導管架平台

世界上第一座固定式海洋平台建於1887年，它安裝在美國加利弗尼亞的油田上，實際上是一座木結構的棧橋。 二戰後，用於戰爭中的許多先進科學技術成果被應用到海洋開發中。1947年在美國墨西哥灣水深6米處成功地安裝了世界上第一座設備齊全的鋼質導管架平台。 開創了海洋開發的新時期。 此後，海洋平台得到了迅速的發展。上世紀七十年代末，鋼製導管架平台已經安裝於 300多米的海域，而到了1990年具有486米高的巨型導管架平台也已工作與墨西哥灣 400多米的水深中。這種導管架式平台在隨後的多年中逐漸地擴展到更深的水域和更惡劣的海洋環境中。這些平台以勘探、開發海洋資源為主，其中尤以開發、儲藏石油和天然氣的平台佔多數。

自上世紀四十年代美國安裝使用了世界上第一座鋼質導管架式平台 (SteelJacket Offshore Platform) 以來，這種結構已經成為中淺海海洋平台的主要結構型式。隨着海洋石油開發的迅速發展， 導管架式海洋平台被廣泛用於海上油田開發、海上觀光以及海洋科學觀測等方面。迄今為止，世界上建成的大、中型導管架式海洋平台約有2000餘座。工作水深已達到四、五百米。

先在海上打好羣樁，然後在樁上拼裝平台甲板與設備。由於此式平台，在海上的工作量大，施工期長，因受海上環境的限制，已很少採用。

樁基式平台用鋼樁固定於海底。鋼樁穿過導管打入海底，並由若干根導管組合成導管架。導管架先在陸地預製好後，拖運到海上安放就位，然後順着導管打樁，樁是打一節接一節的，最後在樁與導管之間的環形空隙裏灌入水泥漿，使樁與導管連成一體固定於海底。這種施工方式，使海上工作量減少。平台即設於導管架的頂部，高於作業的波高，具體高度須視當地的海況而定，一般大約高出4～5米，這樣可避免波浪的衝擊。樁基式的整體結構剛性大，能適用於各種土質，是最主要的固定式平台。但其尺度、重量隨水深增加而急驟增加，所以在深水中的經濟性較差。

樁基式平台由於杆件多，間距小，如在冰區作業，不利於流水的移動，且承受冰擠壓的面積較大，導致整個平台的受力狀態惡化。乃改用腿柱式，其特點為弦杆的數量少。例如採用四腿柱式的，其撐材數量大為減少，甚至在潮差帶這一區域常不設撐材，使承受冰擠壓的面積大為減少，冰對腿柱的作用力也減小，平台的受力狀態大為改善。所謂弦杆即腿柱，一般直徑為5～6米，每根腿柱內要打若干根樁，以加強腿柱，立管也設在腿柱內，受到較好的保護。腿柱式的整體造構剛性不及樁基式，僅適用於冰區。

導管架式平台，主要由四大部分組成：導管架、樁、導管架帽和甲板。在一般情況下，甲板由模塊組成。 模塊，也稱組塊，由各種組塊組成平台甲板。平台可以是一個多層甲板組成的結構， 也可以是單層甲板組成的結構， 視平台規模大小而定。 如鑽井區域的模塊可稱為鑽井模塊；機械動力區可稱為動力模塊；生活區稱為生活模塊等。 在許多情況下，導管架帽和甲板模塊合二為一，所以這時導管架式平台僅分為導管架、樁和甲板模塊三部分。如圖1所示。

導管架是鋼質桁架結構，由大直徑、厚壁的低合金鋼管焊接而成。鋼桁架的主柱（也稱大腿或腿柱）作為打樁時的導向管，故稱導管架。其主管可以是三根的塔式導管架，也有四柱式、六柱式、八柱式等，視平台上部模塊尺寸大小和水深而定。導管架的腿柱之間由水平橫撐與斜撐、 立向斜撐作為拉筋， 以起傳遞負荷及加強導管架強度的作用。

導管架依靠樁固定於海底，樁結構有主樁式，即所有的樁均由主腿內打入；也有裙樁式，即在導管架底部四周佈置樁，裙樁一般是水下樁。

樁結構設計內容包括：根據平台總體規劃設計所選定的尺度，分析在最不利荷載組合作用下樁結構的構件出現的內力；根據樁所承受的最大軸向力和彎矩，校核樁身強度； 由樁所承受的最大軸向力和橫向力， 確定樁的入土深度； 根據導管架在施工和使用階段各構件出現的內力（軸力、彎矩和剪力），該校各構件的強度、剛度和穩定性。

海上導管架平台的承載能力主要取決於打入海牀的鋼管樁基礎。 打入海牀的鋼管樁穿過軟弱的壓縮性土層， 把來自海洋環境引起的荷載及上部設施和設備荷載傳遞到更硬或更密實的、 且壓縮性較小的土層中。 對於受壓樁， 其承載能力主要來自樁身表面所發揮出來的摩擦阻力和樁端阻力。 大多數情況下， 樁承載能力主要是由樁身摩擦阻力提供， 其承載能力隨着樁身表面的增加而增大， 因此海上導管架平台通常用深（樁）基礎。樁的尺寸主要取決於樁的數量、上部設施與設備荷載、海底土質性狀及沉樁方法。

導管架平台樁基礎，各單樁之間的間距一般都比較大，通常是樁徑的 5倍至10倍，往往可忽略樁端（尖）壓力的某些作用重疊的影響，樁基的承載能力可簡單地採用各單樁承載能力之和表示。 由於樁打的比較深， 作用於樁上的荷載主要是通過樁身側摩擦阻力傳遞到樁周土壤中， 且在整個使用壽命期， 作用於樁基礎的荷載小於極限荷載，故一般情況下樁基的沉降可忽略不計。

在導管架平台中，樁基礎按其施工方法可分為三類：①打入樁基礎；②鑽孔灌注樁基礎；③鍾型樁基礎。上述三種樁基礎型式， 打入樁施工最簡單， 費用最便宜， 是海洋工程中首先選用的一種樁基礎型式；鑽孔灌注樁和鍾型樁，一般是在不得已的情況下采用。在實際工程中到底採用何種樁基主要考慮土質條件、樁的用途、樁的承載能力、地基類型及施工條件等因素。 對上述諸因素的考慮主要取決於設計者的經驗及對工程全貌的認識。

導管架帽是指導管架以上， 模塊以下帶有甲板的這部分結構。 它是導管架與模塊之間的過渡結構。

為方便計，將甲板和甲板模塊（包括導管架帽等）統稱為上部結構。 進行上部結構設計時，首先要確定上部結構的主要輪廓尺度。平台上部結構輪廓尺度主要指甲板面積和甲板高程。甲板面積和甲板高程是平台總體規劃中的兩個重要尺度， 它對決定支承結構輪廓尺度有重要影響。

優點是：

（1）技術成熟、 可靠；

（2）在淺海和中深海區使用較為經濟；

（3）海上作業平穩和安全；

（4）具有適應性強、安全可靠、結構簡單、造價低。

缺點是：

（1）隨着水深的增加費用顯著增加；

（2）海上安裝工作量大；

（3）製造和安裝週期長；

（4）當油田預測產量發生變化時，對油田開發方案進行調整的適應性受到限制。

在役導管架平台評估目的、原因和步驟

對現役海洋平台進行評估的目的是確保平台具有可接受的安全性。

引起海洋平台發生破壞的主要因素按照風險類型大體可以分為三類：

（1）波浪、流和海冰等日常荷載作用引起的海洋平台累積損傷(即疲勞極限狀態)、海洋環境腐蝕、海生物附着、海牀變化(淘刷、滑移、沉降等)、結構老化等因素導致的漸進型破壞；

（2）由於極端波浪、風、海流、極端海冰和地震等特殊荷載造成的瞬態型破壞(即強度極限狀態)；

（3）由於井噴、爆炸、火災、落物、冰山和船舶撞擊等原因造成的突發型破壞(即事故極限狀

態)。

這三類因素使海洋平台破壞具有很強的隨機性和偶然性。對於個人安全來説，主要的危險和風險來自於平台上部的各種作業，如鑽井和吊車運行等。世界範圍的統計數據顯示，雖然結構失效只佔海洋平台整個歷史事故的不到10% ，但是此統計數據是基於非常少的平台經歷了設計波浪和海流荷載的情況，因此，結構失效的歷史資料部分低估了外部環境荷載的作用。

一般在役海洋平台安全評價按照次序包括如下步驟：確定是否需要進行重評估；現場檢測；設計、製造、安裝、運行等階段的信息回顧；包括重大損壞、重大改變、與設計的偏差等內容的結構狀態初評；採用設計方法、極限強度方法或概率方法的結構分析；平台繼續運行、維修加固或廢棄的決策。

當海洋平台遇到下列情況之一時就需要對其進行安全重評估:因海牀沉降等原因造成甲板出水高度不足(小於等於1.5 m)；結構存在重大損壞；場地環境變化導致結構受到的環境荷載與初始設計相比顯著增加；平台運行方式的變化造成定員和運行荷載增加；設施(管道、立管、套管等)增加導致荷載顯著增加；超過設計壽命。

設計標準通常並不適用於在役結構的重評估。一方面，設計標準要考慮到某類結構的材料質量、建造能力、外部荷載等各種影響因素的不確定性，是對荷載和抗力參數的先驗性預測，通常是保守的；而重評估可以通過監測、檢測和試驗等對實際結構的各種參數進行量測，消除不確定性。另一方面，保守的設計不會導致建造成本的顯著增加，而保守的評估將導致不必要的昂貴的維修。在役平台評估主要依據美國的API RP-2AWSD[2]和國際標準化組織的ISO 19900、ISO 19902和ISO 13822等標準 ^[1]  。