固定式海洋平台防护方案的设计与建模分析(编辑修改稿)

固定式海洋平台防护方案的设计与建模分析(编辑修改稿)内容摘要：

及关键技术，这部分是本文研究重点，也是本文的关键部分，这部分首先分析海洋平台的物理性质、海浪的相关知识，这为研究海洋平台的设计原理提供理论基础，然后根据海洋防护平台物理性质和海浪的特点，设计出安全、可靠的海洋防护系统，提出设计的原理功效、思路等，并且指出设计的关键基础。 第四部分主要是海洋平台防护系统的构建与建模计算，这个部分是对第三部分的充实和实证，通过这个部分，使本文更有说服力和意义。 这个部分首先提出海洋平台防护系统的构建，然后是 建模计算。 第五部分对全文进行总结，并对研究中存在的问题，和对未来前景的展望。 研究的方法 本文拟采取的研究方法： 理论研究与实地调研相结合的方法。 查阅相关文献，并通过对海洋平台的考察，获得研究的第一手资料，这样可以在现有的理论的基础上，对观察到的事实进行分析研究，形成自己的结论。 理论分析与实例分析相结合的研究方法。 依据海洋平台、海浪等基础知识的学习，结合海洋平台的实际需求，进行设计建模，使文章更有说服力和实践意义。 定量研究与定性研究相结合的方法。 以定性分析为主，通过定量模型进行考证。 西南石油大学硕士研究生学位论文 7 第 2 章 海洋平台相关概念概论 海洋平台的定义 二十一世纪是海洋科学不断飞速发展的年代，在这个能源问题成为全球瞩目问题的年代，海洋资源的开发利用是一项海洋工程。 海洋工程的启动和研发则是以海洋科学为基础的。 要明白海洋平台，首先需要明白海洋工程。 海洋工程是以开发和利用各种海洋资源为目的而存在和建造的一系列的工程结构物，还包括为了完成这些科研、任务、开发等所需的一系列的技术平台和设备仪器。 海洋平台是我国海洋科技研发中海洋油气田开发的一个基础设施之一，海洋平台主要是运用于海洋石油的勘测和开采海洋结构物。 随着海洋事业的不断发展，各种海洋工程设备的不断完备，海洋平台结构的研发和建设也被国内外科研界和生产界越来越重视。 海洋平台设计的完善性和科学性直接关系到海洋油气资源的开发利用的成本和效率。 因此研究海洋平台的开发和利用具有十分重要的含义。 随着海洋科学的快速发展，海洋开发也不断深入，海洋平台就是伴随着海洋开发和利用而产生的，它是海洋工程的一部分。 海洋平台、海洋工程主要是以海洋科学为基础，主要是用来开发和利用海洋各种资源，建立的一系列工程结构物，以及为完成这一任务所需的技术和仪器设备。 海洋平台防护系统建设投资 巨大，面对海洋恶劣的生产环境，它必须面临很多危险，一旦海洋平台发生事故，就会给整个人类社会带来巨大的损失和灾难。 所以，必须建立安全的海洋平台防护系统，确保平台的安全，这是海洋工程健康发展的十分必要条件，也是可行的。 海洋平台是海上石油勘探、海上开发和海上生产的条件，它不同于陆地平台，有着非常恶劣的环境，海洋环境决定了海洋作业的难度较大，同时海洋作业的难度也决定了海洋平台的特点： ； ； ，海洋救援工作难度较大；。 风险大。 海洋平台结构及其复杂、自身的体积庞大 ,加上外在的海洋环境复杂和恶劣 ,使得海洋平台材料易老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳和裂纹扩展等等，这些不利因素的影响往往会导致平台结构衰减 ,降低了海洋平台结构的服役安全度和耐久性。 海洋平台的疲劳和损伤主要表现在海洋平台裂缝尺寸不断的扩展，严重时会导致整个平台的倒垮，给人类带来不可估量的风险和灾害，因此，海洋平台的建设必须要特别注意它的安全性，在建设过程中，要考虑到于海洋平台的安全涉及到的各个方面，不要局限于一点。 面对海洋平台作业环境恶劣，应该充分考虑工作人员和财 产的安全，建设中确保它的安全可靠。 海洋平台的分类 海洋蕴涵如此丰富的资源，如何将其开发出来供人类所用，就成为了各国尤其是沿海国家的重要课题。 海洋平台为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物。 按其结构特性和工作状态可分为固定式、活动式和半固定式三大类。 固定式平台的下部由桩、扩大基脚或其他构造直接支承并固着于海底，按支承情况分为桩基式和重力式两种。 活动式平台浮于水中或支承于海底，能从一井位移至另一井位，接支承情况可分为着底式和浮动式两类。 近年来正在研究新颖的半固定 式海洋平台，它既能固定在深水中，又具有可移性，张力腿式平台即属此类。 固定式平台 固定式 海洋平台防护 方案 的设计与建模分析 8 1. 桩基式平台 导管架型平台。 在软土地基上应用较多的一种桩基平台。 由上部结构（即平台甲板）和基础结构组成。 上部结构一般由上下层平台甲板和层间桁架或立柱构成。 甲板上布置成套钻采装置及辅助工具、动力装置、泥浆循环净化设备、人员的工作、生活设施和直升飞机升降台等。 平台甲板的尺寸由使用工艺确定。 基础结构（即下部结构）包括导管架和桩。 桩支承全部荷载并固定平台位置。 桩数、长度和桩径由海底地质条件及荷载决定。 导管架立柱的直径取决 于桩径，其水平支撑的层数根据立柱长细比的要求而定。 在冰块飘流的海区，应尽量在水线区域（潮差段）减少或不设支撑，以免冰块堆积。 对深海平台，还需进行结构动力分析。 结构应有足够的刚度以防止严重振动，保证安全操作。 并应考虑防腐蚀及防海生物附着等问题。 导管架焊接管结点的设计是一个重要问题，有些平台的失事，常由于管结点的破坏而引起。 管结点是一个空间结点，应力分布复杂；近年应用谱分析技术分析管结点的应力，取得较好的结果。 导管架由导管（即立柱）和导管间的水平杆和斜杆焊接组成，钢桩沿导管打入海底。 打桩完毕后，在两者的环形空隙 内用水泥浆等胶结材料固结，使桩与导管架形成一个整体，以承受巨大的竖向和水平荷载。 若桩的承载能力不能满足要求时，可在立柱之间和角立柱的周围增设钢桩。 这种平台施工时一般先在陆地上预制导管架 ,再用驳船拖运就位进行安装 ,通过调节压舱水使驳船倾斜，然后用卷扬机将导管架送入水中，由其自身浮力悬浮在水中，再向导管架立柱内灌水，同时用起重船把导管架竖立就位于海底井址，再将桩逐段连续打入海底土层固定。 用于深海的导管架高度很大，整体运输困难，可采用分段制造，分段下水连接而成。 塔架型平台。 另一种适于软土地基的桩基平台。 由腿柱 （通常直径达 6米）、水平杆和斜杆及大梁 (圆形或箱形 )组成。 为减小挡水面积，桩均设置在腿柱内 ,排成圆形，桩顶与腿柱焊接，空隙内灌入水泥浆，以防止薄壁腿柱发生局部压屈，并使桩固定在腿柱下端。 施工时将塔架侧放并拖运就位 ,注入压舱水，使塔架直立 ,然后打桩，最后安装平台甲板。 在自然条件恶劣的深水区，目前多采用导管架和塔架的组合方式。 2. 重力式平台 钢筋混凝土重力式平台。 依靠自身重量维持稳定的固定式海洋平台。 主要由上部结构、腿柱和基础三部分组成。 基础分整体式和分离式两种。 整体式基础一般是由若干圆筒形的舱室组成的 大沉垫。 沉垫也可采用平板分仓的蜂窝式结构，其侧表面可做成多波形或平板形。 分离式基础用若干个分离的舱室做基础，它对地基适应性强，受力明确，抗动力性能好，腿柱间距大，在拖航及下沉作业时较安全。 钢重力式平台。 也属于分离式基础型 ,由钢塔和钢浮筒组成，浮筒也兼作储油罐。 钢 钢筋混凝土重力式平台。 上部结构和腿柱用钢材建造，沉箱底座用钢筋混凝土建造，可充分发挥两种材料的特性。 以上三种重力式平台适用于较深海域。 整体式基础多建造在密实的砂土上，避免建在松散砂或较厚的软土地基上。 分离式基础由于基础面积视地质条件而定，立 柱的间距随水深而变 ,故对地基和水深的适应性很强 ,可用于地质条件较差的场合。 重力式平台的施工分两个阶段，前阶段在干坞中进行，后阶段在近岸可避风浪的深水区进行。 施工程序是；在干坞中建造基础下部，至预定高度后向干坞中灌水，把已建成的基础下部连同起重设备一起浮运至能避风浪的深水区，并牢牢系泊，继续建造基础的上部及立柱，直至混凝土工程全部完成，再向基础内部灌水，使平台下沉，然后将预制的平台甲板构件用驳船运到立柱上，使基础排水，稍稍起浮，直至立柱恰好顶在平台甲板的预定位置。 最后把立柱与平台甲板牢固地连在一起，形成平台。 重力式平台设计时应防止基础舱壁失稳或压坏。 当基础兼做储油罐时，应考虑由于内外温差所产生的温度应力。 平台要有足够的整体稳定性。 基础下边可设有插入地基的裙板，防止基础底座沿海底滑动。 此外，结构的倾斜度，总沉降量及动力效应都要求不超过限值。 西南石油大学硕士研究生学位论文 9 活动式平台 1. 着底式平台 坐底式平台。 最早的活动平台采用钻井驳船。 后来随着海洋石油钻探水深的不断增加 ,钻井驳船进一步发展成坐底式平台 ,它由沉垫、立柱和平台甲板三部分组成 ,适用于水深为 5～ 30米而且海底比较平坦的场合。 沉垫可以是整体式，也可以是分离式。 向沉 垫内灌水，平台即下沉坐落在海底。 把水排出 ,平台就能浮起，故这种平台又有沉浮式之称 ,要求沉得下，坐得稳，浮得起。 中国建成的胜利一号平台即属浅海坐底式平台。 自升式平台。 由一个驳船式船体和若干能升降并能起支撑作用的桩腿组成，船体有足够的浮力以运载钻井设备和给养到达工作地点。 作业时平台被桩腿支撑并抬升到海面以上。 转移时，把桩腿拔起，驳船式船体下降浮于水面，即可拖运到另一地点。 自升式平台分为插桩自升式和沉垫自升式。 桩腿可插入海底，也可在桩腿下面设置“桩靴”或独立的小沉垫。 桩腿结构可以是封闭壳体式，也可以是构架 式。 桩腿升降机构，有电动液压式和电动齿轮齿条式。 船体平面形状可以是三角形、矩形或五边形，其特点是浮运方便 ,作业时稳定性好，适用水深为 5～ 90 米。 这种平台的应用较广。 3. 浮动式平台 钻井船。 把钻井设备安装在船体上，靠锚系或动力定位，在漂浮的状态下钻井。 一般都有自航能力，可在几百米或上千米水深的海域工作，但对风浪极为敏感，当风力超过 7～ 8级，波高超过 3～ 4 米时就要停止作业。 半潜式平台。 主要由上部结构、下潜体、立柱及斜撑组成，下潜体有靴式、矩形驳船船体式、条形浮筒式。 其外形与坐底式平台相似，上部结构 装设全部钻井机械、平台操作设备以及物资储备和生活设施、它是一个由顶板、底板、侧壁和若干纵横仓壁组成的空间箱形结构，水密性较高，能提供较大的浮力，作业时下潜体灌入压舱水使其潜入水下一定深度，靠锚缆或动力定位。 拖航时排出压舱水，使下潜体浮在水面。 在浅水区作业时可使下潜体坐落在海底，类似坐底式平台。 它既可在 10～ 600 米深的海域工作 ,又能较好地适应恶劣的海况，但其经济水深一般为 100～ 300 米。 在深水海域中开发石油时，坐底式钻井平台不能满足要求；自升式平台虽然使用水深较大，但不经济；浮动式钻井船可适用于较大水 深，然而受海况的影响，其开工率很低；而半潜式平台既可在很深的海域工作，又较能适应恶劣的海况，有良好的运动特性。 因此，半潜式平台是目前深海钻井的主要装置。 （见彩图 21） 半固定式平台 张力腿式平台。 上部结构是浮体，通过收紧锚固在海底的缆索，使浮体的吃水深度比静平衡状态大一些，浮力大于浮体重力，剩余浮力由缆索的张力来平衡。 当平台受到扰动力时，缆索张力改变而产生弹性变形，因此，平台只产生微量位移。 缆索可竖向或斜向布置。 对于深水海域 ,如果采用固定平台 ,则造价随水深增大而剧增，海上安装工程也趋于困难， 相应配备的工程船舶均需大型化，而张力腿式平台仅需加长缆索，对造价影响不大，这种平台在工作完成后可浮运到其他地点。 施工时整座平台在工厂建造，工作地点定位，适用于开采周期较短的深水井小型油田。 拉索塔式平台。 是一种新型的海洋平台结构 ,其支承塔架下端着地，上端一般用 4～ 8 根钢索张紧固定。 这种平台用料少，工作水深大，适用于大深度水域。 各类平台的适用范围 :活动式平台，由于机动性能好 ,故一般均用于钻井；坐底式平台特别适合于浅海 (10 米左右及岸边的潮间区 )油田的钻井和采油工作； 自升式平台和半潜式平台主要是供钻井之 用，当油田的规模很小而又不宜设置固定式平台时，也可做采油用；活动式平台整体稳定性较差，对地基及环境条件有一定的要求。 固定式 海洋平台防护 方案 的设计与建模分析 10 固定式平台整体稳定性好，刚度较大，受季节和气候的影响较小 ,抗风暴的能力强。 缺点是机动性能差 ,一经下沉定位固定，则较难移位重复使用。 桩基平台属钻井、采油平台 ,工作水深一般在十余米到 200米的范围内（个别平台超过 300米） ,是目前世界上使用最多的一种平台。 从设计理论和建造技术来衡量，它都是一种最成熟和最通用的平台型式。 钢筋混凝土重力式平台是 70年代初开始发展起来的一种新型平台结构，目前主要用于 欧洲的北海油田。 这种平台具有钻井、采油、储油等多种功能，水深在 200 米以内均可采用，最佳水深为 100～ 150 米。 半固定的张力腿式平台及拉索塔式平台是两种适合于大深度海域（ 200 米以上）的平台结构。 是近年来发展起来的新结构型式，具有明显的优点。 但仍处于研究试制的阶段。 海洋平台的发展概况 国外海洋平台的发展 第一座海洋平台于 1887年建于美国加州海岸几英尺深的水域中，它由陆地延伸到海上的油田上，实际上是一座木质栈桥。 木质平台桩基腐蚀严重，平台使用寿命短。 限于当时的科技条件，平台的发展极为 缓慢。 钢质导管架平台于 1947年首次出现在墨西哥湾 6 米水深的海域，结束了木质平台时代。 那个时候正处在第二次世界大战之后，战争中许多先进的科学技术和研究成果不断的运用到海洋事业的开发中，尤其是钢管制造技术，使钢铁技术得到了快速发展，钢管桩桩径、壁厚和桩的长度可以得到不断增加，加上电子计算机技术的开发和应用，让海。