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一种独脚架制作方法的实用性研究
对其扶正过程的数字考察
①Khaled A. Hafez and ②Maged M. Ismael
①海军建筑和海洋工程系，工程学院，
亚历山大大学，亚历山大，埃及
②工程事务，海事分公司，石油项目和石油项目负责人
技术咨询公司（PETROJET），埃及亚历山大
摘要：本文的主要目的是提出一种适用于构建离岸单脚架平台的新颖的两阶段合理方案;其中两个阶段是全地面水平施工阶段和施工后阶段。关于全地面施工阶段，介绍了对其不同阶段，即预制造，制造，预组装，定位，组装和表面处理的简要研究。对这种构建阶段的重要实践方面进行调查，而不涉及其中涉及的细节的细节。关于施工后阶段，介绍了对施工后阶段，即升降，升降和升降的明确调查。创建单脚架平台的有限元模型（FEM），用于在理性明智的情况下，在施工后阶段的各个阶段执行必要的结构分析，以确定悬挂点/设备和处理场景。这种结构分析是在三维准静态建模和分析的框架内进行的，目的是模拟真实的处理条件，从而引入数值结果的可靠物理解释。为了有效地证明整个努力，分析得到的结果，给出结论，并提出少量相关建议。
关键词：平台的制造; 平台的起吊; 移动平台; 平台的扶正; 平台的结构分析; 眼板的结构分析; 耳轴的结构分析。
命名法
字母符号
A结构部件的表面积; A = 1742.7平方米，0.332813平方米和39.7867平方米分别用于单脚架，眼板和耳轴
m分析/网格元素的数量; m = 363548，1802和8119分别用于单脚架，眼板和耳轴
M结构组件的质量; M = 165.151times;103千克，5.4319千克和7.420times;103千克，用于单脚架，眼板和耳轴
n 分析/网格节点的数量; 单脚架，眼板和耳轴分别为732382，3285和16493
O所有测量的原点，位于独脚架中心线和自由表面水平线的交点处
V结构部件的体积; V = 21.0116立方米，5.4319times;10-3立方米和0.952827立方米
分别用于单脚架，眼板和耳轴
在X方向测量的结构部件的重心坐标; 单脚架，眼板和耳轴分别为= -1.15809times;10-3米，0.0米和0.0米
在Y方向上从O测量的结构部件的重心坐标; 单脚架，眼板和耳轴分别为= -1.08645times;
10-3米，0.12537米和1.24997times;10-2米
在Z方向上从O测量的结构部件的重心坐标;单脚架，眼板和耳轴分别为 = -12.8439
米，3times;10-2米和1.50米
希腊的符号
alpha; 单脚架的上升角度; alpha;= 0.0°“水平”，30.0°，60.0°和90.0°“垂直”
delta; 单脚架，眼板或耳轴中产生的和位移，单位mm
独脚架，眼板或耳轴在 I方向上产生的位移，单位为mm; I指的是X，Y或Z
在单脚架，眼板或耳轴计算的主应力，单位为兆帕; i可以假设1或3
用于制造单脚架，眼板或耳轴的制造钢允许的正常应力，单位为MPa
正常应力点沿 J方向作用于垂直于 I轴的平面上，用于独脚架，眼板或耳轴以MPa为单位; I和J指的是X，Y和Z的所有组合
眼板或耳轴计算的范式等效应力，单位为MPa
用于制造单脚架，眼板或耳轴的制造钢的屈服强度，单位为MPa
用于制造单脚架，眼板或耳轴的制造钢的许用剪切应力，单位为MPa
上标
max 单脚架，眼板或耳轴中的应力或位移的最大值
min 单脚架，眼板或耳轴中的应力或位移的最小值
下标
b 单脚架，眼板或耳轴的弯曲应力
t 单脚架，眼板或耳轴的拉伸应力
介绍
海上结构可根据各种标准进行分类，例如，承载设备，机动性，安装方法，支持方法等。图1根据其流体动力学-结构相互作用将海上结构划分为三个主要部分类别; 固定的，灵活的和漂浮的结构。安装各种结构的最大记录水深写在其图像的左下角。无论其类别如何，海上石油钻井平台和平台均由各种钢种制成，从低碳钢到高强度钢，钢筋混凝土或两者兼而有之。
固定式海上平台通常是由管状钢构件制成的焊接式空间框架结构，它们的腿部和支架通过精心设计的桩将苛刻的环境和上部荷载传递到海床。桩通过平台外部构件上的桩导向器“套管”被驱动到海底。海上平台可能有一个，三个，四个，六个或八个沉箱式腿。具有单个沉箱式腿的平台被称为单脚架; 而有三条腿的那些被称为三脚架等（Chakrabarti，2005）。 平台框架的详细结构设计因设计而异，主要取决于施工后阶段不同工艺过程中的强度和疲劳要求。
根据“勘探，采矿或开采”平台任务，“石油或天然气”平台产品以及“有人或无人”平台控制系统，顶层设施的布局和设计可能略有不同。为了增加安全要求的价格，载人顶层设施当然需要住宿区，特殊运输以及机上人员的着陆和疏散设施。住宿和可居住性服务旨在满足在平台运营和维护中使用的人员的生活需求。此外，上部设施包括钻井设备，碳氢化合物处理设备，发电机组，直升机甲板和旋转起重机（Gerwick，2007）
图1油气海上结构物的合理分类
（a）单脚架平台，（b）三脚架平台，（c）护套内部（d）夹层外部打桩平台，（e）重力基础钢平台，（f）重力基础混凝土＆钢平台，（g）重力基础混凝土平台，（h）重力基础混凝土平台，（i）柔性拉索塔，（j）顺应式桩式塔，（k）升降式钻井平台，（l）可伸缩的牵引式钻机平台，（m）潜水式钻井平台，（n）常规张力腿平台，（o）小型张力腿平台，（p）经典SPAR平台，（q）桁架SPAR平台，（r）单元SPAR平台，半潜式钻井平台，（t）浮式生产储存和
卸货船，（u）钻船。
钻井和生产管道通过平台框架内的导体导向器进入顶部。 原油和天然气从油藏通过生产立管传到顶部，在烃加工设备中进行处理。 后者旨在将提取的气态烃“天然气”从液态烃“石油/岩石/矿物油”中分离出来，并因此将每种烃形式引导至其正确的处理分支中以生产燃料和其他相关衍生物， 例如塑料，石蜡，蜡，溶剂和油。 然后将产出的流体通过出口管道泵流在岸边（Randall，1997; Mather，2000; Bai and Bai，2010）。
直升机甲板可以直接放置在平台人员住宿的屋顶上，或者可以放置在平台上高于他们的水平。直升机甲板的配置基于其预期用途以及可用于其出发和到达的直升机的类型。直升机甲板的主要尺寸应超过直升机的转子直径 适当的地面缓冲效应（GCE）。直升机甲板尽可能远离潜在危险的碳氢化合物加工区。有关人员所有强制性安全要求的细节和建议实践和直升机，感兴趣的研究人员可能会提及美国航运局（ABS，2008）。
旋转平台起重机通常位于船舶着陆区域的顶甲板上。如美国石油协会如所讨论的那样，建议在每个甲板层面的起重机附近设置一个开放的储存区域（API-Spec- 2C，2010; API-RP-2D，2007）。下层甲板应设置加载门廊，以方便访问。通过主甲板可能需要舱口进入下层设备。。在平台起重机不能到达的区域可能需要本地化的起重机或单轨。 除了传统的使用操作物料和供应之间的平台和供应船，起重机还用于日常维护时处理平台设备。
研究现状
尽管海上石油和天然气勘探和开采平台长期存在，但这些结构在过去的三十年中仅在数量，几何结构，设备和规模方面都有惊人的增长。构建这种平台所面临的制造挑战可能会恢复到满足某些人员安全水平，制造质量和成本，设施和设备可操作性以及预先计划的装载时间表。关于有限的相关文献，以下介绍过去二十年来几篇文献的概述。
Herbich和Bretschneider（1992）涵盖了港口，港口，航道和河口的设计; 包括规划和设计，海运码头技术，疏浚航道，水力疏浚技术，浅水疏浚，疏浚物处置，锚泊，沿海和海洋浮标系统，海洋过程以及海湾，港口和湖泊中的波浪振荡。 此外，还介绍了沿海工程项目对环境影响的宝贵见解，包括疏浚作用，风力，油流和波浪扩散以及对石油泄漏的响应。
Al-Sharief（1995）简要描述了沙特阿美公司实践的海上平台的设计考虑以及其中使用的术语。突出了用于计算设计载荷，制造和装配程序的方法。简要解释了在加工场地的质量控制适用性。此外，还介绍了安装在阿拉伯湾的固定海上平台的装载，运输和安装程序。
Chakrabarti（2005）提供了关于各种设计概念，结构设计，模型测试，安装，操作，维护，材料，控制和安全要求以及与重要领域有关的许多其他方面的最新技术的宝贵百科全书 海上勘探和生产系统。 方便设计指导的实用方面，以及海洋工程各个细节部件及其功能的简单描述都得到了强调。 此外，还提供了面向设计的工程指南以及其实际应用，以帮助开发海上结构的设计方法。
Reddy和Swamidas（2013）研究了用于石油和天然气勘探和生产的工程思想和海上钻井平台。 介绍了结构，流体和岩土力学相关程序在海上结构中的理论和应用的清晰演示。 提供了环境力量的全球描述，包括波浪，风力，潮流，潮汐，地震，浮冰/板块作用以及北极结构的极限冰荷载。 强调的分析原理涵盖了离岸结构分析和设计时需要考虑的各种问题。 强调了海上环境中使用的各种结构的详细概述以及影响现场选择的初步成本因素。 概述了影响海洋结构材料选择的各种因素，包括海洋环境中平台的疲劳和腐蚀。
制造材料
用于制造所考虑的独脚架的主要材料是钢，其通常用于制造传统的固定海上结构。钢材在恶劣的环境中表现良好，受到腐蚀和侵蚀条件的共同作用，以及在广泛的温度范围内的动态循环和冲击载荷。这种恶劣的环境往往会引发和传播严重的裂纹，这些裂纹在存在不适当的制造细节和程序时肯定会成为严重的前后安装问题。因此，在测量和保持平台的空间尺寸，控制管状构件的不圆度和直径公差以及管道的长度公差时需要特别小心。在制造前后阶段，由环境引起的热应变可能会导致所用钢材出现明显的时间扭曲，这就对钢材质量及其控制施加了特殊的标准，要求和安排。
钢的特点是最小屈服强度，最小极限强度，最小断裂伸长率，低温缺口韧性，贯通厚度性能，可焊接性，耐疲劳性，化学成分等。APISpec-2B（2007），美国钢结构学会（AISC 360-10,2010）和美国材料与试验协会（ASTM A131 / A131M-08,2010; ASTM A992 / A992M-11,2010）分别制定了标准化技术文件，将钢板，型材以及与其使用限制，物理和机械性能相关的管道。表1记录了根据AISC和ASTM的标准要求制造独脚架时使用的钢的物理和机械性能。在制造独脚架时，使用了允许应力= 355MPa，=60%，=45%， =40%的高强度钢SJ355、SJ265。
焊接材料在确保使用中的合适强度和延展性方面同样重要，因此它们应与热处理和腐蚀方面的基材相容。在选择焊接材料时，通常要进行开裂位移测试或其他断裂力学测试。高强度螺栓和螺母在作为结构元件使用时，应具有与连接结构钢构件所要求的夏比V型缺口韧性值（Finch，2007; Jeffus，2011）。
：外径，t：厚度，h：高度
表1用于构单建独脚架的钢的机械和物理性质
制造场景
传统垂直场景
固定钢平台的制造程序通常根据其重量，尺寸和可用的场地设施（Graff，1981; Ford，1987; Hordyk，1988; Harrison等，1988）来决定。传统上，中小型固定钢平台的制造是以时间，精力，风险和高度警示的价格垂直完成的。这种垂直制造方案的额外成本肯定会增加到在高架脚手架上工作的内在需要，从而增加成本和风险纬度。 根据其结构的复杂性和尺寸，使用垂直方案的单脚架平台的估计制造时间可能持续6至12个月。
非常规水平情景
远离平台的传统垂直制造场景，无论是在院子里还是现场进行，都提出了一种全新的平台水平构造的新型双相合理场景，如图2所示。这种场景是应用于制造单脚架平台并证明其可靠性和可持续性。包括瞬态准备阶段在内的所有阶段的前期施工阶段都在PETROJET加工场进行。准备阶段影响制造场地的选择，整个项目的成本和进度，并受到海上平台形状和重量的影响。单脚架全地面水平施工的整个场景消耗将近两个月，直到驳船上装载。现场安装包括启动和取消平台，驱动桩，并将这些组件焊接到一个单元。
在PETROJET场地中，使用最高安全标准，特别是对于所雇用的人员。无线广播用于室内通信。工具和用品被预先包装并作为单位悬挂起来。布置电力电缆以避免不同操作之间的不良干扰，并尽量减少缠绕的可能性。
室内准备阶段
PETROJET加工场建立得很好，最初选址在合适的地理位置，按照事先规划好的组织良好的可靠制造方案，建造小型服务船，中小型海上平台和其他战略结构。后者通过统一的工作量，短的建设周期，强调的建筑经济学，从一个过程到另一个过程的材料的正常生产流程以及消除制造十字架而得到满足。当然，影响正常生产流程的不同跨学科因素，例如，海上结构的尺寸和类型，材料处理设备，制造工艺等。有利的是安排制造具有零散场地改造的结构，以避免妨碍其他生产活动并
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