供参考。[关键词] 海洋平台；新风系统；正压型；新风过滤器；除湿 作者简介：陈自刚（1987—），男，云南曲靖人，本科，工程 师。在海洋石油工程股份有限公司从事机械设计工作。 海洋石油平台电气房间处所是高盐、高湿环境，室外新风若直接送入电气房间容易对电气设备造成腐蚀，缩短设备使用寿命，加大了因设备腐蚀造成平台用电、控制设备出现故障的风险；电气房间属于安全区域，生产区的危险气体有可能逸散到房间，一旦发生，很容易造成严重的安全事故；电气间经常有人停留或工作，人员吸入氧气呼出二氧化碳，为保证人员的身心健康，必须保证足够的新风量以满足卫生条件要求。针对上述问题，正压型新风系统的设计与研究对保证海洋石油平台安全稳定运行尤为重要。1 新风系统方案描述 室外新风由新风口进入系统，先经过滤器除去空气中的雾滴及杂质，然后被风机送入房间的空气处理单元除湿，使空气含湿量保持在某一设定值，再由空气处理单元风机送入房间。具体流程如图1所示。 2 新风系统设计选型2.1 新风量的计算方法 目前海上平台电气房间新风量的计算方法主要有房间换气次数法、人员新风需求量法和维持 房间正压法三种。 (1)换气次数法Q =A?V Q —按换气次数计算新风量 ，m 3/h ；A —房间换气次数；通常取2~3次/小时；V —房间体积，m 3；(2)人员新风需求量法Q =n?ν Q —满足房间人员需求的新风量，m 3/h ；n —人员数量； ν—人员每小时所需新风量，m 3/h ，可取30m 3 (3)维持房间正压法 维持房间正压所需新风量可以看成是对应压力下门窗缝隙的漏风量，这样可采用缝隙法计算公式来估算房间漏风量（新风量）。 缝隙法计算公式如下：Q =a?Σ(q?L) Q —维持房间所需压差（50Pa ）的风量，m 3/h ； a —根据维护结构气密性确定的安全系数，可取1.1~1.2； q —当房间为某一压差值时其维护结构单位长度缝隙的渗漏风量，m 3/h?m ； L —维护结构的缝隙长度，m 。