王春霞，李亚菲，王战勇



固定式海洋平台底层甲板高度计算方法

王春霞，李亚菲，王战勇

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

依据API RP 2A-WSD、ISO 19902-2007、海上固定平台安全规则以及壳牌DEP标准的推荐做法，总结了依据海洋环境条件确定固定式海洋平台底层甲板高度的准则和计算方法。对设计重现期、潮汐、空气间隙、最大波峰高程等参数的定义、选取、计算方法进行了描述。结合具体工程实例的环境参数，详细说明了各参数计算过程，为总体设计中底层甲板高度的估算或精确计算提供参考。

甲板高度；最大波峰高程；重现期；空气间隙

海上油田的生产一般以固定设施为基地。固定设施是指建立在海上的固定建筑物。固定设施的工作年限较长，在使用期内不能移动，所以固定设施的安全性和可靠性非常重要，它要承受在使用期内改海域可能出现的最大环境载荷，而且要在最恶劣的环境条件下能够生存和继续工作，否则将造成严重的人员伤亡、设备损失、油田停产、与环境污染等危害事件。海上固定平台设施有各种各样，按其结构形式可分为桩基式平台、重力式平台、人工岛、和顺应塔石平台；按其用途可分为井口平台、生产处理平台等。桩基式固定设施一般指桩基式固定平台，通常为钢制固定平台，是目前海上油气生产中应用最多的一种机构形式，主要由三大部分组成：导管架、桩、和甲板组块[1]。

甲板高程是平台规划中非常重要的尺度，它对决定支撑结构的轮廓尺度有重要影响。在波浪冲击平台下甲板和设备时，将产生大的作用力和倾覆力矩， 因此甲板高程应提供在设计波浪波峰以上有主够的间距，平台已被设计成能抵抗这些力的除外。另外，应考虑提供一个空气间隙，以容许大于设计波的波浪通过。

1 底层甲板高度设计准则

目前海洋石油工程界计算固定海洋平台底层甲板高度是基于的API RP 2A-WSD[4]的推荐做法，一般应该采用100年重现期的指导性波高，以及合适的波浪理论及波陡计算出风暴水位以上的波峰高程，包括指导性风暴潮在内。考虑到不可预见的平台沉降、水深的不确定性及极端波浪的可能性，为了避免波浪冲击甲板，在确定底层甲板梁的最小标高时，应在波峰高程之上增加至少1.5 m的安全裕量或空气间隙。

常规的国内项目一般按照海上固定平台安全规则[3]的要求进行设计，对最下层甲板高程的设计要求是保证平台最下层甲板处于设计环境条件时潮汐与波浪最不利情况下的最大波峰高程以上，并留有至少1.5 m的间隙。

ISO 19902-2007[5]规定在设计波峰高度和甲板最低点（梁、设备、固定设施）之间要留有安全间隙或空气间隙，从而异常波峰不会对甲板造成冲击，如果甲板高度不够，波浪的作用力完全控制着结构的稳定性。选择的甲板高度要使波浪作用的频率与结构的目标失效率一致。

对于甲板高度的计算ISO 19902-2007[5]给出两种推荐做法。第一种方法是在有足够准确全面的海洋气象参数时，利用获得的长期表面高度数据和稳定性条件，采用合理的推理过程得出各种不同层次的组合，来预测相对于甲板的最大表面高度。这种情况下，得出是接近结构目标失效率的高度值，从而不需要增加额外的空气间隙。但是对于这种方法，ISO 没有给出具体的计算理论和公式。

第二种方法是在没有准确全面的环境参数时，根据经验和判断，采用下面的公式（1）或（2）估算平均海平面高度以上的甲板高度。

假设异常波浪高峰和风浪涌不同时出现，即不考虑风浪涌的作用，采用公式（1）计算甲板高度；

假设异常波浪高峰和风浪涌同时出现时，即，采用公式（2）计算甲板高度；

其中：—异常波峰高度；

—极端风浪涌；

—相对于平均海平面的最大潮标高；

—结构使用寿命期内预计沉降及海平面上升之和。

在深水和中水海域，a 的值可采用百年一遇的极端波浪峰值高度进行近似，如式（3）、（4），

海洋石油工程设计指南第一册[2]也提供了在总体设计初期估算底层甲板高度的方法，提出采用2/3百年一遇的波高作为波峰高程，最终结果应与结构专业依据环境条件计算结果一致。估算公式如式（5），

—底部甲板梁高。

有冰海域的平台，确定甲板高城要考虑平台前堆积冰的高度。

2 环境参数的确定

API PR 2A-WSD、ISO 19902以及海上固定安全平台准则对底层甲板高度的推荐做法中，其共同点是考虑一定重现期内波浪、浪涌、潮的最不利组合，计算极端波峰高度，同时考虑一定的空气间隙。

2.1 重现期

海况设计的重现期应是平台规划寿命的倍数。API PR 2A -WSD[4]推荐采用100年作为海况设计标准，适用于事件发生期间有人居住的新建和重新移位的平台，或者构件损坏或严重损伤即可能导致严重失效后果的结构。

海洋石油工程设计指南规定根据平台所处于的海域确定重现期，渤海区域按50年的重现期考虑，其他海域一般按100年的重现期考虑。

壳牌的DEP标准[6]对ISO 19902-2007 相关条款进行了增补，规定了不同暴露等级下的推荐值，即甲板暴露等级 为L1的，采用 10000年的重现期，甲板暴露等级为L2的，采用1000年重现期。甲板暴露等级为L3的，采用100年重现期的。ISO 19902中给出了暴露等级的定义如表1所示。

表1 暴露等级的定义

2.2 潮汐

潮汐分为天文潮、风成潮和压差潮。后两者经常组合在一起，称作风暴涌（storm surge），三者的组合成为风暴潮（storm tide），在海洋固定平台的设计中，风暴潮的高程是基准面，风暴波浪叠加在它的上面。API 等推荐做法中的潮位不是单纯的天文潮而是天文潮与风暴潮的叠加，因而存在着重复叠加的问题，计算出来的甲板高度值较保守[8]。

2.3 空气间隙

空气间隙是考虑平台的沉降、水深的不确定性和极端海浪的可能性，在计算得到的波峰高程上加一定的安全余量，一般推荐值至少为1.5 m，对已知或预期的长期海床沉陷的情况，还应增加一定的间隙。通过对海洋气象的数据分析表明在某些海域，1.5 m的空气间隙并不总是能满足的结构稳定性，要根据平台所处的海域增加和减少空气间隙。壳牌的DEP标准[6]也指出根据稳定性研究的结果，甲板结构的稳定性是由波浪冲击甲板时产生的非常大的力控制的，出于这个原因，必须对重现期内（等于结构目标年稳定性的重复期）计算的最大波峰高程进行校核，必要时增加空气间隙，确保极端波浪不会冲击到甲板以上，对甲板结构、设备、管道造成损坏。

2.4 最大甲板高程

最大波峰高程指的是在设计环境条件下，潮汐和波浪最不利组合所能达到的最大高度。

在项目初期，有时会采用百年一遇的波浪高度近似波峰高程，通过实际计算对比表明这种做法过于保守，估算出的甲板标高比通过计算得出的值高很多，造成平台造价提高。

精确的重现期内波峰高程，是要根据重现期内最大波周期、最大波高、和风暴水深，采用合适阶的流函数波浪理论来计算二维规则波浪运动。目前固定海洋平台多数情况下是采用Stocks五阶波来计算。五阶波理论是目前工程计算中应用广泛的波浪理论，它能正确反映浅水波浪的非线性特性，研究表明[10]，从深水到水深波长之比为0.07的极浅水条件下，由五阶Stokes 波计算的波面桩柱波浪力及其随时间变化的过程 都能较好的符合实测结果。如果选用适当的阶次求解，也可以使用其他一些波浪理论，如扩展速度势理论和Chappelear理论求解。

3 底层甲板高度计算实例

文章以卡塔尔项目的NFA 气田的新建井口平台为例，对底层甲板的高度计算进行说明。NFA气田位于波斯湾北海域，已建有两座井口平台，全部通过栈桥连接到生产平台。新建的井口平台距离NFA平台2 km，新平台通常无人居住，所有处理过程和安全系统通过海底光纤电缆连接到NFA平台。

底层甲板高度的计算基于API RP 2A –WSD的设计准则，计算数据如表2所示：

表2 底层甲板标高的计算

4 结束语

本文章仅限基于环境因素讨论了底层甲板高度的计算方法，在实际工程项目中，还会受到其他因素影响，例如平台采用浮托法安装、底层甲板下设备的高度等。

平台采用浮托安装时，除了要考虑设计环境参数，还要考虑驳船进出的吃水安装支架高度，具体计算方法井卫东等对海上浮托安装平台布置设计[9]中有详细的论述。

有时为了节省上部甲板的面积，将一些设备、管道布置在下层甲板，如开排泵、开排罐、排水管等，这样布置充分利用了下部甲板的空间，节省甲板投资，但增加了导管架的尺寸高度，同时要考虑是否需要提高底层甲板的标高，使设备管道处于空气间隙之上，避免受到极端波浪的冲击，否则在设计时就要考虑作用在这些部件上的波浪力，势必也会增加人力资金的投入，所以在设计甲板高度时要综合考虑安全、经济因素，使得设计最优化。

［1］《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南第四册[M].北京:石油工业出版社, 2006.

［2］《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南第一册[M].北京:石油工业出版社, 2006

［3］海上固定平台安全规则[S].中华人民共和国国家经济贸易委员会，2000.

［4］Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S]. Washington D.C: American Petroleum Institute, 2002.

［5］Petroleum and natural gas industries -Fixed steel offshore structures, ISO 19902 [S].Switzerland: ISO, 2007.

［6］depsepcification: fixed steel offshore structres (amendments/supplem- ents to iso 19902:2007) [s]. shellgsi: dep administrator, 2011.

［7］depsepcification: design of steel substuctures for fixed offshore platorms (ammends/supplements to apirp 2a-lrfd [s]. siop: dep administrator, 1994.

［8］刘德辅，宋艳，李晓冬. Poisson-Logistic 二元复合极值模型在平台甲板标高设计中的应用[J]. 海洋工程，2003，21(4): 35-40.

［9］井卫东，胡晓明，郭伟宁，等. 海上浮托安装平台的布置设计[J]. 石油工程建设，2016(1):38-41.

［10］李炎保，杨鹏. 五阶Stokes波计算的几个注意点[J]. 海洋科学，1997(1): 65-67.

Calculation Methods of Lower Deck Elevation for Fixed Offshore Oil Platforms

(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd., Tianjin 300451, China)

Based on the recommend practice of API RP 2A-WSD, ISO19902-2009, Safety Rules for Offshore Fixed Platforms and SHELL DEP(Design and Engineering Practice) Specification, the criteria and calculation methods of lower deck elevation for fixed offshore platformswere summarized. The definition, selection and calculation methods of return period, tide, air gap and the maximum wave crest were described. Taking the environmental data of an actual project as an example, the detailed calculation process for each parameter was illustrated, which could provide reference for estimation and accurate calculation of lower deck elevation in overall design.

deck elevation；maximum wave crest elevation；return period；air gap

2016-11-24

王春霞（1983-），女，工程师，硕士，辽宁省大连人，2008年毕业于东北大学，研究方向：海洋石油平台对总体布置和管道设计工作。

TQ 018

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1004-0935（2017）01-0050-04