魏晓添
导管架是由导管(或称腿柱)和连接导管的纵横杆系所构成的空间构架。
目前,在海洋油气中,导管架平台主要由两大部分组成:一部分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,称为支承结构;一部分由甲板及其上的设施和设备组成,作为收集和处理油气、生活及其他用途的场所,称为上部设施与设备。
1 导管架结构的主要形式
1.1 上部结构的主要形式及其特点
导管架平台上部结构的形式可以分为:桁架式、梁—板—柱组成的框架式以及兼而有之的混合式。桁架式结构特点是整个结构由梁和桁架等构件组成,上下层平台甲板由桁架连接为整体结构,承受作用在甲板上的载荷,并通过桁架将载荷传给导管架及桩基。梁—板—立柱组成的框架式结构其特点是上下层甲板由立柱连接为整体结构,承受作用在甲板上的载荷,载荷通过立柱传给导管架和桩基。混合式结构特点是上下层甲板由立柱或桁架连接成为一个整体结构,承受作用在甲板上的载荷,并通过立柱或桁架传给导管架和桩基。这种结构不仅具有框架式结构的特点,还在梁跨度较大的部位增设桁架,以增强平台的总体刚度、增加甲板的承载能力。
1.2 导管架的主要形式
导管架的主要构件是导管,导管架按导管数量的多少分类通常有以下几种形式:1)三导管导管架。这种导管架有三条呈等边三角形布置的导管。该种导管架主要用于井口保护平台、火炬塔支撑平台以及一些机械设施支撑结构。2)四导管导管架。该种导管架有四根导管,一般导管布置呈正方形或矩形。该种导管架是海上油气田开发中常用的一种结构形式,主要用于井口保护平台、生活平台、压缩机平台,也常用于油(气)生产平台和钻井平台。其四根导管根据使用要求可以设计成等斜度的,也可设计成一侧垂直而另一侧倾斜的。3)八导管导管架。这种导管架有八根导管,是用于海上石油开发的一种典型的结构形式,导管一般按矩形布置,呈双斜对称布置,每行有四根导管。该种导管架主要用于综合平台,其甲板面积大,承载能力高。
此外,还用六,九,十二,十六,二十四导管的导管架。我国早期安装的导管架多为十六导管,也有九导管和二十四导管。
2 导管架节点的连接形式及分类
目前工程中常用的钢管结构节点类型有:空心钢球焊接节点,螺栓球节点,半球节点,扁球形节点,钢板节点,再分杆树状节点,相贯节点,鼓形节点,套管节点。
相贯节点又称简单节点(simple joint)、无加劲节点(unstiffened joint)或直接焊接节点(directly-welding joint)[5]。节点处只有在同一轴线上的两个最粗的相邻杆件处贯通,其余杆件通过端部相贯线加工后,直接焊接在贯通杆件的外表。一般来说,钢管相贯节点具有传力路线明确,受力性能好,承载能力强,构造简单,无附加外凸的节点构件,次要构件连接简便,建筑外表美观,在实际工程中不仅节省钢材和焊接工作量,而且更易于维护保养。基于相贯节点的众多优点,近十年来相贯节点在空间钢管结构特别是大跨度建筑钢管结构中得到了空前的应用。
按照组成节点的钢管截面形式分类,钢管相贯节点可分为:圆管—圆管相贯节点、矩形管—矩形管相贯节点、矩形管—圆管相贯节点和圆管—矩形管相贯节点。
按照节点的几何形式分类,钢管相贯节点可以分为单平面节点(uniplanar joint)和多平面节点(multiplanar joint)两大类。前者为所有杆件轴线处于或几乎处于同一平面内的节点,否则为空间节点。在节点处贯通的钢管通常称为弦杆(chord),焊接于弦杆之上的钢管称为腹杆(brace)。
工程中遇到较多的平面节点有:T形(Y形)、X形、K形(N形)、KT形(即在弦杆一侧有三根腹杆的情况)、平面YY形、平面KK形。
根据节点中杆件内力平衡方式分类:1)当腹杆轴力在垂直于弦杆的垂直分量全部由弦杆横截面剪力所平衡时,节点划分为Y形或T形节点。2)当腹杆轴力通过弦杆由另一侧腹杆所平衡时,节点划分为X形节点。3)当位于弦杆同一侧的腹杆轴力在垂直于弦杆长度方向能自相平衡时,节点划分为K形或N形节点。(对于有些K形节点,根据腹杆轴力垂直分量的平衡方式划分节点类型的原则,斜腹杆轴力的50%由竖腹杆平衡,另50%由弦杆横截面剪力所平衡,因此划分为部分K形节点、部分Y形节点。
3 导管架结构的优点
在海洋开发中,导管架平台被广泛的采用,主要是由于导管架平台具有如下特点:
1)平台的支撑结构——导管架是以圆钢管为主要构件的钢结构,因此结构受力状态较好。由于圆钢管的截面为各向同性,便于加工成型,结构制造方便。此外,圆钢管呈封闭截面,与海水接触面积相对较小,有利于防腐;在施工中,还可以利用浮力,减轻结构在海水中重量。
2)由于桩是通过导管架导管或裙筒打入海床,因此在比较恶劣的海洋环境中,桩打的准、打的直。该种结构适于水深、浪高、风大的海域。
3)打桩作业可以大大简化,只要把导管架定位于指定地点,立即就可以进行打桩作业。这种结构形式是解决海上打桩定位和施工期间稳定桩基的有效方法。同时,导管架作为桩基的一部分,可以保证平台结构的整体稳定性。
4)平台可以在陆上分块预制,海上组装,既能保证施工质量,又可以缩短海上吊装与组装时间,节省投资。
5)导管架平台设计、制造及安装技术成熟、实践经验多,适用性强。
4 工程应用意义及前景展望
4.1 石油平台
到目前为止,在油气工业中,导管架平台的应用是比较普遍的,我国的油气资源十分丰富,石油资源的开发有着非常广阔的前景。1966年我国依靠自己的技术力量在渤海海域成功地安装了第一座导管架式海洋平台。近年来随着近海石油开发的迅速发展,我国的平台设计、制造和安装也有了突破性进展。自20世纪60年代以来,已经陆续建造了近百座海上平台。从渤海、南海以及国外的海上油田开发来看,水深5 m～200 m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。并且海上油田开发实践证明,这类平台是比较行之有效的一种结构形式。
而在世界范围内,自20世纪40年代美国安装使用了世界上第一座钢质导管架式平台(Steol Jaoket offshore Platform)以来,这种结构已经成为中浅海海洋平台的主要结构形式。随着海洋石油开发的迅速发展,导管架式海洋平台被广泛用于海上油田开发、海上观光以及海洋科学观测等方面。
4.2 海上风力发电[5]
目前,海上风力发电场的建设有两个发展趋势:1)风电场的建设水深由浅海向深海发展;2)风力发电机的单机容量不断增大[6-8]。由于导管架平台的结构特点和风机结构规模的大型化,就决定了在浅海域的各种水深条件下,导管架平台用于近海风力发电是比较合适甚至是最好的选择,比较合适的基础形式有三脚架式和导管架式两种。三脚架式基础类似单桩结构,只是采用了标准的三腿支撑结构,相对于由钢管焊接而成的导管架式基础。
风力机组的塔筒构件是高耸结构物,风力机组在工作时,上部结构受到的载荷非常大,因此要求其下部基础结构的整体刚度比较大,能抗较大的倾覆力矩,因此,在近海50 m以内的水深范围,固定式基础更能满足要求。而在固定式平台当中,腿式平台和牵索塔平台是属于柔性支承,整体刚度不如刚性支承的导管架平台和重力式平台;由前面分析可知,在未来的风能开发中,重力式平台的优势不如导管架平台。
5 结语
现代港口的发展趋势之一就是港口建设深水化与外海化。由于导管架平台的结构特点,就决定了在浅海域的各种水深条件下,导管架平台用于建设深水码头是比较合适甚至是最好的选择。还有,深水油码头也同样可以尝试采用导管架结构。由于油船吨位大,吃水深度要高于普通船只。而导管架结构在深海打桩作业可以大大简化,同时导管架作为桩基的一部分,可以保证平台结构的整体稳定性。
[1] 李健民.文昌有天平台结构设计[J].中国海上油气(工程),2001,13(1):1-3.
[2] 邵炎林,何炎平,关 宇.构造形式对导管架平台极限承载力的影响[J].中国海洋平台,2005(46):253-260.
[3] 武俊宪,牛文金,李 琦.辽河海上稠油热采井口平台结构分析[J].中国造船,2005(46):253-260.
[4] 许 滨,申仲翰.海洋导管架平台的极限强度分析[J].中国海洋平台,1994,12(3):8-16.
[5] 李才志.近海风力发电导管架平台结构分析与数值模拟[D].上海:上海海事大学,2008.
[6] 王兴国,周 晶,康海贵.基于稳定的导管架海洋平台的多目标优化设计[J].中国海洋平台,2001,16(5):5-11.
[7] 陆文发,李林普,高明道.近海导管平台[M].北京:海洋出版社,1992.
[8] 王兴国.导管架海洋平台结构优化设计研究[D].大连:大连理工大学,2003.
