淺海5.2m水深海上石油儲罐平臺的設計與分析含開題及7張CAD圖

淺海5.2m水深海上石油儲罐平臺的設計與分析含開題及7張CAD圖,淺海,水深,海上,石油,平臺,設計,分析,開題,cad 目 錄 1．設計任務書 ………………………………………………………………………1 2．開題報告 …………………………………………………………………………3 3．進度表 ……………………………………………………………………………8 4．指導教師工作記錄 ………………………………………………………………9 5． 指導教師評閱表…………………………………………………………………10 6． 評閱教師評閱表…………………………………………………………………11 7．答辯記錄和答辯評語表…………………………………………………………12 （ 設計）任務書 論文（設計） 題目 淺海儲罐平臺設計與分析 院（系、中心） 專 業(yè) 年 級 選題來源 科研 課題 縱向課題（ ） 選題類型 理論研究（ ） 橫向課題（ ） 教師自擬課題（√ ） 應用基礎研究（√ ） 學生自擬課題（ ） 技術或工程開發(fā)（ ） 論文（設計）的基本構思和基本任務： 導管架儲罐平臺是我國近海石油開發(fā)中應用廣泛的一種平臺形式。根據(jù)使用要求、環(huán)境條件、地質資料， 利用已學知識設計適合淺海海域油田開發(fā)的小型導管架平臺，要求結構簡易，造價低廉，在環(huán)境載荷作用下動力響應較好，滿足平臺服役期間的相關使用要求。 本次設計的基本任務是： 1） 收集資料及參閱書籍,對儲罐平臺初步了解； 2） 確定環(huán)境條件及平臺主尺度； 3） 學習SACS軟件基本操作； 4） 計算平臺環(huán)境載荷； 5） 利用SACS建立平臺模型； 6） 通過平臺靜力和動力分析； 7） 強度和穩(wěn)定性分析； 8） 計算樁基承載力并進行校核； 9） 利用AUTOCAD繪制圖紙； 10) 完成設計書的編寫。 目前的基礎（包括資料收集情況、前期工作情況等） 1） 儲罐平臺的相關論文； 2） 有關SACS軟件的應用及海洋平臺靜力、動力分析的相關資料； 3） 有關海洋平臺設計和制造的相關規(guī)范； 4） 導管架平臺的主要應用相關資料； 5） 有關海洋平臺安全性分析的相關資料。 論文（設計）進度安排 1. 1周～2周 收集資料，熟悉規(guī)范； 2. 3周 確定環(huán)境條件及平臺主尺度； 3. 4周～5周 學習SACS軟件建模； 4. 6周 平臺環(huán)境載荷計算； 5. 7周～8周 利用SACS建立平臺模型； 6. 9周～10周 進行平臺靜力分析、動力分析； 7. 11周 強度和穩(wěn)定性分析； 8． 12周 計算樁基承載力并進行校核； 9． 13周 利用AUTOCAD繪制圖紙； 10. 14周 完成設計書的編寫。 論文起止時間：自 2009 年 2 月 23 日起 2009 年 6 月 7 日止 學生（簽名）： 指導教師（簽名）： 院（系、中心）負責人（簽名）： 注：表格不夠可另附頁 XXX XXX（設計） 開題報告 題 目_淺海儲罐平臺設計與分析_ 院、 系 專 業(yè) 學生姓名 學 號 指導教師 教務處制表 20XX 年 3 月 18 日 一、選題依據(jù) 課題來源、選題依據(jù)和背景情況；課題研究目的、學術價值或實際應用價值 課題來源：月東區(qū)塊開發(fā)工程A平臺擴建 選題依據(jù)和背景： 隨著社會的發(fā)展和科學技術的進步，人類社會對能源的需求越來越大。陸地上的油氣資源經(jīng)過長時期大規(guī)模的開發(fā)之后已日趨枯竭，油氣勘探與開發(fā)漸漸轉向了資源豐富的海洋，各國對開發(fā)海洋油氣資源的熱情和投資越來越高，海上石油的勘探和開發(fā)得到迅猛發(fā)展。目前世界上己有39個國家(或地區(qū))從事近海石油開發(fā)，22個國家(或地區(qū))從事近海天然氣開發(fā)。 我國海域遼闊，海洋油氣資源儲量豐富，其中渤海，黃海，東海和南海都有大面積的沉積盆地，預測的石油儲量達250億噸，這是我國海上石油天然氣開發(fā)的豐富資源基礎。我國的海上石油勘探開采從1957年便已開始，改革開放以來，我國的海上石油開發(fā)更是進行地如火如荼。 鋼質導管架儲罐平臺是目前使用最廣泛的一種平臺，在使用上布置靈活、周轉期短、效益高，平臺的設計、制造及安裝技術日益成熟，實踐經(jīng)驗多，適用性強。針對淺海海域狀況，導管架平臺設計仍具有廣闊的開發(fā)前景。 課題研究目的及實際價值： 該課題結合月東區(qū)塊A平臺擴建，選擇該海區(qū)的環(huán)境條件和地質資料，進行導管架儲罐平臺設計，符合專業(yè)培養(yǎng)目標，能提高學生的動手能力以及對平臺設計的整體把握性；其次，有成熟的技術支撐，學院相關老師和設計院相關工程師具有豐富的實踐經(jīng)驗，能進行全程指導。對學生綜合運用知識的能力有較高的要求。 二、文獻綜述 國內外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)及查閱參考的主要文獻 國內外海洋石油發(fā)展及導管架平臺的發(fā)展現(xiàn)狀： 目前全世界從事海上油氣勘探開發(fā)的國家和地區(qū)超過100個。隨著海上油氣開發(fā)逐漸向深海推進，傳統(tǒng)的移動平臺(如鉆井平臺，半潛式平臺)由于在海浪作用下，其運動性能難以滿足深水作業(yè)的要求而受到挑戰(zhàn)。固定式導管架平臺和重力式平臺隨水深增加其自重和工程造價大幅度上升，因此不能適應深海油氣開發(fā)的需要。總體說來，目前整個世界的趨勢都是向深海進軍，歐美等國家海洋工程開發(fā)技術較成熟，建造的平臺水深較深，能建造諸如TLP、spar等新型平臺；而國內在該領域內處于起步階段，平臺能達到的水深較淺，在設計、施工等各方面面臨極大的挑戰(zhàn)。海洋工程是未來極具發(fā)展前景的行業(yè)，該行業(yè)的科技含量較高，未來幾年內，一些新技術將不斷涌現(xiàn)，一些難關將一一被攻克。近海導管架平臺作為我國現(xiàn)階段主要的海洋石油開發(fā)工具，其研究還是具有較大的現(xiàn)實意義。 參考文獻 [1] 劉鴻文 .《材料力學》. 高等教育出版社 , 2004.1 [2] 龍馭球、包世華 .《結構力學教程》. 高等教育出版社 , 2001.1 [3] 李治彬 .《海洋工程結構》 . 哈爾濱工程大學出版社 ， 1999.3 [4] 聶武、孫麗萍、李治彬 .《海洋工程鋼結構設計》. 哈爾濱工程大學出版社 ，1994.12 [5] 聶武、劉玉秋 .《海洋工程結構動力分析》 . 哈爾濱工程大學出版社 ，2002.4 [6] 董勝、孔令雙 .《海洋工程環(huán)境概論》. 中國海洋大學出版社 ， 2005.4 [7] SY/T 10030-2004.《海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦做法 工作應力設計法》. 石油工業(yè)出版社，2004 [8] 陸文發(fā)、李林普、高明道. 《近海導管架平臺》.海洋出版社，1992 [9] Z.C.《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》.中華人民共和國船舶檢驗局,1992 [10] ABS.《RULES FOR BUILDING AND CLASSING MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS》. 2006 [11] API RP 2A-WSD．Recommended Practice for Planniog，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-working stress design．21st．2000 [12] SY/T 4904-95.《淺海鋼質固定平臺結構設計與建造技術規(guī)范》.石油工業(yè)出版社，1997 [13] 高靜坤 .《渤海海域冰力載荷的分析與確定》. 中國海上油氣（工程） .2002 三、研究內容 1． 主要研究思路、內容以及擬解決的關鍵問題（或技術） a. 搜集導管架儲罐平臺的相關資料； b. 平臺選型、主尺度和構件尺寸的確定； c. 學習SACS軟件的操作應用 d. 環(huán)境載荷計算及各工況載荷的組合； e. 建立SACS模型進行比較分析； f. 對平臺進行靜、動力強度校核； g. 樁基承載力計算； h. 繪制設計圖紙 關鍵技術：SACS軟件程序的學習使用 2．擬采取的設計依據(jù)、實施方案及可行性分析 依據(jù)SY/T 10030-2004《海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦作法、工作應力設計法》作為設計的主要依據(jù)，參考其他文獻中關于海洋環(huán)境和導管架儲罐平臺設計的描述，結合自己掌握的理論、實踐知識，用繪圖軟件AUTOCAD進行平臺圖樣的繪制，應用SACS軟件進行建模和平臺受力的分析和處理，設計出合乎規(guī)范要求的淺海儲罐平臺。 四、論文（設計）進度安排 起止時間 主要內容 預期目標 第1～2周 第3周 第4～5周 第6周 第7～8周 第9～10周 第11周 第12周 第13周 第14周 資料收集及參閱書籍， 確定環(huán)境條件和平臺主尺度 學習SACS基本操作 計算平臺環(huán)境載荷 利用SACS建立平臺模型 進行平臺靜、動力分析 強度和穩(wěn)定性分析 樁基承載力計算 繪制圖紙 整理論文，準備答辯 了解海洋工程現(xiàn)狀 確定出平臺主尺度 初步掌握SACS的操作 完成平臺環(huán)境載荷計算 建立數(shù)學模型 完成平臺靜、動力分析 完成構件分析 完成樁基承載力計算 完成圖紙繪制校核 形成最終論文 五、審核意見 導師意見 導師簽字: 年 月 日 審核小組意見 審核小組成員簽字： 年 月 日 注：1、表格不夠可加附頁。 2、審核小組應至少由三位具有高級職稱的教師組成；必要時可召集開題報告會。 周次進度計劃及實際進展情況表 學生姓名 院（系、中心） 專業(yè)年級 指導教師姓名 職 稱 工作單位 論文（設計）題目： 淺海儲罐平臺設計與分析 周 次 進 度 計 劃 實際完成情況 第1-2周 資料收集及參閱書籍 收集了豐富的資料，如API規(guī)范、論文、儲罐平臺圖紙等 第3周 確定環(huán)境條件,平臺結構形式和主尺寸 在規(guī)范的指導下，初步確定了平臺的結構形式和主尺寸 第4-5周 學習SACS基本操作 初步掌握SACS軟件的操作 第6周 計算平臺環(huán)境載荷 波、流、風、冰力的計算正確 第7-8周 利用SACS軟件建立平臺模型 初步建立平臺模型 第9-10周 結構靜力分析和動力分析 完成結構的靜、動力分析，對原結構形式進行優(yōu)化 第11周 構件強度和穩(wěn)定性分析 完成良好 第12周 進行樁基承載力計算 計算了軸向和側向承載力，完成良好 第13周 繪制圖紙 完成 第14周 整理論文準備答辯 完成 注：表格不夠，可另加附頁。 學生（簽名）： 指導教師（簽名）： 年 月 日 年 月 日 （設計）指導教師工作記錄 指導教師姓名 職稱 工作單位 學生姓名 院(系、中心) 專業(yè)年級 論文（設計）題目： 淺海儲罐平臺設計與分析 工作期間 具體指導內容 第1周 布置設計任務，確定設計題目，指導接下來要做的工作 第2、3周 布置查閱資料，搜索相關文章，查看規(guī)范，撰寫開題報告,就尺寸和選型的相關問題進行指導 第4周 布置學習SACS軟件，熟悉模型建立的過程及分析 第5周 審閱開題報告，指正其中的不足 第6周 對載荷計算中出現(xiàn)的實際問題提出建議和指導，保證載荷計算的正確性 第7、8、9周 對建模過程中出現(xiàn)的難點問題予以指導和解決，為其提供SACS軟件相關書籍以完成建模和相關計算分析 第10、11周 給出調整平臺尺寸的意見、對平臺的優(yōu)化形式提出意見 第12周 提供土質資料及解釋樁基計算中需要的相關簡化假設，以完成樁基承載力計算 第13周 對設計流程予以系統(tǒng)性的檢查和指導，使其完成設計初稿 第14周 介紹論文整理裝訂及畢業(yè)答辯的注意事項，指導答辯PPT的制作 注：表格不夠，可另加附頁 指導教師（簽名）_________________ 學生（簽名）________________ 年 月 日 年 月 日 指導教師評分標準及評閱表 (理、工、農(nóng)、醫(yī)類專業(yè)用表) 學生姓名 院（系、中心） 專業(yè)年級 論文（設計）題目 淺海儲罐平臺設計與分析 評價項目 評價標準（A級） 滿分 評 分 A B C D E 選題質量 選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標，體現(xiàn)綜合訓練要求；題目具有適當難度，有一定的理論意義或實際意義 20 19-20 17-18 15-16 13-14 ≤12 文獻資料利用能力 能獨立地利用多種方式查閱中外文獻；能正確翻譯外文資料；能正確有效地利用各種文獻資料 10 10 9 8 7 ≤6 實驗研究能力 研究方案設計合理；實驗方法科學；技術路線可行；實驗數(shù)據(jù)可靠；計算正確；理論分析合乎邏輯；動手能力強；能獨立完成研究任務；研究結果客觀真實；能綜合運用所學知識發(fā)現(xiàn)和解決實際問題 20 19-20 17-18 15-16 13-14 ≤12 論文（設計）質量 結構嚴謹，邏輯性強；語言文字表達準確、流暢；格式、圖、表規(guī)范；有一定的學術水平或應用價值 30 28-30 25-27 22-24 19-21 ≤18 創(chuàng)新能力 體現(xiàn)較強的創(chuàng)新意識；應用新理論、新方法，解決新問題；工作有獨到見解或新突破 10 10 9 8 7 6 工作態(tài)度和工作量 工作認真主動；作風扎實嚴謹；工作量飽滿；圓滿完成了任務書所規(guī)定的各項任務 10 10 9 8 7 6 總分 是否同意將該論文（設計）提交答辯：是（ ）否（ ） 具體評閱意見： 指導教師（簽名）________________ 年 月 日 指導教師姓名 職稱或學位 工作單位 主要講授課程/研究方向 楊永春 教授 中國海洋大學工程學院海洋工程系 海洋工程結構動力學、結構檢測技術、工程結構實驗技術 評閱教師評閱標準及評閱意見表 (理、工、農(nóng)、醫(yī)科用表) 學生姓名 院（系、中心） 專業(yè)年級 論文（設計）題目 淺海儲罐平臺設計與分析 評價項目 評價標準（A級） 滿分 評 分 A B C D E 選題質量 選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標，體現(xiàn)綜合訓練要求；題目具有適當難度，有一定的理論意義或實際價值 20 19-20 17-18 15-16 13-14 ≤12 文獻資料利用能力 能獨立地利用多種方式查閱中外文獻；能正確翻譯外文資料；能正確有效地利用各種文獻資料 10 10 9 8 7 ≤6 實驗研究能力 研究方案設計合理；實驗方法科學；技術路線先進可行；理論分析和計算正確；實驗數(shù)據(jù)準確可靠；動手能力強；能獨立完成研究任務；能綜合運用所學知識發(fā)現(xiàn)和解決實際問題 20 19-20 17-18 15-16 13-14 ≤12 論文（設計）質量 論文（設計）結構嚴謹，邏輯性強；語言文字表準確流暢；格式、圖、表規(guī)范；有一定的學術水平或實際價值 30 28-30 25-27 22-24 19-21 ≤18 創(chuàng)新能力 體現(xiàn)較強的創(chuàng)新意識；應用新理論、新方法，解決新問題；工作有獨到見解或新突破 10 10 9 8 7 6 工作量 工作認真主動；作風扎實嚴謹；工作量飽滿；圓滿完成了任務書所規(guī)定的各項任務 10 10 9 8 7 6 總分 是否同意將該論文（設計）提交答辯：是（ ）否（ ） 具體評閱意見： 評閱教師（簽名）________________ 年 月 日 評閱教師姓名 職稱 學歷/學位 工作單位 主要講授課程/研究方向 （設計）答辯記錄及成績評定表 答辯人姓名 院（系、中心） 專業(yè) 年級 論文（設計）題目： 淺海儲罐平臺設計與分析 評價項目 評價標準（A級） 滿分 具 體 評 分 A B C D E 論文（設計）質量 結構嚴謹，邏輯性強；文字表達準確流暢；條理清楚，重點突出；格式、圖、表規(guī)范；具有一定的學術水平或實際價值 50 46-50 41-45 36-40 31-35 ≤30 論文（設計）報告、講解情況 概念清楚，思路清晰；表達準確，重點突出，詳略得當；報告時間符合要求 20 19-20 17-18 -15-16 13-14 ≤12 答辯表現(xiàn) 思維敏捷，語言流暢，回答問題準確，有專業(yè)深度；儀態(tài)端莊，精神風貌好 30 28-30 25-27 22-24 19-21 ≤18 總 分 答辯中提出的主要問題及回答的簡要情況： 答辯日期： 年 月 日 答辯秘書簽字： 答辯委員會評語： 答辯委員會成員（簽名）： 答辯委員會主任（簽名）： 年 月 日 論文（設計）成績評定等級： 院（系）學位委員會主席（簽名）： 年 月 日 14 1 目錄 第一章 前言 ........................................................................................................................................................................6 1.1 國外海洋工程發(fā)展狀況 .......................................................................................................................................6 1.2 我國海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 .......................................................................................................................................7 第二章 設計條件 ................................................................................................................................................................8 2.1 環(huán)境條件 ...............................................................................................................................................................8 2.1.1 水深和潮位 ................................................................................................................................................8 2.1.2 波浪(50 年重現(xiàn)期) ...................................................................................................................................8 2.1.3 海流 .............................................................................................................................................................8 2.1.4 風 ................................................................................................................................................................9 2.1.5 海冰 .............................................................................................................................................................9 2.1.6 海生物 ........................................................................................................................................................9 2.1.7 腐蝕和磨損 ................................................................................................................................................9 2.2 設計標準 ................................................................................................................................................................9 2.4 平臺用鋼材 ..........................................................................................................................................................10 第三章 平臺選型和主尺度 ..............................................................................................................................................11 第四章 設計方法 ..............................................................................................................................................................12 4.1 荷載計算 ..............................................................................................................................................................12 4.1.1 固定荷載 ..................................................................................................................................................12 4.1.2 活荷載 ......................................................................................................................................................12 4.1.3 風荷載 ......................................................................................................................................................12 4.1.4 波浪荷載 ..................................................................................................................................................13 4.1.5 流荷載 ......................................................................................................................................................14 4.1.6 冰荷載 ......................................................................................................................................................14 4.2 允許應力 ..............................................................................................................................................................15 4.3 荷載組合 ..............................................................................................................................................................15 4.4 鋼結構設計 ..........................................................................................................................................................15 4.4.1 概述 ..........................................................................................................................................................15 4.4.2 圓形截面桿件的應力校核 ......................................................................................................................15 2 4.4.3 型鋼桿件的應力校核 ..............................................................................................................................16 4.4.4 管節(jié)點 ......................................................................................................................................................17 第五章 SACS 結構分析軟件的相關說明 .........................................................................................................................18 5.1 概述 .......................................................................................................................................................................18 5.2 程序功能簡介 ......................................................................................................................................................18 5.3 主要特點 ...............................................................................................................................................................19 第六章 平臺整體靜力分析 ..............................................................................................................................................20 6.1 結構分析計算模型 ..............................................................................................................................................20 6.2 靜力分析 ..............................................................................................................................................................22 6.2.1 荷載組合 ..................................................................................................................................................22 6.2.4 節(jié)點的沖剪應力 .......................................................................................................................................32 6.3 靜力分析結論 .....................................................................................................................................................32 第七章 地震動力分析 ......................................................................................................................................................33 7.1 概述 .......................................................................................................................................................................33 7.2 地震質量 ...............................................................................................................................................................33 7.3.1 模態(tài)分析 ..................................................................................................................................................34 7.3.2 地震應力校核 ...........................................................................................................................................38 7.3.3 結構變形 ...................................................................................................................................................39 7.3.4 節(jié)點沖剪應力校核 ...................................................................................................................................40 7.4.2 地震應力校核 ...........................................................................................................................................45 7.4.3 結構變形 ...................................................................................................................................................46 7.5 動力分析結論 .......................................................................................................................................................47 第八章 樁基分析 ................................................................................................................................................................48 8.1 樁基礎的設計方法 ...............................................................................................................................................48 8.2 樁基礎靜力分析 ...................................................................................................................................................48 8.3 樁基分析結論 ......................................................................................................................................................60 總結 ......................................................................................................................................................................................61 附錄 ......................................................................................................................................................................................63 3 第一章 前言 隨著社會的發(fā)展和科學技術的進步，人類社會對能源的需求越來越大。陸地上的油氣資 源經(jīng)過長時期大規(guī)模的開發(fā)之后已日趨枯竭，油氣勘探與開發(fā)漸漸轉向了資源豐富的海洋， 各國對開發(fā)海洋油氣資源的熱情和投資越來越高，海上石油的勘探和開發(fā)得到迅猛發(fā)展。目 前世界上己有 39 個國家(或地區(qū))從事近海石油開發(fā)，22 個國家(或地區(qū))從事近海天然氣開 發(fā)。 我國幅員遼闊，海洋資源豐富，大陸架面積約有 110 萬平方公里，渤海，黃海，東海和 南海的沉積盆地面積較大，天然資源儲量豐富，其中具有油氣勘探價值的面積就在 60 萬平方 公里以上，即一半以上的海域有寶貴的石油。據(jù)相關資料顯示目前已探知的石油儲量可達 250 億噸，為我國海上石油天然氣資源的開發(fā)奠定了良好的基礎。我國的海洋石油勘探開發(fā) 始于 1957 年，改革開放以來，我國的海上石油開發(fā)更是進入了如火如荼的高速發(fā)展期，到 2000 年生產(chǎn)能力已達到 2000 萬噸。目前海洋石油己成為我國重要的原油生產(chǎn)基地。 早期近海油田開采的油氣多通過海底管道輸往陸地油庫，經(jīng)初加工后再由陸地油庫中轉 外輸。隨著海上油田逐漸向遠離海岸的深水發(fā)展以及邊緣井采油的出現(xiàn)，由于在深水海域建 造水下輸油管難以施工，邊緣井產(chǎn)量較小，建造水下輸油管不僅經(jīng)濟上不合算，而且輸油工 藝上也有困難，所以從 60 年代起就出現(xiàn)了海上就地儲油技術儲罐平臺。鋼質導管架儲罐 平臺是目前使用最廣泛的一種儲罐平臺，在使用上布置靈活、周轉期短、效益高，平臺的設 計、制造及安裝技術日益成熟，實踐經(jīng)驗多，適用性強。針對淺海海域狀況，導管架平臺設 計仍具有廣闊的開發(fā)前景。 計算機技術的發(fā)展進步，SACS、MSC/NASTRAN、ANSYS 等各種結構分析軟件的廣泛應用， 為平臺及導管架的設計和強度計算提供了良好的技術支持。其中，由美國 EDI 公司開發(fā)研制 的 SACS(STRUCTURAL ANALYSIS COMPUTER SYSTEM)軟件久負盛名。 該軟件最早起源于航空航 天技術及其程序代碼，已發(fā)展成當今海事結構設計分析中應用最廣泛的軟件系統(tǒng)，目前有超 過 300 家專業(yè)海事結構設計公司采用 SACS 系統(tǒng)。 1.1 國外海洋工程發(fā)展狀況 世界石油開發(fā)的歷史已有 200 多年， 19901995 年間，除美國以外全世界共安裝了 703 座平臺，其中 83 座為半潛式、張力腿式和可移動生產(chǎn)平臺，41 個國家安裝了 370 多座水深 不超過 60m 的淺水平臺。 長期以來，樁基導管架平臺是世界海洋石油生產(chǎn)中采用最廣泛的一種結構。以墨西哥灣 4 海域的平臺發(fā)展為例，1978 年建造的“Cognac”鉆井平臺以極端的颶風載荷控制設計，導管 架分三段建造；1981 年水深 285m 的“Cerveza”平臺則使用更為先進的整體制造，簡化了結 構且成本大大降低。而北海的環(huán)境條件比墨西哥灣還要惡劣很多，海水腐蝕也更為嚴重， 1974 年建造的一座平臺，其導管架所有的樁基在四角上，除主樁腿外周圍又打入數(shù)根環(huán)繞樁， 以增大抗傾覆能力。 目前整個世界的趨勢都是向深海進軍，美國、挪威及英國等歐美國家海洋工程開發(fā)技術 較成熟，建造的平臺水深較深，正在探索綜合利用深水張力腿平臺技術、單圓柱平臺(SPAR) 技術以及桶形基礎技術等開發(fā)出新的平臺形式。 1.2 我國海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 我國第一座固定式導管架平臺是 1966 年 12 月底成功地安裝在渤海灣水深 6m 處油田上。 1986 年 3 月，渤海石油公司平臺制造廠為南海潿 103 油田成功制造了井口導管架平臺，標 志著我國導管架平臺制造已經(jīng)達到了世界先進水平；適合于我國海域的鋼筋混凝土平臺研制 工作也取得了很大進展；大連造船廠 1985 年首次按國際規(guī)范標準建造平臺模塊。這些進展標 志了我國海洋工程技術和近海油氣田開發(fā)已進入海洋開發(fā)新近階段。 雖然我國海洋石油開發(fā)較晚，但近年來通過對外合作，引進國外先進技術，加上自己研 究開發(fā)，已在該領域取得了顯著的進步。通過對深海導管架結構進行簡化，我國在 3 個月之 內成功設計建造了 CB35 井、CB151 井和 CB11A 井平臺，開創(chuàng)了我國淺海石油開發(fā)的歷史起點。 之后的幾年里，導管架工藝不斷得到開發(fā)和改進，在結構上出現(xiàn)單層或雙層平臺，樁腿也發(fā) 展到 3 腿式、4 腿式和 6 腿式等，平臺面積更是從 4 平方米至 400 平方米各盡其能。 本文介紹了淺海 5.2m 水深海上石油儲罐平臺的設計與分析，主要包括以下幾方面內容： 1 學習 SACS 軟件在平臺結構設計過程中的應用； 2 平臺選型、主尺度和構件尺寸的確定； 3 環(huán)境載荷計算及各工況載荷的組合； 4 建立 SACS 模型； 5 對儲罐滿載和空載時的平臺進行靜力、動力強度分析及校核； 6 對儲罐滿載和空載時的樁基承載力計算及校核。 5 第二章 設計條件 2.1 環(huán)境條件 2.1.1 水深和潮位 設計水深 平均水深(黃海平均海平面) 5.20 m 潮位 校核高水位(50 年重現(xiàn)期) 3.69m 設計高水位 2.43m 黃海平均海平面 0.00m 設計低水位 -1.85m 校核低水位(50 年重現(xiàn)期) -3.70m 2.1.2 波浪(50 年重現(xiàn)期) 本海區(qū)以風浪為主，涌浪出現(xiàn)教少。強浪向是 SSW、SW 向，出現(xiàn)的頻率分別是 23.3%、7.5%。 校核高水位最大可能波高 5.2m 對應波浪周期 8.1s 設計高水位最大可能波高 4.6m 對應波浪周期 7.8s 2.1.3 海流 本海區(qū)潮流的運動形式為往復流，漲潮流主流方向為 NE，而落潮流主流方向為 SW 和 W。 漲潮最大實測流速 表層 112cm/s 中層 99cm/s 底層 96cm/s 落潮最大實測流速 表層 117cm/s 中層 108cm/s 底層 99cm/s 6 2.1.4 風 a. 風況 強風向：SSW 向 常風向：NE(f=18%)。 b. 風速 風速參考遼河油田淺海油氣區(qū)海洋環(huán)境資料： 設計風速取 31.6m/s 2.1.5 海冰 設計冰厚(50 年一遇) 0.50 m 抗壓強度 2120 Kpa 流冰速度 1.0 m/s1.1 m/s 2.1.6 海生物 平均海平面以下的構件考慮 7cm 厚的海生物附著。 2.1.7 腐蝕和磨損 飛 濺 區(qū) 的 構 件 腐 蝕 裕 量 考 慮 5mm 飛 濺 區(qū) 定 義 為 標 高 -3.38m 5.50m 冰 接 觸 區(qū) 構 件 磨 損 量 考 慮 1mm 冰 接 觸 區(qū) 為 標 高 -2.35m 2.93m 2.2 設計標準 結 構 設 計 采 用 了 下 列 標 準 : 1) 海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦作法-工作應力設計法 （SY/T 10030- 2004 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準） 2) 淺海鋼質固定平臺結構設計與建造技術規(guī)范 （SY/T4094-95 中華人民共和國石 油天然氣行業(yè)標準） 3) 寒冷條件下結構和海管規(guī)劃、設計和建造的推薦做法 （SY/T10031-2000 中華人 民共和國石油天然氣行業(yè)標準） 4) 灘海石油建設工程安全規(guī)則 （SY 5747-1995 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標 準） 5) 淺海固定平臺建造與檢驗規(guī)范 （2004 中國船級社） 7 6) 海上固定平臺入級與建造規(guī)范 （1992 中國船級社） 7) 海上固定平臺、移動平臺入級與建造規(guī)范補充規(guī)定 （1994 中國船級社） 8) 海上固定平臺安全規(guī)則 （國家經(jīng)貿委 2000） 2.3 地質資料 參考采用月東油田開發(fā)項目平臺安裝及海纜鋪設路由地質勘察項目地質勘察中間報 告 2.4 平臺用鋼材 平臺用鋼 D36，屈服應力為 355Mpa。 2.5 設計壽命 平 臺 設 計 壽 命 為 15 年 ,設 計 時 極 端 環(huán) 境 條 件 采 用 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 的 重 現(xiàn) 期 均 為 50 年 。 8 第三章 平臺選型和主尺度 此 平 臺 包 括 導 管 架 、 樁 、 上 部 組 塊 、 工 作 甲 板 ， 儲 罐 。 平 臺 導 管 架 采 用 四 腿 斜 導 管 架 型 式 ， 導 管 架 4 個 面 的 斜 度 均 為 10： 1； 導 管 架 頂 標 高 5.1m， 底 標 高 -6.3m， 工 作 點 標 高 6.0m； 主 導 管 采 用 153832 鋼 管 ， 成 矩 形 布 置 ； 在 標 高 4.0m， -5.2m 處 設 加 強 段 ， 采 用 157450 鋼 管 ， 在 標 高 4.0m、 -5.2m 處 設 水 平 拉 筋 及 水 平 斜 拉 筋 ， 分 別 采 用 71125 鋼 管 和 61025 鋼 管 、 71125 鋼 管 和 50816 鋼 管 ； 在 管 節(jié) 點 密 集 區(qū) 管 節(jié) 點 加 強 ， 標 高 -5.2m 采 用 1000X40 鋼 管 ， 標 高 4.0m 采 用 71135 鋼 管 ， 在 標 高 4.0m 與 -5.2m 之 間 采 用 K 型 斜 撐 ， 斜 撐 為 70022 鋼 管 ； 導 管 架 上 設 靠 船 構 件 、 并 設 有 登 船 平 臺 等 附 屬 構 件 。 樁 采 用 1372 開 口 變 壁 厚 鋼 管 樁 ， 壁 厚 分 別 為 45、 38、 32、 25mm， 共 4 根 ， 樁 入 泥 均 為 70.0m。 上 部 平 臺 為 兩 層 梁 板 結 構 ， 梁 頂 標 高 12.0m,尺 寸 為 21m23m； 主 梁 采 用 焊 接 H 型 鋼 H1200， 次 梁 采 用 焊 接 H 型 鋼 H700,其 余 采 用 熱 軋 H 型 鋼 HN400、 HN300 和 HM300； 甲 板 滿 鋪 10mm 厚 鋼 板 ； 立 柱 采 用 137238 鋼 管 ， 在 立 柱 管 節(jié) 點 密 集 區(qū) 管 節(jié) 點 加 強 ， 采 用 137255 鋼 管 ， 斜 撐 采 用 70026 和 50016 鋼 管 。 工 作 甲 板 主 梁 采 用 焊 接 H 型 鋼 H400， 其 余 采 用 熱 軋 H 型 鋼 HN300。 儲 罐 為 立 式 圓 柱 形 拱 頂 鋼 罐 ， 容 積 為 2000 m 3。 9 第四章 設計方法 4.1 荷載計算 4.1.1 固定荷載 固定荷載包括結構自重和設備自重等荷載，結構自重包括導管架、樁、上部組塊、儲罐 以及其它附屬結構的自重。水面以下結構構件的浮力也是固定荷載的一部分，由 SACS 系統(tǒng)自 動計算。設備自重根據(jù)工藝總體布置提供的設備布置圖確定，包括設備以及設備支撐的重量。 甲板上部儲罐容量2000 m 3，在計算模型中未建立實體，故采取均布加載的方式，加載 于實際位置所在的甲板上。作用位置如圖4.1.1-1中方框所示。其中罐為滿載時在計算程序中 使用荷載標識 EQU1，ID號為guan-wet，等于20000KN；罐為空載時在計算程序中使用荷載標 識 EQU2，ID號為guan-dry，等于600KN。 圖 4.1.1-1 4.1.2 活荷載 活荷載包括設備中的液體,人員活動等，人員活動荷載考慮2.5kPa。在模型上均布加載于 設備未占區(qū)的甲板單元上。在計算程序中荷載標識為 LIVE。 4.1.3 風荷載 10 作用在結構上的風荷載采用 SY/T 10030-2004 中 2.3.2c 節(jié)中的風力計算公式: F=0.0473V2CsA 4.1.3-1 式中: F風力,N; V風速,km/h; Cs形狀系數(shù); A結構物迎風面積,m 2。 假定風速沿結構物高度不變。極端波浪工況采用 50 年重現(xiàn)期的十分鐘平均風速；極端冰 工況采用 50 年重現(xiàn)期的十分鐘平均風速。形狀系數(shù)的取值按 SY/T 10030-2004 中的規(guī)定確 定： 梁 1.5 建筑物的側面 1.5 圓形截面 0.5 平臺總投影面積 1.0 4.1.4 波浪荷載 導管架平臺是一種桿系結構，計算得到本平臺D/L（桿件直徑/波長）遠小于0.2，故可 按小尺度結構物受波浪力作用來計算。本海區(qū)水深5.2m，采用STOCKS 五階波理論計算。 STOCKS 波假定波動振幅是有限的，邊界條件和連續(xù)條件可以是非線性的級數(shù)形式的函數(shù)，用 有限個簡單的、且頻率成正比的余弦波迭加而成，其水質點運動為圓或橢圓軌跡，軌跡不封 閉有一純位移，其近似解的階數(shù)越高越繁雜。 作 用 在 構 件 上 的 波 浪 力 采 用 Morison 公 式 計 算 。 水 質 點 的 速 度 和 加 速 度 采 用 流 函 數(shù) 理 論 計 算 。 對 于 圓 柱 體 構 件 ， 阻 力 系 數(shù) Cd 和 慣 性 力 系 數(shù) Cm 取 值 如 下 ： Cd0.7 C m=2.0 波浪力的計算公式如下: 4.1.4-1dtUDgWCUgFI 2mdD42 式 中 : F垂 直 構 件 軸 線 方 向 上 的 單 位 長 度 的 水 動 力 矢 量 ,N/m; FD垂 直 構 件 軸 線 方 向 上 的 ,在 構 件 軸 線 和 u 平 面 內 的 單 位 長 度 上 的 阻 力 矢 量 , N/m; 11 FI垂 直 構 件 軸 線 方 向 上 的 ,在 構 件 軸 線 和 du/dt 平 面 內 的 單 位 長 度 上 的 慣 性 力 矢 量 , N/m; Cd阻力系數(shù)，根據(jù) API 建議，對光滑的樁腿取為 0.65，粗糙的樁腿取為 1.05; Cm慣 性 力 系 數(shù) ， 根據(jù) API 建議，對光滑的樁腿取為 1.6，粗糙的樁腿取 為 1.2; 水 的 重 度 ,N/m3; g重 力 加 速 度 ,m/s2; D構 件 的 直 徑 (包 括 海 生 物 附 生 ),m; u垂 直 構 件 軸 線 的 水 質 點 的 速 度 分 矢 量 ,m/s; |u|u 的 絕 對 值 du/dt垂 直 構 件 軸 線 的 水 質 點 的 加 速 度 分 矢 量 ,m/s2。 4.1.5 流荷載 當 流 單 獨 作 用 時 ,其 作 用 在 構 件 上 的 流 荷 載 采 用 SY/T 10030-2004 中 2.3.3c 節(jié) 中 的 計 算 公 式 : 4.1.5-1gVACF/5.02d 式 中 : F作 用 于 結 構 構 件 上 的 流 荷 載 ,N; Cd阻 力 系 數(shù) ; A結 構 構 件 投 影 面 積 ,m2; V流 速 ,m/s; 水 的 重 度 ,N/m3; g重 力 加 速 度 ,m/s2 4.1.6 冰荷載 作 用 于 導 管 架 腿 上 的 冰 力 采 用 SY/T10031-2000 中 的 Korzhavin 公 式 計 算 : 4.1.6-1 式 中 : F作 用 于 導 管 架 上 的 冰 力 ,kN; I嵌 入 系 數(shù) ， 取 1.2; fc接 觸 系 數(shù) ， 取 0.45; Cx冰 的 無 側 限 抗 壓 強 度 ,kN/m2; D冰 接 觸 區(qū) 域 結 構 的 寬 度 或 直 徑 ,m; 12 t冰 的 厚 度 ,m。 考 慮 冰 的 遮 蔽 效 應 ， 遮 蔽 系 數(shù) X、 Y 方 向 0.3， 對 角 線 方 向 0.75、 0.1。 4.2 允許應力 極 端 波 浪 工 況 和 極 端 冰 工 況 的 結 構 構 件 強 度 設 計 時 ,基 本 允 許 應 力 可 增 加 1/3。 對于操作工況，不考慮容許應力放大。 4.3 荷載組合 荷 載 組 合 按 SY/T 10030-2004 中 建 議 的 做 法 進 行 ,平 臺 結 構 設 計 時 應 按 可 能 同 時 作 用 于 平 臺 上 的 最 不 利 荷 載 組 合 進 行 設 計 。 荷 載 設 計 條 件 包 括 固 定 荷 載 和 活 荷 載 ,按 下 面 的 形 式 與 環(huán) 境 荷 載 組 合 : 1） 與 固 定 荷 載 和 相 應 于 與 工 作 環(huán) 境 條 件 相 組 合 的 最 大 活 荷 載 組 合 的 設 計 工 作 環(huán) 境 條 件 。 2） 與 固 定 荷 載 和 相 應 于 與 工 作 環(huán) 境 條 件 相 組 合 的 最 小 活 荷 載 組 合 的 設 計 工 作 環(huán) 境 條 件 。 3） 與 固 定 荷 載 和 相 應 于 與 極 端 環(huán) 境 條 件 相 組 合 的 最 大 活 荷 載 組 合 的 設 計 極 端 環(huán) 境 條 件 。 4） 與 固 定 荷 載 和 相 應 于 與 極 端 環(huán) 境 條 件 相 組 合 的 最 小 活 荷 載 組 合 的 設 計 極 端 環(huán) 境 條 件 。 按 以 上 荷 載 組 合 的 原 則 ， 分 別 考 慮 了 工 作 波 浪 條 件 、 極 端 波 浪 條 件 、 極 端 冰 、 地 震 工 況 等 四 種 組 合 條 件 。 4.4 鋼結構設計 4.4.1 概述 平臺所有結構構件的設計都遵循 SY/T 10030-2004 第三章的規(guī)定，對圓形桿件以及非圓 形截面桿件按規(guī)范要求對其全長范圍內各點都進行了強度校核。 4.4.2 圓形截面桿件的應力校核 軸向壓縮和彎曲的組合 對承受軸向壓縮和彎曲聯(lián)合作用的圓形構件，在其全長的各點上均應滿足以下方面的要求： 13 4.4.2-1 4.4.2-2 當 fa/Fa0.15 時，可采用下式代替上述兩式： 4.4.2-3 式中：f a軸向平均壓應力，Pa; fbx,fby沿 X 軸及 Y 軸的彎曲應力, Pa; Fa允許壓應力，當 D/t60 時，由式 4.4.2- 5 確定, Pa; Fb允許彎曲應力, Pa; Fe允許歐拉應力, Pa; Cm折減系數(shù)。 4.4.2-4 4.4.2-5 式中: F基本允許應力,Pa; k局部穩(wěn)定系數(shù); 整體穩(wěn)定系數(shù)。 4.4.3 型鋼桿件的應力校核 承受壓縮和彎曲聯(lián)合作用的桿件,在其全長各點上都應滿足下式的要求: 0111. bzazmzbyamya FfCFfCFf 式中: 14 如果 fa/Fa0.15,則由下式計算: 對于承受軸向拉伸和彎曲聯(lián)合作用的桿件,在其全長各點上都應滿足下式要求: 4.4.4 管節(jié)點 管節(jié)點沖剪應力的校核遵循 SY/T 10030-2004 的規(guī)定,沖剪應力由下式計算: 式中: Vp支管中由軸向力、平面內彎矩和平面外彎矩產(chǎn)生的應力,Mpa; t/T; t支管壁厚; T弦管壁厚; 支管角度。 弦管允許沖剪應力在 AISC 的允許剪應力或下式中的計算值取較小者: 式中: Qq荷載和幾何效應系數(shù),按 SY/T 10030-2004 第四章中表 4.3.1-1 取值; Qf弦管的軸向力系數(shù); Fy桿件的屈服強度,Mpa。 式中: =0.03 對于支管軸向應力; =0.045 對于支管平面內彎曲應力; =0.021 對于支管平面外彎曲應力。 式中: f AX,fIPB,fOPB分別為弦管內的名義軸向應力,平面內彎曲應力和平面外彎曲應力。 支管中有軸向應力和彎曲應力相組合時,應滿足下列相互作用方程: 15 16 第五章 SACS 結構分析軟件的相關說明 5.1 概述 在 本 設 計 中 ,所 有 結 構 分 析 工 作 都 使 用 由 美 國 EDI 公 司 開 發(fā) 研 制 的 SACS(STRUCTURAL ANALYSIS COMPUTER SYSTEM)軟 件 Ver5.2 版 進 行 ,SACS 程 序 是 專 用 于 海 洋 結 構 工 程 的 靜 動 力 分 析 系 統(tǒng) 。 該 系 統(tǒng) 功 能 齊 全 ,方 法 先 進 ,便 于 使 用 ,是 國 際 上 比 較 先 進 的 被 普 遍 使 用 的 海 工 結 構 分 析 程 序 。 5.2 程序功能簡介 本 設 計 采 用 的 SACS 程 序 具 有 比 較 完 整 的 功 能 ,以 下 僅 簡 單 介 紹 用 于 本 設 計 的 一 些 功 能 。 1.單 元 庫 SACS 程 序 具 有 比 較 豐 富 的 單 元 庫 ， 除 了 一 般 通 用 軟 件 所 具 有 的 梁 、 板 、 殼 和 三 維 固 體 元 以 外 ， 還 包 括 一 些 海 工 結 構 中 一 些 特 殊 的 單 元 。 2.前 處 理 功 能 SACS 程 序 具 有 比 較 先 進 的 結 構 模 型 自 動 生 成 功 能 ， 它 可 以 采 用 交 互 圖 形 方 式 形 成 結 構 的 有 限 元 模 型 ， 同 時 可 以 方 便 地 輸 入 各 種 類 型 的 荷 載 并 交 互 修 改 模 型 。 3.環(huán) 境 荷 載 計 算 該 程 序 具 有 完 整 的 環(huán) 境 荷 載 計 算 功 能 ， 程 序 可 以 自 動 計 算 由 于 風 、 浪 和 流 等 環(huán) 境 條 件 引 起 的 作 用 于 桿 件 上 的 荷 載 。 在 計 算 波 浪 荷 載 時 程 序 可 以 有 Airy 波 理 論 ， STOKS 五 階 波 理 論 以 及 流 函 數(shù) 理 論 供 以 計 算 水 質 點 的 速 度 和 加 速 度 。 4.結 構 靜 動 力 分 析 程 序 采 用 有 限 元 方 法 對 結 構 進 行 靜 力 分 析 以 及 動 力 分 析 。 靜 力 分 析 的 結 果 可 用 于 桿 件 強 度 設 計 ， 動 力 分 析 的 結 果 作 為 動 力 響 應 分 析 的 基 礎 。 5.動 力 響 應 分 析 功 能 程 序 可 以 進 行 結 構 在 波 浪 、 地 震 以 及 海 冰 作 用 下 的 動 力 響 應 分 析 ， 程 序 同 時 可 以 進 行 時 域 或 頻 域 的 動 力 分 析 。 在 地 震 分 析 時 可 以 采 用 響 應 譜 分 析 。 6.后 處 理 功 能 程 序 具 有 相 當 豐 富 的 后 處 理 功 能 ， 它 可 以 依 據(jù) 不 同 的 規(guī) 范 對 單 元 截 面 上 的 各 點 進 行 應 力 校 核 并 可 對 構 件 進 行 重 新 設 計 。 圖 形 功 能 可 以 方 便 地 繪 制 結 構 的 模 型 圖 、 變 形 圖 以 及 結 構 的 振 型 圖 。 17 7.沖 剪 分 析 和 節(jié) 點 設 計 功 能 程 序 可 以 根 據(jù) 不 同 的 規(guī) 范 對 管 節(jié) 點 進 行 設 計 和 強 度 校 核 ， 同 時 程 序 還 根 據(jù) 規(guī) 范 對 管 節(jié) 點 的 構 造 進 行 設 計 。 程 序 最 終 可 給 出 管 節(jié) 點 的 設 計 結 果 和 沖 剪 應 力 校 核 的 結 果 。 5.3 主要特點 1. 圖形化用戶界面 全 3D 圖形化交互界面；梁、板和殼體單元建模；自動進行偏移動作；智能化編輯器 MDI 可以識別任何不滿足要求的輸入，并且它包含的文件向導功能可以使得建模輸入更為快捷方 便；內置美國、英國、德國以及日本等國家級組織的鋼架結構資料庫。 2. 導管架安裝和運輸 三維滑移裝船的時程分析；導管架漂浮和下水扶正分析, 包括生成重力，浮力，起吊力 和浮箱浮力；滑移裝船、運輸?shù)膽T性力, 以及扶正荷載的生成。 3. 環(huán)境載荷設定 專業(yè)、方便的波浪、重力、浮力、風力等載荷的設置；完全執(zhí)行美國石油組織（API）第 20 版環(huán)境載荷規(guī)定；包含 5 種波浪理論以及完善的流體靜力學、動力學分析能力； 通過 WAMIT 和 MORA 程序模塊，提供波浪繞射等淺水變形的生成。 4. 靜力學分析 梁單元、板殼單元、實體元以及非線性縫隙單元；混凝土單元，包括雙向加強筋混凝土； 加強筋以及加強盒段分析；支持彈簧元和超單元分析；支持梁結構熱載荷分析。 5. 動態(tài)分析 地震波普與響應歷程分析；定常與隨機海浪動態(tài)沖擊響應分析；強風作用下結構動態(tài)分 析與疲勞分析 ；固有和強迫振動分析。 6. 非線性塑性分析 非線性塑性失效以及大變形分析；支持材料硬化以及連接變形分析；可用于結構的最大 極限強度確定以及安全性評估；樁的疲勞分析。 18 第六章 平臺整體靜力分析 6.1 結構分析計算模型 在結構總體分析中按照空間三維結構進行模擬，導管架、樁、上部組塊模擬成空間剛架， 在總體分析中采用一個整體模型，其中上部甲板的鋪板采用板單元進行模擬，節(jié)點按剛性節(jié) 點處理，導管架與樁之間的環(huán)形空間灌注水泥漿，采用灌漿腿模型。樁基礎在進行靜力計算 時，考慮了其非線性的樁土共同工作。在地震計算時，把樁土系統(tǒng)凝聚成一線性超單元。 應用SACS軟件建模時，重點考慮的問題有： 1. 導管架與樁腿灌漿結合。（1）設置為“grouted leg”(灌漿樁腿)模型。（2）在導 管