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渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南2023(CCS)-64页

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渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南2023(CCS)-64页

资料简介

本指南适用于渤海海域油气资源开发的钢质固定平台结构设计.1.3 参考规范本指南主要参考下列版本的标准和推荐做法:中国船级社 材料与焊接规范,2022中国船级社 海洋工程结构物疲劳强度评估技术指南,2022中国船级社 固定式海洋钢质结构冰激振动与冰激疲劳分析指南,2018中国船级社 浅海固定平台建造与检验规范,2004AISCSteel Construction Manual, 9th Edition Specification forStructural Steel Buildings-Allowable Stress Design(ASD) and PlasticDesign with Commentary,1989AWS D1.1/D1.1M Structural Welding Code-Steel,2010API RP 2A-WSDRecommended Practice for Planning, Designing and ConstructingFixed Offshore Platforms—Working Stress Design,20141.1.4 术语与定义下列术语和定义适用于本指南.1.4.1 钢质固定平台是指延伸至水面以上,通过打桩、扩展底座或其他方式支承于海底,并在一定时期内保持固定的钢质平台.1.4.2 导管架是指用钢管焊接而成的空间框架,用作打桩的导向架和桩的侧向支承,永久地固定在海床上.1.4.3 上部组块位于水面以上的支持结构,一般由甲板板、甲板梁、腿柱、桁架等组成,用于存放发挥平台预期功能的设备和其他结构.1.4.4 暴露分级是指对结构的分类方式。一般是通过考虑人命安全和失效后果来确定等级.1.4.5 飞溅区飞溅区是指由于受潮汐、风和波浪的影响,平台干湿交替的区域.1.4.6 设计寿命渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 1 章 通则2结构设计时的预计不失去使用功能的有效使用时间,期间需要有针对性的有计划的维护,但不需要大量的维修工作.1.4.7 简易平台简易平台是指为节省开发成本而设置井口数较少、甲板面积较小、上部载荷较轻、结构较简单的平台,下部结构通常采用独腿、三脚架、筒形基础等结构形式.1.5 缩略词API American Petroleum Institute 美国石油协会AISC American Petroleum Institute 美国石油协会AWS American Welding Society 美国焊接协会SCF Stress Concentration Factor 应力集中系数LMU Stress Concentration Factor 应力集中系数DSU Deck Supporting Unit 组块支撑装置渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 1 章 通则3第 2 节 图纸及技术文件1.2.1 一般要求1.2.1.1 一般情况下,结构设计资料应涵盖结构所有方面,包括规格书、分析报告和图纸等.2.1.2 防腐设计,包括防腐规格书、牺牲阳极布置图/结构图和防腐计算书应在结构设计中考虑.2.2 图纸资料1.2.2.1 规格书(1)结构设计规格书(2)结构材料规格书(3)结构建造规格书(4)结构检验规格书(5)结构焊接及无损检验规格书(6)运输和安装规格书(7)拖拉装船和系固规格书(8)卡装器性能规格书(9)浮托规格书1.2.2.2 导管架结构图纸(1)导管架平、立面图(2)导管架节点详图(3)桩分段图(4)注水/灌浆管线图(5)靠船桩结构图(6)靠船垫结构图(7)隔水套管分段图(8)隔水套管支撑结构图(9)防沉板结构图(10) 走道及斜梯图(11) 登艇平台结构图(12) 立管卡结构图(13) 泵护管/支撑结构图(14) 开排沉箱结构图(15) 隔舱壁布置图1.2.2.3 组块结构图纸(1)甲板载荷图(2)甲板平面/立面结构图(3)直升机甲板布置结构图(4)直升机甲板平/立面结构图(5)直升机甲板安全网及排水槽布置及详图(6)吊机底座、支座图(7)吊机将军柱结构图渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 1 章 通则4(8)吊机休息臂结构图(9)典型节点图(10) 梯道、扶手栏杆图(11) 房间围壁结构图(12) 防火墙结构图(13) 挡风墙结构图(14) 燃烧火炬臂结构图(15) 栈桥、梯道、栏杆布置(16) 典型焊接型式图(17) 插尖结构图(18) 泵护管/电缆护管结构图(19)吊装布置和吊耳结构图(20)生活楼平、立面结构图(21)生活楼结构节点详图(22)生活楼与组块连接详图(23)生活楼房间围壁结构图(24)吊点布置及详图1.2.2.4 安装图纸(1)拖拉系统布置图(2)滑靴布置图(3)千斤顶拖拉系统布置图(4)拖拉系泊系统布置图(5)拖拉检验系统布置图(6)拖拉步骤示意图(7)系固布置图(8)组块/导管架运输布置图(9)隔舱壁布置图(10)导管架站立次序图(11)导管架舱室容积图(12)浮拖锚泊示意图(13)浮拖组块/导管架限制区域图(14)浮拖安装次序图(15)湿拖拖拉点及拖缆布置图(16)驳船拖航布置示意图(17)驳船按照就位位置示意图(18)海上吊装浮吊位置/吊装示意图(19)浮吊吊装锚泊位置图(20) 索具布置图1.2.2.5 设计报告(1)导管架/组块设计说明(2)结构模型报告(3)在位静力分析报告(4)地震分析报告(5)疲劳分析报告渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 1 章 通则5(6)直升机甲板强度分析报告(7)涡激振动分析报告(8)波浪抨击计算报告(9)防沉板设计报告(10) 靠船桩/垫设计计算报告(11) 导管架和组块连接计算报告(12) 重量控制报告1.2.2.6 安装报告(1)驳船调载计算报告(2)驳船甲板强度校核计算报告(3)系固分析报告(4)运输分析报告(5)稳性分析报告(6)驳船运动分析报告(7)浮托驳船进入和撤离分析(8)组块浮托安装就位分析(9)浮托系泊分析报告(10) 桩/隔水套管自由站立分析报告(11) 桩/隔水套管可打入性分析(12) 座底稳性分析(13) 索具计算报告(14) 隔舱壁计算(15) 吊装分析报告渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 1 章 通则6第 3 节 暴露分级1.3.1 一般要求1.3.1.1 可以根据不同的暴露等级对结构进行分类,并据此确定新建平台设计和现有平台评估的标准,使其与预定的功能相适应.3.1.2 可以通过考虑人命安全和失效后果来确定暴露等级。人命安全按预计的最可能环境事件,即有人在平台时预期发生的情况来考虑。失效后果分析应注意预期的业主的损失(平台和设备的维修和更换、生产损失、环境清理)、其他作业者的损失(经由主管道引起的生产损失)、工业界和政府的损失等因素.3.1.3 人命安全的分级为:(1)S-1=有人居住—不撤离;(2)S-2=有人居住—撤离;(3)S-3=无人居住.3.1.4 失效后果的分级为:(1)C-1=严重失效后果;(2)C-2=中等失效后果;(3)C-3=轻微失效后果.3.1.5 平台分级所用的等级比人命安全或失效后果等级的限制性更强。由于影响人命安全和失效后果的因素的变化,平台的分级可能会在结构寿命期内改变.3.2 人命安全1.3.2.1 S-1 有人居住—不撤离:有人居住—不撤离是指平台上一直有人居住并在上生活,在设计环境事件发生之前,不准备撤离,或者撤离是不实际的.3.2.2 S-2 有人居住—撤离:有人居住—撤离系指除了预报的设计环境事件期间外,通常都有人居住的平台。该分类应满足以下所有因素:(1)可靠的设计环境事件预测在技术和操作上可行,而且任何此类预报与设计环境事件发生之间的天气不太可能妨碍撤离;(2)在设计环境事件之前,已有撤离计划;(3)有足够的时间和资源安全地将全部人员从平台和所有可能需要在同一风暴中撤离的其他平台上撤离.3.2.3 S-3 无人居住:无人居住系指平台上不常有人,或者是既不属于有人居住—不撤离、也不属于有人居住—撤离的平台。某些情况下,偶然有人居住的平台可划为无人居住平台的范围.3.3 失效后果1.3.3.1 C-1 严重后果:严重失效后果等级是指重要的平台和/或那些一旦失效可能出现油气泄漏的平台。此外,还包括那些设计事件发生前不准备或不可能中断油气生产的平台(例如在地震活动频繁的地区)。有重要输油管线和/或间歇输油储油设施的平台也应视为严重后果级别.3.3.2 C-2 中等后果:中等失效后果等级是指设计事件发生期间停产的平台。所有平台失效时会自流的油井必须装有功能齐全的水下安全阀,水下安全阀应按照适用的中华人民共和国石油天然气行业标准制造和试验。原油只限于在处理储罐和缓冲罐中储存.3.3.3 C-3 轻微后果:轻微失效后果等级是指设计事件时停产的小平台。所有在平台渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 1 章 通则7一旦失效时能自喷的油井必须装有功能齐全的井下安全阀,井下安全阀应按照适用的中华人民共和国石油天然气行业标准制造和试验。这些平台上可装有生产分离设施和小容量的内部管线,原油只限于在处理储罐中储存。新建平台可归划这类平台的有沉箱和下述的小型井口保护平台,即平台上安装或连接到平台上的井数不超过 5 口且平台上隔水套管不超过 2 根,甲板总面积(包括直升机甲板)不超过 37m2,且生产设备不超过 2 件。另外,这类平台的水深不超过 30m.3.4 暴露等级根据人命安全和平台失效后果类别,平台暴露等级分类如表 1.3.4.1 所示。平台暴露等级分类 表 1.3.4.1人命安全类别 失效后果类别C-1 严重后果 C-2 中等后果 C-3 轻微后果S-1 有人居住——不撤离 L1 L1 L1S-2 有人居住——撤离 L1 L2 L2S-3 无人居住 L1 L2 L3渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 1 章 通则8第 4 节 设计条件选择1.4.1 一般要求1.4.1.1 平台在建造、施工和使用期间可能遭遇的自然环境条件包括但不限于:风、浪、流、地震、冰、潮汐、海底冲刷、海生物、腐蚀、地貌及工程地质和其它水位气象条件.4.1.2 由于海流和波浪作用引起的海床冲刷可能严重影响桩基轴向和横向支承能力,应对平台所在海域的海床冲刷情况进行调查, 如有冲刷现象, 则设计时应考虑适当的冲刷余量。在没有确切资料的情况下,冲刷余量可按 1.5m 考虑.4.1.3 在平台的设计中应考虑附着于平台上的海生物对载荷的影响,应调查研究平台所在海域海生物生长的年平均厚度、种类及其在水下的分布范围,并给出平台整个使用年限内海生物的设计厚度和海生物密度参数.4.1.4 在平台的设计中应考虑由于波浪和潮汐引起的水位变化对静水压力和浮力的影响.4.1.5 飞溅区的范围应按如下考虑:飞溅区上边界标高:HAT + 2/3 Hs + 0.5m飞溅区下边界标高:LAT - 1/3 Hs -0.5m式中:HAT——最高天文潮位,m;LAT——最低天文潮位,m;Hs ——操作条件下的有义波高,m.4.1.6 冰磨蚀区的范围应按如下考虑:冰磨蚀取的上边界标高:WHAT + 0.1H + 0.5m冰磨蚀取的下边界标高:WLAT - 0.9H – 0.5m式中:WHAT——冬季最高天文潮位,mWLAT——冬季最低天文潮位,mH——冰厚,m.4.2 设计环境条件按平台的设计要求,环境条件可分为:(1)操作环境条件:指平台在施工和使用期间经常出现的环境条件。操作环境条件的选定应以保证平台能正常施工和作业为标准。(2)极端环境条件:指平台在使用年限内,极少出现的恶劣环境条件。极端环境条件的选定应以保证平台的安全为标准.4.3 重现期1.4.3.1 设计环境条件的重现期应是平台设计寿命的数倍。作业者应根据历史的经验、平台规划的寿命和预计的用途、人员生命的可能损失、防污染、造价评估、平台损坏或丧失的概率及其所带来的财产损失情况选择合适的设计环境重现期.4.3.2 除地震以外,设计环境条件重现期可按照如下原则选取:(1)操作工况重现期取 1 年一遇;(2)极端工况重现期取 100 年一遇;(3)对于暴露等级为 L3 的平台,极端工况的重现期可适当降低,但不宜小于 30 年。渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 1 章 通则91.4.3.3 地震环境条件应考虑强度水平和韧性水平两种条件,以确定结构损伤和破坏的危险:(1)在平台的寿命期间不超过一定程度的地面运动;(2)罕见的强烈地震的地面运动.4.4 气隙1.4.4.1 平台的最下层甲板高程应在极端环境条件时潮汐与波浪最不利组合情况下的最大波峰高程以上,再加上至少 1.5m 的安全气隙,以保证最下层甲板的安全.4.4.2 应使用重现期为 100 年的无方向性的指导性波高计算波峰高程。渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 2 章 结构用钢与防腐10第 2 章 结构用钢与防腐第 1 节 结构用钢2.1.1 一般要求2.1.1.1 平台结构用钢的化学成份、力学性能、制造和试验应符合相关规定的要求,并应具有必要的支持性资料,以证明选用钢材的适用性。1.1.2 所选用的钢材应满足预计的使用条件,具有良好的加工性能和可焊性。1.1.3 对于使用在 0 ℃以下结冰环境条件下的钢材,应通过适宜的韧性试验或已有的使用经验,证明所选用的钢材对预计的环境条件具有良好的断裂韧性。1.2 最低设计温度2.1.2.1 钢材的最低设计温度系指构件钢材等级选择时的基准温度,并假定等于日平均气温年最低值在平台设计期限内(至少 20 年)的平均值,该值应根据平台预期作业海域的气象资料所确定。1.2.2 水下结构钢材的设计温度通常可取 0℃。1.3 结构用钢2.1.3.1 平台结构用钢一般应符合中国船级社《材料与焊接规范》。1.3.2 平台结构用钢应按照构件类别、构件厚度、设计温度和钢材的成型性、可焊性及其力学性能等因素选取合适的钢材等级。1.3.3 对于承受高拘束,包括不利的几何形状、高屈服强度或厚截面、板厚方向的收缩变形和板厚方向的连续拉伸载荷的关键节点,应采用厚度方向(即 Z 方向)具有良好性能的钢材。1.3.4 对于暴露于低温并可能受船舶撞击等外部冲击载荷的水上管节点或可能产生脆性断裂的任何关键部位的连接,可选用韧性较好的 D 级钢或 E 级钢。渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 2 章 结构用钢与防腐11第 2 节 防 腐2.2.1 一般要求2.2.1.1 防腐系统应根据平台的环境条件、结构部位、使用年限、施工和维护的可能以及技术和经济效果等因素确定。2.1.2 大气区:平台在飞溅区以上的部分。2.1.3 全浸区:平台在飞溅区以下包括插入泥土中的部分。2.1.4 大气区的平台结构应采用涂层保护,结构形状复杂且难于采用涂层保护时,可采用镀层保护。2.1.5 飞溅区的平台结构除采用适当的涂层保护措施外,其结构设计还应考虑适当的腐蚀裕量。结构腐蚀裕量应根据平台设计使用年限,钢材年平均腐蚀量以及防腐系统的保护效率来确定。在无法确定上述参数时,飞溅区结构的腐蚀裕量可按照每年 0.3 mm 计算。2.1.6 全浸区的平台结构应采用阴极保护。2.1.7 对于结冰海域,在冰磨蚀区应该考虑合适的冰磨蚀余量,一般可按照每年 0.1mm 计算。2.2 涂层与镀层保护2.2.2.1 所有采用涂层保护的钢结构,其表面在涂装前应进行抛或喷丸或其他磨料除锈处理,表面处理质量应满足防腐设计采用的标准并符合涂料产品说明书的要求。2.2.2 平台的涂层一般由底漆、中间层漆和面漆组成。各层涂料之间应能相互配套,涂料应符合防腐设计规格书的要求。2.2.3 平台用涂料的选择,应符合下列规定:(1) 保养底漆应能在平台建造期间保护钢材免于锈蚀,同时底漆漆膜应具有良好的耐磨、耐冲击性能,它与基底材料之间具有良好的附着力;(2) 平台甲板涂层应具有良好的耐磨和冲击性能以及耐燃油、润滑油、钻井泥浆等介质的侵蚀;(3) 暴露于强烈日光照射的涂层,应具有耐老化的性能;(4) 全浸区结构如采用阴极和涂层联合保护,所用的涂层应能与阴极保护系统有良好的匹配性;(5) 平台用涂料应能用常规的喷涂设备施工。2.2.4 用于保护平台结构镀层,可以为阴极性镀层或阳极性镀层。镀前表面处理、镀覆中和镀后处理应符合有关工艺技术条件的规定。镀层质量应按国家标准或防腐设计所采用的标准进行检验。2.3 阴极保护2.2.3.1 平台的阴极保护可采用牺牲阳极法或外加电流法,或两种方法联合保护。2.3.2 阴极保护可以和涂层联合使用,以降低保护电流密度和改善电流分布状况。2.3.3 平台阴极保护系统的设计,应考虑下列因素:(1) 平台结构的几何形状;(2) 相邻结构的情况;(3) 修理和维护的可能;(4) 平台使用年限;(5) 涂层状况。渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 2 章 结构用钢与防腐122.2.3.4 牺牲阳极保护(1) 牺牲阳极材料可为锌、铝和镁基合金。阳极的制造应符合防腐设计所采用标准的要求。(2) 用于平台阴极保护的牺牲阳极,应按防腐设计所采用的标准进行检验和性能试验。(3) 牺牲阳极几何形状、尺寸和质量的选取,应确保阳极发生电流和使用年限达到设计要求。(4) 应通过计算表明牺牲阳极系统在安装初期及当阳极即将耗尽时,均有能力极化结构。2.3.5 外加电流阴极保护(1) 外加电流阴极保护系统的电气设备(如电源、测量装置、电缆等)的设计、制造、试验和安装应符合通用标准的规定。所有用于危险区域内的电气设备、电缆等应经发证检验机构同意。(2) 外加电流阴极保护的辅助阳极材料可为铅银合金、铅银铂复合材料、高硅铸铁和镀铂钛或采用其他材料。辅助阳极的数量、几何形状和尺寸应根据平台结构的形状及电流分散能力确定,应确保阳极工作电流密度不大于该阳极材料的额定值。(3) 当需要涂覆阳极屏蔽时,阳极屏蔽层应具有良好的绝缘性、耐阴极电位性能、耐海水和其他有害物质侵蚀的性能。(4) 阳极屏蔽层的涂覆尺寸应根据阳极输出电流密度、水的电阻率、结构几何形状以及其他阳极的位置等因素确定。(5) 外加电流阴极保护系统中,用来向控制装置提供信号的参比电极,可为银/氯化银(Ag/AgCl)电极和锌(Zn)电极。参比电极应根据结构形状和电位分布情况合理布局。渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 3 章 载 荷13第 3 章 载 荷第 1 节 一般规定3.1.1 一般要求3.1.1.1 在设计中应考虑所有可能影响结构构件尺寸的各种载荷。3.1.1.2 除本章所规定的主要载荷外,平台结构还可能受到由于碰撞、爆炸、落物等引起的偶然载荷。3.1.2 载荷分类平台结构承受的载荷主要可分为三类:(1) 环境载荷:主要由风、浪、流、冰、地震等自然环境条件所引起的载荷;(2) 功能载荷:平台在使用期间所受到的除环境载荷外的其他载荷,可分为固定载荷、活载荷和动力载荷;(3) 施工载荷:主要包括在建造、装船、运输和安装等阶段所产生的载荷。3.1.3 载荷组合原则根据所选定的设计环境条件,对实际可能同时作用于平台上的各种载荷,应按可能出现的最不利的情况进行组合。载荷组合及载荷条件组合系数见表 3.1.3.1。载荷组合及载荷条件组合系数表 表 3.1.3.1组合工况 操作风暴 操作冰 极端风暴 极端冰拔桩极端风暴拔桩极端冰地震结构自重(导管架和组块)1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0设备干重 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0设备湿重-干重 1.0 1.0 0.75 1.0[3]0.25 0.25 0.75活载荷 1.0 1.0 0.75 1.0[4]0.75钻修机操作载荷 1.0 1.0钻修机极端载荷 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0操作风、波、流 1.0极端风、波、流 1.0 1.0操作冰、风、流 1.0极端冰、风、流 1.0 1.0地震 1.0注 1:此表仅表示整体校核载荷组合系数。注 2:此表仅表示载荷条件在参加组合时应取的系数,并不表示真实的组合,具体参与组合的载荷应按照实际情况选取。注 3:考虑极端冰工况不停产,活载荷不折减。渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 3 章 载 荷14注 4:导管架校核时活载荷折减 0.5 倍。注 5:局部校核应考虑试验工况。渤海海域钢质固定平台结构设计技术指南 第 3 章 载 荷15第 2 节 环境载荷3.2.1 一般要求环境载荷的数据应根据可靠并足够的实测资料进行统计分析所需的设计数据。环境载荷的计算除按本章给出的方法外,还可采用其他公认的方法,如 API 等给出的方法,必要时可做数值模拟计算或物理模型试验来确定。3.2.2 风载荷3.2.2.1 作用在平台上的风载荷可按下式计算。 = ( 2 ) 2 式中: ——风力,N; ——空气的质量密度,kg/m3; ——风速,m/s; ——形状系数; ——受风面积,m2。3.2.2.2 设计风速应选取平均海平面以上 10m 处的风速。整体结构设计采用 1 分钟最大持续风速,局部结构设计采用 3s 最大阵风风速。3.2.2.3 平台上对风载荷作用较为敏感的细长结构设计,应避免可能由风载荷引起的涡流激振,可使用螺旋缠绕在细长构件上的钢绳绕流器避免涡激振动。3.2.2.4 在缺少详细资料时,风力形状系数( ) 可按表 3.2.2.1 选取。风力形状系数 表 3.2.2.1区域 梁 1.5建筑物的侧面 1.5圆柱形构件 0.5平台总投影面积 1.03.2.3 波流载荷3.2.3.1 作用在平台上的波流载荷可采用莫里森公式进行计算。 = + =