张 兴，宋峥嵘，王晓蕾，文 宇，王珂楠，饶云松

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

渤海油田是我国最大的海上油田，自2010年首次突破年产3 000×104t油气当量以来，至今已连续11年稳产在3 000×104t以上，为保障国家能源安全和践行国家能源战略做出了重要贡献[1-2]。一直以来，我国原油对外依存度较高的趋势并未缓解，且逐年上升，严重威胁我国能源安全[3]。海上采油平台用于海上油田的采油开发，建造周期长、投资成本高。海上平台设计、建造、安装的标准化，可最大限度地节约建造周期和降本增效，从而可为我国油气增储上产贡献力量。

海上平台组块结构设计中，在保证结构安全的前提下，结构重/操作重占比是衡量结构设计是否经济的重要指标。根据2018年统计数据，渤海辽东湾海域以吊装方案设计的中心平台共5座，其中近年来设计的中心平台结构重占比在0.3左右，早期设计的中心平台结构重占比最低为0.23。为找到新、老平台结构重占比存在差异的原因，选择了设计年份、结构重占比均相差较大的A、B两座中心平台，从设计方案、环境参数、计算方法上进行差异性分析，探究了结构重占比存在巨大差异的原因，以期为海上中心平台标准化建设提供支撑。

1 差异性对比

1.1 基本设计参数对比

A、B平台均位于渤海海域，水深分别是31 m和30.4 m。A平台投产年份为2002年，组块面积约7 700 m2，结构重（净料）约19 600 kN，组块结构重/操作重占比为0.23。B平台投产年份为2013年，组块面积约11 000 m2，结构重约45 080 kN，组块结构重/操作重占比为0.33。

1.2 平台功能性对比

表1对比了A、B平台的工艺系统，由该表可知在油水系统方面，B平台原油系统设计能力更强；在处理级数和设备上，B平台处理级数和设备更多，且动设备均有备用。

表1 A、B平台工艺系统对比

1.3 设计方案对比

由于B平台的功能性更强、设备更多，A、B平台的总图布置有明显区别。如图1所示，A平台上层甲板的设备主要布置在轴线以外，吊装重心基本位于组块的形心处。B平台上层甲板布置了大量设备，若以主轴吊装会存在设备遮挡吊绳和吊装偏心问题。因此，B平台增加了2.1辅轴和4.1辅轴。从立面图（见图2）上看，相比于A平台15 m的吊装跨距（东西方向），B平台东、西部组块的吊装跨距增加至29 m和26 m。此外，B平台的主立柱规格也高于A平台，A平台主立柱规格为1 220 cm×38 cm，B平台主立柱规格为2 134 cm×70 cm。

图1 A、B平台上部组块总图布置

图2 A、B平台组块立面结构

图3对比了A、B平台组块结构重占比分布情况，B平台立柱结构重占比远高于A平台，说明B平台增加的辅轴和立柱可能是造成B平台结构重占比增加的原因之一。

图3 A、B平台组块结构重占比分布

1.4 主计算方法对比

海上平台组块结构设计需同时满足静力、地震、装船、拖航、吊装等各个工况的要求[4]。UC（Unit Check）值是判断杆件和节点的结构设计是否合理的重要参数[5-6]。UC值等于实际应力与许用应力的比值，UC值大于1说明杆件和节点已超出规范要求。由于A、B平台的设计时间相差10年以上，结构设计的标准和计算方法可能存在差异。经对比，在静力工况下，A、B平台杆件和节点的UC值均小于1；在地震工况下、A、B平台均满足大震不倒、小震不坏的要求；在装船工况下，B平台考虑了装船时25 mm的强制位移，A平台未考虑强制位移的影响；在拖航工况下，A、B平台杆件的UC值均小于1；在吊装工况下，A、B平台在1.35吊装系数下所有杆件的UC值均小于1，在2.00吊装系数下与吊点直接相连的杆件UC值均小于1。综上，装船工况计算方法的差异可能会对结构重产生影响。

1.5 UC值控制对比

图4对比了A、B平台在静力、地震、装船、拖航、2.00系数下吊装工况的UC值控制，图中红色部分为A平台的UC值控制分布，蓝色部分为B平台。在静力、地震、装船、西部组块吊装、拖航工况下，B平台组块的UC值控制相对保守，UC值控制在0～0.2区间；A平台杆件UC值控制在0.2～0.6区间。值得注意的是，B平台东部组块在吊装工况下的UC值控制明显偏大，UC值大于1的杆件比例远高于其他工况，说明东部组块的吊装工况为B平台的控制工况。

图4 A、B组块UC值控制对比

1.6 渤海海域环境变化对比

环境参数如风、波浪、流、冰等也是海上平台结构设计的重要基础条件[7-8]。表2对比了1998年和2012年渤海辽东湾海域环境参数，若按B平台的环境参数作为A平台的设计参考，A平台当时的服役环境会变得相对恶劣，对结构设计来讲可能会产生影响。

表2 渤海海域环境参数对比

2 讨论

2.1 设计方案对结构重的影响与标准化建议

在设计方案上，A、B平台结构重占比存在差异的主要原因在于B平台上层甲板布置了大量设备，导致存在设备遮挡吊绳和吊装偏心问题。为满足海上吊装作业需求，B平台增加了2个辅轴和4个主立柱。仅立柱的重量两平台相差约7 840 kN。同时，由于B平台东部组块吊装重量和跨距较大，吊装工况成为B组块最终控制工况，导致B组块主结构梁规格增加。如表3所示，B组块各层甲板主结构梁规格均高于A组块，一定程度上也导致了结构重占比增加。因此，对于标准化结构设计，要尽量控制好重心分布，将吊点设置在主轴上，合理控制吊装跨距。

表3 A、B组块主结构梁规格与重量对比

2.2 计算方法对结构重的影响与标准化建议

在计算方法上，装船工况下A平台未考虑25 mm的强制位移。通过计算，即使A平台考虑了25 mm的强制位移后，也仅有6根杆件的UC值发生变化，且均小于1，最大增幅仅为3.43%，详见表4。因此，A、B平台组块结构设计时计算方法的差异并不是B平台组块结构重占比增加的主要原因。在UC值控制上，有精细化设计需求时，可以做得更加细致。但对于标准化设计，需要考虑采办、建造的需求，应选用标准化规格，以保证材料的通用性，可以适当降低UC控制水平换取采办及建造周期，对设计、采办、建造、安装总包起到积极作用。

表4 A平台组块强制位移工况下西部组块杆件UC值统计

2.3 环境参数变化对结构重的影响与标准化建议

对于风、波浪、流、冰等环境参数的变化，把B平台的环境参数作为设计标准对A平台进行校核，发现在静力工况下，杆件的UC值仅有微弱变化，如图5所示，说明渤海海域常规的环境变化不是平台结构重占比增加的主要原因。对于标准化工作来说，近年来渤海海域虽然环境更加恶劣，但对组块结构设计无明显影响。在设计平台的环境选择上，在未知具体环境参数的条件下，组块结构设计可选用相对苛刻的环境参数。

图5 A平台静力工况下杆件的UC值分布

3 结论与展望

通过对渤海海域结构重占比差距较大的A、B平台进行差异性分析，发现结构重占比存在较大差距的主要原因在于设计方案不同；B平台存在吊装偏心和设备遮挡吊绳问题，需增加辅轴和立柱；吊装跨距的增加导致B平台主结构梁规格增加；渤海海域常规环境变化、计算方法上的差异不是引起B平台结构重占比增加的主要原因。在平台结构设计上，应根据平台实际需求，合理规划总体布置，尽量将吊点设置在主轴上，以便合理减少吊装跨距。海上平台标准化建设的目的在于最大限度地降本增效，减少海上平台设计、建造、安装周期。在设计阶段，应选用规格标准化的材料，可适当降低UC值，从而控制保证材料的通用性。虽然可能造成原料成本增加，但大幅度缩减了设计、建造、安装的周期，从而在整体上更具经济性。