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埕島油田導(dǎo)管架平臺(tái)抗震安全性能分析與研究

文檔作者：巴建彬，王振法，胡付軍，楊冬平，支景波文檔來源：中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年02月22日
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★ 石油化工安全環(huán)保技術(shù)★
2013年第29卷第3期PETROCHEMI CAL SAFETYANDENVI RONMENTAL PROTECTIONTECHNOLOGY
埕島油田導(dǎo)管架平臺(tái)抗震安全性能分析與研究
巴建彬，王振法，胡付軍，楊冬平，支景波
( 中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東東營257062)
摘要：為保證超期服役海上采油平臺(tái)的地震安全，通過對(duì)勝利埕島油田海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)
構(gòu)件、導(dǎo)管架焊縫、樁腿海生物、樁基沖刷、防腐系統(tǒng)、平臺(tái)標(biāo)高和傾斜度，以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)
特性方面的檢測(cè)，結(jié)合平臺(tái)建造竣工圖紙和海洋工程地質(zhì)調(diào)查資料，建立起平臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限
元分析系統(tǒng)模型，按8度地震烈度對(duì)平臺(tái)進(jìn)行地震反應(yīng)分析，根據(jù)API RP2A規(guī)范進(jìn)行平臺(tái)結(jié)
構(gòu)強(qiáng)度校核。某平臺(tái)校核結(jié)果表明，平臺(tái)結(jié)構(gòu)在地震載荷作用下的安全系數(shù)較高，可以滿足
抗震要求。
關(guān)鍵詞：海上導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗震安全地震反應(yīng)分析
目前，勝利海上油田已有各類采油平臺(tái)102
座，其中有32座平臺(tái)的服役時(shí)間已達(dá)到設(shè)計(jì)使用
壽命。為了相關(guān)區(qū)域油氣的繼續(xù)開發(fā)，需要這些
老齡平臺(tái)繼續(xù)超期服役¨引。由于長期受到風(fēng)、
浪、流、冰及地震的作用，這些需要超期服役的
海洋平臺(tái)極易出現(xiàn)材料腐蝕、疲勞裂紋擴(kuò)展、樁
基沖刷、局部結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重等現(xiàn)象。其結(jié)果將導(dǎo)
致平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體抗力衰減而影響超期服役的安全
性能。為保證后繼服役的安全性，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)
進(jìn)行抗震性能安全評(píng)估。
對(duì)海洋平臺(tái)抗震安全的評(píng)估一般都是針對(duì)新
設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行的，較少考慮平臺(tái)進(jìn)入老齡化或超
期服役階段的地震安全H‘71。而我國東海、渤海
和南海各油田所處位置均為地震多發(fā)地帶舊J，對(duì)
這些超過設(shè)計(jì)使用周期的海洋平臺(tái)進(jìn)行抗震能力
評(píng)估，具有重要的工程價(jià)值。
1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗震研究進(jìn)展
1．1國外研究進(jìn)展
國外海洋結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)研究始于上個(gè)世
紀(jì)70年代。當(dāng)時(shí)，主要是針對(duì)水中構(gòu)筑物的地震
反應(yīng)分析，以及水的存在對(duì)其反應(yīng)大小的影響的
評(píng)價(jià)。對(duì)導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)的地震反應(yīng)分析，后
來發(fā)展到了計(jì)算三維平臺(tái)結(jié)構(gòu)，并考慮結(jié)構(gòu)與基
礎(chǔ)的相互作用以及疲勞破壞的影響；也有學(xué)者將
整個(gè)平臺(tái)等效為彎剪型的串聯(lián)多自由度體系，以
一系列阻尼器和彈簧來考慮樁一土的相互作用；
日本學(xué)者在分析同時(shí)受到地震和波浪作用的導(dǎo)管
架海洋平臺(tái)的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)，重點(diǎn)考慮了土一結(jié)構(gòu)
相互作用和非線性動(dòng)水阻尼的影響；荷蘭學(xué)者對(duì)
波浪和地震載荷聯(lián)合作用下海洋結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行
了譜分析；美國有的學(xué)者針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)實(shí)體模
型，比較了API和ISO抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，總結(jié)了反
應(yīng)譜法的新特性。
1．2國內(nèi)研究進(jìn)展
國內(nèi)在這方面的研究工作起步較晚，主要研
究內(nèi)容有：采用堆聚質(zhì)量法對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行
地震反應(yīng)分析；通過自由度凝聚方法，采用反應(yīng)
譜方法分析海洋導(dǎo)管架式固定平臺(tái)的動(dòng)力特性及
其地震響應(yīng)；對(duì)水中任意空間桿系結(jié)構(gòu)的隨機(jī)地
震反應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究，研究水中結(jié)構(gòu)在隨機(jī)地震
反應(yīng)分析中存在的某些規(guī)律；研究計(jì)算三維平臺(tái)
結(jié)構(gòu)在單向隨機(jī)波浪力、地震力與波浪力聯(lián)合作
用以及地震力、風(fēng)與波浪聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)的隨機(jī)
反應(yīng)；對(duì)波浪和地震作用下海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)物隨機(jī)
收稿日期：2012—11—16。
作者簡介：巴建彬，男，2008年畢業(yè)于中國地質(zhì)大
學(xué)(武漢) 安全工程專業(yè)，主要從事安全管理與HSE
監(jiān)督工作，工程師。E—mai l ：z hi j i ngbo．s l yt@si n—
opec·t om
—— 2013年第29卷第3期
動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究；用直接積分方法和模態(tài)疊加
方法分析計(jì)算波浪載荷作用下由于樁基導(dǎo)致海洋
平臺(tái)結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力響應(yīng)；把結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的時(shí)
程分析與驗(yàn)算點(diǎn)法相結(jié)合，對(duì)剪切型結(jié)構(gòu)進(jìn)行地
震全過程可靠性分析；利用結(jié)構(gòu)特性時(shí)變分析方
法考慮結(jié)構(gòu)破壞階段狀態(tài)，引入安全裕度系數(shù)的
概念。
2平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)及建模
2．1三腿導(dǎo)管架平臺(tái)簡介
下面以埕島油田某三腿導(dǎo)管架平臺(tái)為例，詳
細(xì)分析該類型平臺(tái)的抗震能力。該平臺(tái)為簡易固
定式采油平臺(tái)，無人值守。平臺(tái)具有50年一遇海
況和一定的抗冰能力，按8度地震烈度設(shè)計(jì)?？?
工日期為1997年8月，設(shè)計(jì)使用年限15年。
平臺(tái)由基礎(chǔ)部分和上部平臺(tái)兩部分組成?；?
礎(chǔ)部分由導(dǎo)管架和樁兩部分組成。導(dǎo)管架采用三
腿導(dǎo)管架形式，主導(dǎo)管采用01 344×26鋼管，
成等腰三角形布置。導(dǎo)管架頂標(biāo)高4．0 m，低標(biāo)
高一12．0 m，在標(biāo)高2 6 m、一3．0 m及一l o．5 m
處設(shè)三層水平拉筋，在水下兩層水平筋間設(shè)豎向
拉筋，在靠船側(cè)的兩根主導(dǎo)管上設(shè)靠船構(gòu)件，在
標(biāo)高2．6 m處設(shè)登船平臺(tái)。樁采用直徑1．2 m的
開口變壁厚鋼管樁，樁頂標(biāo)高4．4 m，樁人土30
m，樁壁厚26姍。見圖1一圖3。
圖1平臺(tái)整體外觀
Z2平臺(tái)檢測(cè)情況
評(píng)估平臺(tái)在就位時(shí)向靠船一側(cè)傾斜。服役期
間經(jīng)過改造，在樁腿與一附屬獨(dú)立樁( 獨(dú)立樁傾
斜) 之間增設(shè)了2根水平拉筋；導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)表
面涂層良好，導(dǎo)管架與上部組塊立柱連接焊縫樁
管涂層差；水下結(jié)構(gòu)表面長滿海生物，最大厚度
圖2平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部狀態(tài)
C
圖3平臺(tái)樁基沖刷
約20 cm，平均厚度約10 cm，覆蓋率約90％，平
臺(tái)陽極塊脫落13塊；以導(dǎo)管架底層桿件下沿為參
考，沖刷深度約2．8—2．9 111 。
五3平臺(tái)結(jié)構(gòu)建模情況
考慮到平臺(tái)五年后的服役狀態(tài)，根據(jù)規(guī)范相
關(guān)要求一，101，全浸區(qū)的腐蝕裕量取1／3 mm，飛濺
區(qū)結(jié)構(gòu)的腐蝕裕量取5／3 I Tl I n，冰作用區(qū)的桿件取
冰磨蝕裕量0．5 mm，此外冰作用區(qū)要考慮腐蝕裕
量的疊加。依據(jù)平臺(tái)竣工圖紙、檢測(cè)資料、現(xiàn)場(chǎng)
勘查結(jié)果，考慮平臺(tái)服役過程造成的腐蝕減薄、
樁基沖刷、海生物附著等損傷，根據(jù)相關(guān)規(guī)范取
相應(yīng)的腐蝕裕量、冰磨蝕裕量，建立延壽平臺(tái)結(jié)
構(gòu)評(píng)估模型，見圖4。平臺(tái)結(jié)構(gòu)管柱單元的截面
尺寸見表1。
按照現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查得到的土壤特性資料，分
別計(jì)算樁基結(jié)構(gòu)樁側(cè)極限土抗力、單位樁端承載
力以及樁側(cè)摩阻力， 此計(jì)算相應(yīng)位置的T．z，
Q- z以及P- Y ¨1| ，確定平臺(tái)所在海域土壤中
圖4平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型
圖5樁·土非線性模型
a第1階段h第2階段r 第3階段d第4階段
圈6平臺(tái)的前4階模態(tài)撮型
樁在軸向、樁端以及橫向受到的土壤約束力與深
度的關(guān)系。圖5為建立的平臺(tái)樁一土非線性系統(tǒng)
的有限元模型。
表1 平臺(tái)管柱單元主要截面參數(shù)
壁厚／ 壁厚／
序號(hào)類型位置說明序號(hào)類型位置說明
mm
1 24．47 全浸區(qū)13 撐18．10 飛濺區(qū)
2 23．23 飛濺區(qū)14 桿19．30 大氣區(qū)
3 22．63 冰磨蝕區(qū)15 25．40 導(dǎo)管架包裹
樁
4 24．50 大氣區(qū)16 25．30 腿 泥下樁腿
5 20．47 全浸區(qū)17 25．oo 大氣區(qū)
6 導(dǎo)19．13 飛濺區(qū)18 22．70 全浸區(qū)
管
7 架I&amp;amp;63 冰磨蝕區(qū)19 21．10 飛濺區(qū)
8 20．30 大氣區(qū)20 靠20．60 冰磨蝕區(qū)
船
9 19．17 全浸區(qū)2l 排18．70 全浸區(qū)
l lO 17．43 飛濺區(qū)22 17．20 飛濺區(qū)
111 16．70 冰磨蝕區(qū)23 16．70 冰磨蝕區(qū)
112 19．10 大氣區(qū)
3抗震安全性能分析
3．1結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
模態(tài)分析是地震反應(yīng)譜分析的基礎(chǔ)。通過模
態(tài)分析方法可以確定結(jié)構(gòu)的各階固有頻率及其振
型，進(jìn)而可確定結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍
內(nèi)各階主要模態(tài)特性，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)各種
振源作用下可能的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)【l 2| 。為了進(jìn)行地
震反應(yīng)譜分析，模態(tài)分析時(shí)需要計(jì)算出結(jié)構(gòu)相應(yīng)
的頻率和振型。表2為模態(tài)分析時(shí)得到的平臺(tái)前
10階頻率。
表2平臺(tái)前10階模態(tài)頻率
階數(shù)l 2 3 4 5
頻率- ／Hz 3．07】3．199 3．838 5．9】5 6．7 84
階數(shù)6 7 8 9 l O
頻率- ／Hz 8．723 9．437 10．04 3 10．37 3 11．83 7
3．2主要地震載荷
根據(jù)平臺(tái)的質(zhì)量分布，按多質(zhì)點(diǎn)體系計(jì)算地
震慣性力，平臺(tái)質(zhì)點(diǎn)心i ，j 振型的水平向地震慣
性力畫可按下式：
^=CK日r j 妒#島豫g ( 1)
，，：：『=2Σ己妒妒##職mig／(ΣI二妒' dni g、) (I z2))
式中：o——結(jié)構(gòu)．『振型參與系；
妒?！苏裥唾|(zhì)量i 點(diǎn)處的相對(duì)水平位移；
‘×o一 L≯j一
孽?！昂量Ｍ醴瑝緅 j 暴篡，毒搿
島—1振型白振周期為巧( s ) 時(shí)的相應(yīng)的
動(dòng)力放大系數(shù)；
弧——聚積在質(zhì)點(diǎn)i 的質(zhì)量。
任意方向細(xì)長構(gòu)件水下部分受到的地震動(dòng)水
壓力P如下式：
P=cry( c- 一1) 吁s i n2妒( i ，Z) ( 3)
式中：C誓——慣性力系數(shù)，圓形光滑斷面可取
1．6，粗糙斷面取1．2；
V——浸水部分的構(gòu)件體積，m3； r流體的容重， N／ m3；
吼——地震的震動(dòng)方向i 與構(gòu)件j 之間的
夾角。t ado
3．3地震反應(yīng)譜分析
對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)最不利的主軸方向取載荷的
100％，對(duì)與此主軸相垂直的水平方向取70％，
對(duì)與水平面垂直的方向取50％，用這三個(gè)方向地
震引起的慣性力與固定載荷和相應(yīng)的活載荷進(jìn)行
組合，同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震
反應(yīng)譜分析。
根據(jù)所在海域的設(shè)計(jì)地震載荷條件—按地震
烈度8度對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析，其中地
震反應(yīng)譜根據(jù)規(guī)范提供的計(jì)算方法由地震烈度確
定。平臺(tái)所在海域場(chǎng)地土為地Ⅱ類場(chǎng)地土，由圖
7可以得到動(dòng)力放大系數(shù)13與周期T的關(guān)系。
0．20．3 0．7 1．0 1．5 3．5喇
圈7地震反應(yīng)譜曲線
對(duì)平臺(tái)按8度地震烈度進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析，
根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。評(píng)估的結(jié)果
為：1)在地震載荷作用下，平臺(tái)最大總位移為
4．096 cm，最大位移出現(xiàn)在平臺(tái)上部甲板；2) 在
地震載荷作用下，上部平臺(tái)梁格結(jié)構(gòu)的最大名義
應(yīng)力為93．6 MPa( UC=0．39) ，平臺(tái)上部板應(yīng)
力較小，最大應(yīng)力為36．9 MPa( UC．=o．15) ，
下部結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架應(yīng)力最大，為86．9 hⅡh(U C．=
0．27) ，導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力最大。為12．7 MPa
!Q! ! ±笙望查笙! 塑
(U．C．=0．059) 。
從校核結(jié)果可以看出，平臺(tái)結(jié)構(gòu)在地震載荷
作用下安全系數(shù)較高，可以滿足8度地震烈度的
強(qiáng)度要求。計(jì)算得到的平臺(tái)結(jié)構(gòu)在地震作用下的
位移響應(yīng)與等效應(yīng)力分布如圖8所示。
一磊一。翼
圖8地震評(píng)估的平臺(tái)位移與應(yīng)力響應(yīng)
4結(jié)論
1) 以埕島油田三腿導(dǎo)管架為例，基于勝利海
上油田某平臺(tái)的竣工圖紙、結(jié)構(gòu)檢測(cè)等資料，考
慮平臺(tái)繼續(xù)服役的腐蝕裕量，以平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷檢
測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型，考慮平臺(tái)的樁
基沖刷和地質(zhì)勘查資料，建立平臺(tái)的樁一土交互
作用系統(tǒng)，采用反應(yīng)譜分析法進(jìn)行平臺(tái)的抗震
分析。
2)根據(jù)API RP 2A規(guī)范進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗震強(qiáng)
度校核。從校核結(jié)果可以看出，在地震載荷作用
下該類型的平臺(tái)結(jié)構(gòu)最大位移為4．096 em，上部
平臺(tái)梁格結(jié)構(gòu)的U．C．=0．39，平臺(tái)上部板
U．C．=o．15，下部結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架UC．=0．27，導(dǎo)
管架節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力UC．=o．059；平臺(tái)的安全系
數(shù)較高，可以滿足8度地震烈度的抗震要求。
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( 上接第9頁)
進(jìn)行有關(guān)安全事項(xiàng)交底，詳細(xì)介紹施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)
境、地下工程等與項(xiàng)目實(shí)施有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)情況，必
須讓所有施工作業(yè)人員熟知作業(yè)區(qū)域的危險(xiǎn)源，
以及如何避免風(fēng)險(xiǎn)，了解各種安全消防設(shè)施的位
置并掌握使用方法。教育培訓(xùn)后要嚴(yán)格進(jìn)行考
核，不符合要求的堅(jiān)決不允許入廠。
3．4 強(qiáng)化對(duì)施工作業(yè)全過程安全監(jiān)督管理
施工作業(yè)前，針對(duì)施工項(xiàng)目必須嚴(yán)格進(jìn)行工
作前安全分析，認(rèn)真進(jìn)行作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)
價(jià)，切實(shí)落實(shí)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)削減措施，編制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
報(bào)告和施工方案，經(jīng)業(yè)主工程、設(shè)備、安全等部
門審查合格后方可作業(yè)，作業(yè)期間要嚴(yán)格執(zhí)行各
項(xiàng)安全規(guī)定；臨時(shí)用電、破土、工業(yè)用火、受限
空間作業(yè)、高處作業(yè)、機(jī)動(dòng)車進(jìn)入裝置、日常設(shè)
備維護(hù)等作業(yè)前要嚴(yán)格辦理相關(guān)作業(yè)票，落實(shí)安
全防范措施；作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備具備基本救護(hù)技
能、應(yīng)急處理能力、能履行監(jiān)護(hù)職責(zé)的監(jiān)護(hù)或指
揮人員，不得擅自脫崗；施工危險(xiǎn)區(qū)域要設(shè)置醒
目的警示標(biāo)志；整個(gè)施工作業(yè)過程要科學(xué)合理安
排工期，做到施工作業(yè)不趕工期，不安全不施
工。在此期間，業(yè)主單位相關(guān)職能部門及屬地單
位要按照專業(yè)管理和屬地管理的要求，履行直線
責(zé)任和屬地管理的職責(zé)，對(duì)承包商施工作業(yè)全過
程實(shí)施安全監(jiān)管，對(duì)發(fā)現(xiàn)的各類問題要及時(shí)予以
糾正。
3．5強(qiáng)化對(duì)承包商的考核管理
為確保承包商自覺安全文明施工，企業(yè)應(yīng)當(dāng)
建立承包商業(yè)績考核制度，制訂承包商業(yè)績考核
辦法，引入獎(jiǎng)懲制度和承包商安全風(fēng)險(xiǎn)抵押金等
管理制度。在日常管理中要將承包商的安全管理
作為業(yè)主單位的安全管理來抓，將承包商的事故
當(dāng)作業(yè)主單位的事故來處理。業(yè)主單位應(yīng)定期記
錄和檢查承包商的HSE表現(xiàn)，并根據(jù)日常的監(jiān)
管情況，對(duì)承包商進(jìn)行考核，并建立承包商安
全生產(chǎn)考核臺(tái)賬。所有違章及事故損失賠償將
從承包商安全風(fēng)險(xiǎn)抵押金中扣除，同時(shí)對(duì)于業(yè)
績優(yōu)良的承包商予以獎(jiǎng)勵(lì)。要將承包商的不安
全行為記錄在案，并作為下批工程準(zhǔn)入資格的
參考依據(jù)。
4 結(jié)語
承包商的安全管理是企業(yè)安全生產(chǎn)管理的重
要環(huán)節(jié)，其工作成效直接影響到企業(yè)的聲譽(yù)和業(yè)
績。加強(qiáng)承包商管理，既是化工企業(yè)搞好安全生
產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需要，也是生產(chǎn)經(jīng)營單位的法律責(zé)任。
化工企業(yè)只有強(qiáng)化措施，切實(shí)加強(qiáng)對(duì)承包商的安
全管理，才能確保承包商施工作業(yè)安全，實(shí)現(xiàn)安
全生產(chǎn)。
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