沉箱桩基式新型多功能平台
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发布时间：2022-04-20 06:28
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时间：2023-07-14 21:48
通常所说的多功能石油平台是指平台具有生产、处理、集输、外运、动力和生活等多方面的功能。这里所说的沉箱桩基式石油多功能平台，是指与石油导管架式平台相比所具有的多种功能。也可以说是用沉箱桩基作为石油平台基础构建的新型平台，具有其他结构式平台所无法比拟的优越功能。
一、沉箱桩基式平台的功能
1．沉箱箱体是平台的基础
我国较浅水域石油平台的基础多是导管架结构，即由管状杆件构成的空间钢架。而锦州9-3(JZ9-3）油田则采用了大型圆柱体和锥台体相结合的箱体结构作为平台的基础，即人工岛基础。采用这种结构型式基本上是为了抗冰。因为在渤海湾，导管架式平台的自振频率多在lHz左右，它与冰的挤压破碎频率比较接近，在冰的作用下容易发生振动。而沉箱结构，冰片作用在锥台体上，沿着台体向上爬而发生弯曲破坏，会产生较小的冰力。同时，冰的弯曲破坏的频率与挤压破坏的频率比较相对较小，与平台的自振频率相距较远，不会引起平台振动。总之，沉箱式固定平台具有较好的抗冰性能。
2．储液
海上油田开发可采用全海式或半海式。全海式是利用海上的工程设施进行原油生产、处理、用穿梭油轮直接外输，渤海埕北油田采用了全海式的开发方式，在该油田B区生产平台旁边建有储油平台，同时建有海中码头，供输油轮停靠，这种方式显得工程庞大，工程费用高。渤中28和渤中34油田也采用全海式开发方式，但它们采用的是单点系泊储油装置，这种方式需要在冰情严重的时候将系泊油轮解脱，油田就要停产。JZ9-3油田也是采用全海式开发方式，但它是利用水上平台甲板进行原油处理，利用水下沉箱储油，储油沉箱的储油能力为14000m3，能够基本满足全油田年处理原油100×104t的储油要求，而且在重冰期能够继续生产。
3．靠船
在JZ9-3油田西区建有沉箱桩基式钻采平台（DRPW）和储油平台（SLPW）。在其东侧设置了靠船碰垫。这两座平台的中心距离为55m，在其中心联线外延线的南、北方向各建有一座系泊平台。此区水深为7.4m，可供5000t和3000t外输油轮靠泊。在储油平台的顶层甲板上设有输油臂，可进行装油作业。另外，3800～8000马力的工作船也可以停靠。这些船只的船长约为50～60m，可以舷靠在碰垫上。当有外输油轮装油时，也可艉靠在沉箱的另一侧。东区建有沉箱桩基式钻采平台（DRPE），此区水深6.7m，工作船既可以舷靠也可以艉靠。
总之，沉箱式平台除具有生产、处理、动力、生活的多功能外，沉箱本身还具有承重、抗冰、储油和靠船等多功能。利用沉箱进行水下储油，在重冰期仍能正常生产，更加体现了沉箱式平台的优越性。
二、沉箱结构设计
（一）沉箱设计
JZ9-3油田共建造了三座沉箱，其结构型式都是下部圆柱体和上部圆锥台体相结合的箱体结构轮廓尺寸如表14-4所示。箱壁的厚度为80cm，其内表面和外表面是钢板，钢板之间用钢桁架联结，并浇筑混凝土，构成“三明治”式结构（图14-5）。
表14-4 沉箱尺度
图14-5 储油沉箱立面图
图14-6 储油沉箱箱体结构图
图14-7 储油沉箱（一）1000和（一）3950平台结构
（二）结构型式
对这种箱壁型式有两种不同认识：一是认为混凝土与钢板不共同工作，混凝土只作为填充材料并传递内外水压力。如此需要对钢桁架进行详细设计，达到强度要求；另一种认识则认为混凝土与钢板共同工作，形成“钢－混凝土”混合结构。为了增加钢板和混凝土之间的抗剪能力，在接触混凝土的内板面和外板面上增设了“钢猫爪”。箱顶为梁板结构。钻井沉箱底板为梁板结构，储油沉箱底板是与箱壁相同的钢－混凝土“三明治”结构。箱内分为四个内舱和四个外舱，舱壁为梁板结构（图14-6）。
用17根打入桩将箱体固定在海底，其中九根为主桩，八根为裙桩。桩的导管设在箱体内（图14-7）。导管和桩的结构型式及其之间的连接型式与导管架相同。
（三）结构计算模拟及计算机程序
结构模拟：结构在工作状态下和安装状态下的整体分析采用有限单元法，对不同的结构部件采用不同的单元；“三明治”箱壁壳和储油沉箱的底板为三结点或四结点板单元，其弹性模量为等效弹性模量；箱顶板、隔舱板和钻井沉箱底板为三结点或四结点板单元；圆管、型钢为二结点梁单元。
荷载处理：自重、浮力、风、浪、流、地震等荷载为计算机程序计算；冰力、温度应力为手工计算。
计算机程序：SACS由美国EDI(Engineering Dynamic ENC.of USA）公司编制；DWAVE由大连理工大学编制。
（四）荷载计算
沉箱和导管架由于结构型式的不同，所受环境荷载的性质以及荷载计算方法也不尽相同。这里仅将几种沉箱与导管架不同荷载计算作些说明。
1．波浪力计算
当结构杆件如导管架杆件的特征尺寸与波长的比值小于0.2时，要用莫里森（Morison）公式计算杆件所受的波浪力；当结构体如沉箱体的特征尺寸与波长的比值大于0.2时，则要用波浪绕流理论方法进行波浪力计算。沉箱波浪力计算依据以下所列文献：
a．‘Oceanographic Engineering’，Rebert L.Wiege,Prentice Hall Inc,1964,Charpter11,Section9.
b．‘Experience in Computing Wave Load on Large Bodies’，N.Hogben and R.G.Standing, OTC No.2189,May 1975.
c．‘Mechanics ofWave Forces on Offshore Structures’，T.Sarpkaya and M.Isaacson,Van Nostrand Reinhold Company,1981．
具体计算则用DWAVE程序，这个程序可以直接读入由SACS程序形成的数据文件。
2．冰力计算
国内外对海冰的研究表明，冰片作用于海中结构物时，由于结构物型式不同，冰片会发生四种不同型式的破坏，即挤压破坏、弯曲破坏、屈曲破坏和劈裂破坏。JZ9-3沉箱的锥台体处在冰的作用区，它的锥顶角为64°，即台体坡度为5:8，能使冰片产生弯曲破坏。冰的挤压破坏强度为2.364MPa，而冰的弯曲破坏强度为0.472MPa。显然，这种平台结构型式利于抗冰。APIRP2N（第一版）SECTION4.4.2.B给出弯曲破坏冰力计算公式：
图14-8 储油沉箱拖航布置
中国海洋石油高新技术与实践
式中：RH为作用在锥体上的水平分力；Rv为作用在锥体上的竖向分力；ρw为水的单位质量；σF为冰片的弯曲破坏强度；t为冰片厚度；tR为冰的堆积厚度；D为锥体水线处直径；DT为锥台顶直径；g为重力加速度；
A1、A2、A3、A4、B1和B2由APIRP2N，图14-8给出。
3．温度荷载
在设计中，仅对储油沉箱做了温度应力计算。温度应力计算条件，如表14-5；结构材料特性，如表14-6计算假定，梁单元为两端固定；板单元为周边固定。这种假定是保守的、偏于安全的。
表14-5 沉箱温度应力计算条件（单位：℃）
表14-6 结构材料特性
如此，温度应力计算为：
沉箱内部梁，因温度均匀变化：σ＝αsTEs。
沉箱内部板，因温度均匀变化：σ＝αsTEs/（1-vs）。
沉箱顶部板，平均温度变化△Ta＝（△TB＋ TT）/2；下部与上部温度变化之差△Tb=（TB一△TT）/2；轴向应力σ。＝αsTaEs/(1-vs）；弯曲应力σb=2×3/4αsTbEs。
沉箱底板，储油沉箱底板为钢－混凝土“三明治”结构，其平均温度变化△Ta=（TT＋TB）/2；上部与下部温度变化之差△Tb＝（TT－△TB）/2；轴向应力σa＝αcTaEeq/（1-vc）；弯曲应力σb=2×3/4αc△TbEeq。
沉箱壁，钢－混凝土“三明治”结构，按壳体计算温度应力。平均温度变化△Ta=（△Ti＋To）/2；内部与外部温度变化之差△Tb＝（△Ti－△To）/2；轴向应力σa＝αc△TaEeq/（1-vc）；弯曲应力σb＝αcTbEeq/（1-u。）。
因为没有合适的计算机程序可用，对以上温度应力只能进行手工计算，所得结果与其他工况下计算机程序计算所得结果要进行手工叠加。
三、沉箱建造
1．船坞建造
JZ9-3油田所建三个沉箱（包括桩和隔水导管）的结构用料如表14-7。
表14-7 结构用料
DRPW和DRPE沉箱分别于1993年和1994年在大连造船新厂建造。建造方式是：在场地预制箱体的圆柱体分块、锥台体分块，主隔舱、副隔舱、底板和顶板分块等；在船坞进行组装；箱体建成后，拖出船坞，靠在码头前，从锥台体上预留的浇注孔浇注混凝土；然后湿拖到现场。
2．船台建造
SLPW沉箱于1997年在赤湾盛巴旺场地建造。建造方式是：场地分块预制，在码头滑道上进行组装。箱体建成后，浇注一部分混凝土。然后用滑移方式将沉箱装上潜水驳船（BH308），并拖运到葫芦岛。到达葫芦岛码头前，进行潜水作业，使沉箱下水。随后，灌足混凝土，再湿拖到现场。钢桩的卷制、接长和作标记在葫芦岛船厂进行。
沉箱是用拖航方式湿拖到现场的。到达现场后，用四个抓力锚做初步锚泊。在沉箱顶上设两台绞锚机，每个绞锚机控制两只锚，绞锚机每个滚筒工作荷载为30.0t。沉箱的准确定位，如沉箱中心点位置和沉箱指向都由此锚泊系统完成。
四、成果评价
1．沉箱平台的使用效果
JZ9-3油田投产多年来运行良好，说明沉箱桩基式平台的设计是成功的。沉箱桩基式平台的设计、建造和施工都具有较新的内容和较高的技术含量，体现出当时建设者们具有较强的开拓意识和创新精神。沉箱式平台抗冰性能好，水下储油安全，油轮和工作船系泊方便简单，自然会节省费用，提高油田的生产效益。沉箱的拖航、安装不用浮吊船和驳船，也会节省施工费用。
2．改进和发展
尽管沉箱桩基式平台从方案研究、具体设计到建造、施工都可能有所不足，理论、方法不够成熟，用料不够节省等，但它仍不失为适用于浅海的新的结构型式。对此，应该做全面的分析、总结和研究，在此基础上加以提高和改善，为海洋石油事业建造出更多结构型式的适用平台。
