海上平台导管架扶正安装设计分析

海上平台导管架扶正安装设计分析

刘扬

天津前程海越技术有限公司  天津市  300456

摘要：导管架扶正关系到扶正吊点设计、充水管线设计、分隔舱设计、以及扶正强度分析、浮吊选择、索具选择等是深水导管架海上安装的一个重要阶段因此需要对这一过程进行精确的分析。分析中由于导管架的扶正过程与导管架的重量、重心、所能提供的浮力、浮心位置、分舱设置及破舱情况紧密相关在导管架模型模拟时需要对这些因素以及各种不确定性加以考虑由此对整个扶正过程作出精确的分析。根据符合扶正设计要求的扶正分析结果按扶正分析中所需的最大吊钩荷载选取合适的浮吊按扶正分析中的分舱布置情况进行分隔舱设计和充水系统设计并根据充水步骤确定出充水方案从而制定出扶正方案。

关键词：导管架；扶正；稳性；底部间隙

引言

在全世界有很多固定式平台在各个海域上进行应用，大约有8000多座，是非常常见的海上油田开发工具，在固定式平台中导管架平台是最常见的平台之一，导管架平台的一般由两部分组成上部的甲板结构可以提供机器设备的安装空间及其工作人员休息的场所，下层是有管件构成的空间结构作为导管架的基础支撑着整个导管架。

1扶正介绍

海上固定平台导管架的安装方法通常包括直立吊装法和扶正法。直立吊装法适用于水深浅重量轻的导管架。然而随着水深的加深导管架本身重量的增大由于浮吊吊装能力的限制传统的直立吊装法不再适用；同时由于水深增加导致导管架的高度变高受浮吊吊高的限制无法进行直立吊装因此需采用较为复杂的扶正法。导管架扶正过程就是导管架从水面漂浮状态到直立状态的过程。导管架扶正的方法有导管架自充水扶正和导管架在吊机辅助下的扶正。文中所介绍的是在吊机辅助下的导管架扶正安装这种方法就是当导管架处于水面漂浮状态时通过浮吊提升导管架并在合适状态下进行充水压载实现导管架的扶正。

2设计要点

2.1重量、重心

导管架重量大小以及重心位置对于导管架扶正分析是至关重要的模拟时需要对导管架的重量和重心进行精确地模拟对重量和重心的模拟要根据导管架最终的“重量控制报告”所给出的数据来模拟。主结构的重量由程序自动生成而附属结构和非结构附件的重量可以通过手动添加到模型里进行模拟。这种严格按照重量控制报告下的重量和重心并且考虑舱室不破损的情况下进行的扶正分析工况即为完整条件重心不偏移工况。由于重心存在着不确定性这种不确定性将会影响导管架的稳性、以及纵摇和横摇运动因此除了考虑基本重量重心工况外分析中还要考虑导管架重心不确定性的影响。对于重心的不确定性工况可以按以下情况进行考虑：x＝±0．5m；y＝±0．5m；z＝±1．5m。式中：x、y———导管架直立状态的水平坐标轴；z———导管架长度的垂向投影。这种考虑重心偏移且舱室不破损的扶正分析工况即为完整条件重心偏移工况。

2.2浮力、浮心

导管架从初始漂浮状态开始在扶正过程中随着吊钩的提升、导管架的转动和充水措施的实施在整个扶正过程中浮力不断变化对整个扶正过程的稳性影响很大。需要对导管架进行浮力分析分析的目的就是统计出导管架所能提供的浮力以确保导管架在扶正安装过程中具有足够的浮力和稳性。浮心的位置也影响着扶正的稳性在结构设计中可以对提供浮力的杆件进行合理的设计和调整以保证导管架具有合适的浮心位置。出于需要有时会在导管架顶部设计浮筒以保证提供足够的浮力和稳性。由于浮力在整个扶正过程中的重要性因此需精确模拟。主结构的浮力由程序自动生成对于未模拟的附属结构和非结构的浮力模拟可以采用手动输入模拟。需注意的是在扶正过程中导管架所受的浮力是不断变化的。导管架不断变化的浮力和浮心位置可以通过程序进行时域数值模拟分析得到。

2.3分舱、破舱

导管架腿的分舱布置是根据扶正分析中要进行的充水压载情况而确定的并且还要考虑到破舱的情况由此确定出最佳的分隔舱布置设计。分析中为确保一旦导管架腿的一个舱破损导管架仍然能够继续提供足够的浮力完成扶正安装因此需要考虑合理的破舱情况。分析中对破舱的考虑原则是：每次只考虑一个舱室受损通过设计合理的导管腿舱室布置来控制由舱室破损带来的影响。此工况即为破舱工况。

4）其他。辅助扶正吊装的钢丝绳长度和重

量也会影响导管架的扶正通常考虑当导管架直立后能够满足钢丝绳与水平面的夹角至少为60°；另外还要考虑提升的高度。

3导管架海洋平台优化设计研究进展

导管架平台所处的海洋环境与陆地上有所不同非常恶劣，海水具有很强的腐蚀性，尤其在随机波浪荷载的作用下，导管架的安全可靠性和寿命是人们一直所关注的重点，但是随着各个学科的交叉发展和计算机技术的飞速发展，在保证海洋平台安全的前提下人们越来越重视平台的经济性，优化设计也越来越多的应用到了海洋平台的设计。Schmit在进行优化设计时，提出了加准确的优化方法线性规划法。人们对优化设计有了更深层次的认识，在以往的优化设计基础上又有了基于可靠度的优化设计，基于模糊数学的优化和多各种优化，遗传算法和神经网络算法也在优化设计中得到了广泛的应用。封盛等人在对导管架平台进行优化设计中对优化的约束条件进行了对比分析，找出合适的约束条件，并提供了一维搜索法。对于一般的优化设计，所有的数据都是固定性的，但在实际中构件的尺寸环境荷载等都具有随机性，所以基于可靠性对平台进行优化，可以更好的对平台进行优化。大连理工大学翟钢军在对海洋平台优化时把平台的可靠性作为优化设计的约束条件，不仅使建造导管架平台的费用大大减小，相对于确定性优化还提高了平台的可靠性。封盛，翟钢军，徐发淙将模糊数学应用到了海洋平台的优化中，建立了导管架的模糊模型，给出了对平台进行模糊优化的流程。除了对平台构件尺度上的优化，目前还有对平台形状优化和拓扑优化，他们使得海洋平台整体受力状况更加合理优化更有优越性，马红艳等人提出了解决海洋平台在形状和拓扑优化中到的难题，通过实例对三种优化进行对比，发现了拓扑优化比形状优化及其尺寸优化更加合适。目前人们更多的研究的是优化设计的新算法，基于遗传算法和神经网络理论的算法的优化设计被广泛使用。胡云昌等人在分析了简易平台的疲劳可靠性后，应用遗传算法对平台进行了基于可靠性的优化设计，证明了遗传算法在海洋平台优化设计中的可行性。王兴国等人改进了海洋平台的优化目标，进行多目标优化不仅把传统的质量作为优化目标，还把结构的总应力最大也作为优化的目标之一，优化结构的尺寸。

结束语

从前面的分析结果可以看出导管架扶正过程中底部间隙的高度在各个阶段都大于5m扶正各阶段的横向稳性高度和纵向稳性高度均大于1m扶正过程中的底部间隙和稳性都满足设计要求。因此扶正结果制定出的扶正方案可以用于导管架海上扶正安装。此导管架成功安装的事实也证明此设计分析方法及据此分析得到的扶正操作方案是切实可行的。

参考文献

[1]宋剑.海洋平台结构在偶然灾害作用下的可靠性研究[D].浙江：浙江大学，2005.

[2]赵国藩，金伟良，贡金鑫.结构可靠度理论[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[3]安伟光.结构系统可靠性和基于可靠性的优化设计[M].北京：国防工业出版社，1997.