浅水导管架平台下沉式防沉板结构设计

浅水导管架平台下沉式防沉板结构设计

摘要：防沉板是导管架平台的一个重要功能组件，主要作用是在导管架初始

坐底时提供足够支撑，防止导管架在就位时发生超出设计允许下沉或产生不均匀

沉降，保证安全。防沉板结构设计是导管架平台设计中的重要部分，根据水文地

质特征正确采用防沉板设计理念和选取结构形式具有重要工程意义。

关键词：浅水导管架；下沉式；防沉板；结构设计

引言

随着人类生产、生活对石油天然气能源需求的日益增长，海洋工程对老油田

开发潜力的进一步发掘和对边际油田的综合利用提出了更高层次要求。特别是边

际油田多是一些中、小型油田或地层复杂及边远的油田，如渤海海底浅层土质较软，广泛分布粉砂及软黏土，且易出现冲刷和沙坡沙脊移动等不良地质，进而影

响导管架平台等海上结构物设计和安装，制约着油气资源的经济性开发利用。

防沉板以结构简单、造价低、性能可靠和安装方便的特点被广泛用于海洋结

构物的辅助基础结构。作为临时性支撑结构，在导管架安装过程中发挥着重要作用。探索新型防沉板形式能够适应特殊区域、不良地质将在近海导管架平台发展、老油田再次开发和边际油田高效利用中带来更多选择。

一、设计理念

常见防沉板一般成矩形或三角形布置在导管架底部，与海床泥面平齐，依靠

支撑在具有足够承载力储备的海床上提供坐底稳性。当遇到软弱土承载力十分有

限时，导管架安装时可能会产生过度沉降或不均匀沉降，进而影响坐底稳性。针

对不良地质、特殊需求和经济效益，下沉式防沉板具有更好的适用性。下沉式防

沉板与底层框架分离，采用竖向杆件与导管架主体连接，通过调节竖向杆件长度

来更好适应不良地质条件下的下沉和不平整等问题。

二、结构特征

下沉式防沉板对不良地质具有更好的适用性，这也体现在其较特别的结构特

征上，其相对独立，布置较灵活，设计上受主结构制约较低，建造时可避免与主

结构干涉、难度降低、工期较短。但因为脱离导管架下部框架，需要更复杂的结

构形式来抵抗外力，以保证自身强度、刚度和稳定性，否则遭受破坏的风险相对

增大。下沉式防沉板在设计得不到充分优化时将会导致材料用量较大增加，成本

相对较高。

三、设计方法

（一）设计概述

设计遵循原则是满足结构强度，同时保证下部海床能够承受防沉板及上部的

荷载而不发生破坏，即处于相对稳定状态。影响稳定的因素很多，除了最主要的

海床特性以外，还与防沉板形状、尺寸、上部荷载、持力层深度、海床倾斜度等

有关。设计参考文件包括API RP 2A-WSD、AISC 360-10等规范标准，海洋工程

设计指南,设计规格书、材料规格书、地勘等文件。涉及主要工程软件包括SACS、ANSYS、Tekla等。

（二）设计准则

下沉式防沉板依据API RP 2A规范推荐的浅基础设计方法进行计算。分析内

容包括结构强度、刚度及稳定性，海床承载力、抗倾覆和抗滑移校核，稳定性设

计准则[1]如下表示：

结构强度、刚度及稳定性校核采用SACS、ANSYS等进行分析，SACS做杆件校核，ANSYS做节点局部校核，杆件校核时许用应力可考虑增大系数1.33，设计准

则UC＜1.0[2]。

（三）设计原理

结构强度、刚度及稳定性是指防沉板及导管架主体结构在安装过程中是否满

足规范允许应力和变形。防沉板承载力、抗倾覆和抗滑移能力主要与防沉板尺寸、土壤特性相关，而结构强度、刚度及稳定性主要和防沉板受力形式及大小、杆件

材质及规格、节点形式等有关。防沉板所受荷载主要包括自重、环境荷载（风、浪、流等）以及海床反力，还可能承受打桩荷载。常规防沉板设计主导因素是海

床特性，其直接影响承载力大小为主控工况。下沉式防沉板由于与主体框架分离，其强度、刚度及稳定性则成为设计的主控工况，特别是上部结构重量较大时，连

接防沉板和主结构的竖向立柱强度成为设计关键所在[3]。增加竖向杆件数量和截

面尺寸，会缓解强度问题，但必然增加重量，影响承载力和稳定性，并增加建造

成本。下沉式防沉板设计需要在强度、刚度及稳定性，承载力、抗倾覆和抗滑移

以及成本之间寻求平衡点。

海床土壤承载力通过地勘获取，通过计算确保土壤在外荷载作用下未遭受破

坏失效。防沉板承载力是根据土壤许用承载力与导管架组合应力的比值进行判别,组合应力综合考虑轴向应力和弯曲应力,不能超过防沉板的极限承载力。可通过

增大防沉板受力面积、抗弯截面系数以及材料屈服强度提高安全系数。

影响导管架稳定性的一个重要参数是水下重量，导管架受风浪流作用产生倾

覆弯矩，重力产生回复力矩。通过调整防沉板布置增大回复力臂提高安全系数。

为防止导管架初始就位后移动,需对比环境荷载产生的水平力与防沉板、土壤间

最小抗剪切力，通过适当增大防沉板面积提高安全系数。

导向架工作时防沉板基础置于海床埋深比防沉板最小横向尺寸小得多属浅基础。在API RP 2A规范中防沉板最小宽度是承载力修正系数选取的关键参数，对

竖向承载力影响十分显著。此外，也可适当增加防沉板间距提高竖向承载力。

下沉式防沉板必要时可设置裙板传递荷载，当裙板压力超过土壤极限承载力时,裙板附近局部土壤失效使裙板被压入海床[4]。裙板在海床贯入到设计深度，

可进一步保证承载力和稳定性。裙板过短将不满足稳定性要求产生安全隐患，过

长会导致裙板无法贯入到设计深度需回收后再次安装，不仅增加额外成本还会破

坏土壤结构，严重时需更换安装位置。为规避海上安装风险，在设计阶段裙板入

泥阻力可通过选择合理的计算方法求得极限承载力（包括端部阻力和侧摩阻力），并进行静力触探试验以获得更加真实数据。

四、总结

下沉式防沉板结构设计内容与常规防沉板相近，但由于结构特征不同两者之

间存在一定差异性。采用下沉式防沉板需重点关注以下方面：

软弱土质较差海域可优先考虑下沉式防沉板，避免常规防沉板为满足承载力

和稳定性要求追求增大受载面积解决问题，这样势必造成材料浪费和成本增加，

也会影响海上安装和后期钻井作业。

充分利用海床承载力低特征，通过防沉板下沉来增加防沉板承载能力，在确

保导管架初始坐底稳性同时，优化防沉板面积节约成本和施工资源。

防沉板与主结构通过竖向杆件连接，其节点形式受力复杂需考虑足够冗余度，确保其强度、刚度和稳定性。防沉板支反力会通过竖杆传递到主结构，受力集中

部位可通过局部加强进行处理。

结束语

作为导管架安装重要的功能组件和水下结构物首选基础形式，防沉板制作简单、易安装，在海洋油气开发应用广泛。防沉板结构设计需评估结构强度、刚度

及稳定性，海床承载力、抗滑移和抗倾覆能力。其中海床特性对设计起决定性影响，下沉式防沉板可与软弱不良地质更好适应，为各类新型结构形式应运而生起