導管架的案例
基于 Inspire 的導管架平臺優化方法研究
田曉潔，王清揚，劉運祥，謝大帥 （中國海洋大學，青島，266100）
摘要：導管架是固定于海底用來支撐海洋裝備的桁架結構，用來承受惡劣海洋環境下多種載荷的作用，如風載、流載、波載以及海冰載荷。合理的結構設計對減小結構的最大應力、振動以及疲勞破壞等有非常重要的作用。本文以 JZ20-2MUQ 導管架平臺為優化對象，利用HyperWorks 的 Inspire 模塊進行拓撲優化，求解得到清晰的桁架結構。對優化結果進行重建分析，發現優化后的模型重量、位移和最大應力均減小，剛度增加，為海洋工程結構物的設計提供了一種新的設計思路。
1 概述
導管架平臺是目前世界上使用最多的一種海洋石油平臺，是一種相當成熟和通用的平臺型式。但是，由于導管架平臺結構復雜、體積龐大、造價昂貴，所處的工作環境惡劣，在考慮安全性、經濟性的前提下，對導管架平臺設計提出了更高的要求[1]。 傳統的海洋平臺結構的設計是按照設計規范要求，采用“試算-驗證-修改”設計方法進行的，這種設計方法需要耗費大量的人力和時間，所得到的設計方案往往只是滿足規范要求 的一種方案。結構優化設計是結構設計理論的重要發展，已成為傳統結構設計的一個有力輔助工具，其設計思想的內涵已不僅僅是追求體積最小或重量最輕，更重要的是要達到一種資源合理的優化配置。
2 模型建立
2.1 平臺優化區域建模
進行導管架平臺的拓撲優化首先要定義平臺的設計空間，在平臺的設 空間中可以根據需要隨意布置骨架材料。要定義設計空間一般需要考慮加工 等實際需要，選取盡可能大的區域，以充分挖掘優化潛力。為避免拓撲優化 時改變所研究導管架平臺的基本結構形式，仍然需要采用下部四腿支撐，上部甲板結構。
展開 利用sacs軟件導管架平臺建模
3.1 模型基礎參數的設置
利用SACS軟件中Modeling模塊對本課題中所用到的導管架平臺進行建立，首先確定建立模型的基礎基本參數。本課題中選用常見的四導管導管架平臺，具體參數如下：
工作水深為79.5 m;工作點高度為4.0 m;樁腿管接頭高度為3.0 m;泥水分界線和樁腿根部高度為-79.5m;其他中間高度為-50.0, -21.0, 2.0, 15.3, 23.0 m;此導管架并無傳導裝置和邊樁;工作點間距為X1=15 m, Y1=10 m;樁腿的傾斜Pile/Leg Batter:
Row 1 (leg 1 and leg 5, left two legs) X=0, Y=10
Row 2 (leg 3 and leg 7, right two legs) X=10, Y=10
具體的平臺模型參數設置如圖3.1所示。
（a）平臺模型關鍵點高度設置
（b）平臺樁腿斜度設置
圖3.1 平臺模型參數設置示意圖
得到導管架平臺四個樁腿的初步立體模型如下圖3.2所示。
展開 SACS軟件渤海海域導管架平臺船舶撞擊性能分析 附SACS軟件手冊模塊說明下載
作者簡介
尹光榮,曾參與和負責過多個導管架、組塊和生活樓結構設計，具有豐富的海洋固定結構物設計經驗。
溫生亮，先后參與并負責過多個導管架平臺的設計工作，熟悉導管架平臺從下到上全身的結構設計。
[論文]導管架海上平臺可靠度計算的隨機有限元方法
導管架海上平臺可靠度計算的隨機有限元方法（會議論文）
導管架海上平臺可靠度計算的隨機有限元方法.pdf
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隨機波浪載荷作用下導管架平臺動力響應及疲勞可靠性分析
摘要：主要針對波浪載荷作用下導管架式海洋平臺結構的疲勞可靠性進行研究。采用Airy線性波浪理論，將導
管架結構離散成空間梁有限單元結構；在此基礎上采用結構模態分析方法，編程計算了平臺結構在隨機波浪載
荷作用下的位移、速度、加速度和應力隨機響應及其概率統計量。導管架結構疲勞可靠性分析建立在頻域響應的
基礎上，假設結構響應的應力范圍服從Rayleigh分布，利用結構應力傳遞函數得到結構應力響應譜，然后利用
Miner線性累積損傷準則推導出結構疲勞壽命的概率分布函數，并考慮結構疲勞強度影響系數的隨機性，求得結
構在隨機應力譜下給定疲勞壽命時的疲勞可靠性指標。文中所建立方法可用于導管架式平臺結構的疲勞安全評
估。
隨機波浪載荷作用下導管架平臺動力響應及疲勞可靠性分析.pdf
展開 典型海工開發模式及其特點（1）
順應式平臺與導管架平臺相比可用于稍深處，但與各種浮式生產系統相比，其經濟性還是沒有優勢。
【推薦】Johan Sverdrup項目實現新節點 (內附視頻)
7月底，立管平臺的鋼質導管架由荷蘭海上油氣開發工程承建商Heerema Marine Contractors公司的Thialf號起重船安裝完畢。
該導管架重約2.6萬噸，由挪威工程公司Kvaerner在特隆赫姆附近的Verdal船廠建造而成，是目前為止歐洲建造的、安裝在挪威大陸架上最大型、最復雜的導管架。其安裝處水深約120米，從海底向下延伸140米，占地面積為94米＊64米，使用約24根總重9000噸的腿柱固定。挪威國油Johan Sverdrup項目總監KjetelDigre在導管架安裝時說：“這個項目節點意義重大，它是該油田上第一個可見的目標。我們已經在海床上下都做了大量的工作，接下來，海面以上的施工也將鋪展開來。”
全金屬導管架
除了立管導管架，Kvaerner和美國KBR的合資公司還將為Johan Sverdrup項目建造另外兩座導管架，以及公用設施和居住模塊。
Kvaerner公司和KBR公司表示鉆井平臺的導管架將于2018年初在Verdal船廠完工，處理平臺導管架將于同年夏天在同一船廠完工。公用設施及居住的上部模塊也在Kvaerner公司的Stord船廠緊鑼密鼓的施工中，該船廠位于卑爾根和斯塔萬格之間。
鉆井平臺
與此同時，挪威油氣服務商Aibel公司獲得了3座Johan Sverdrup一期鉆井平臺模塊的總包合同，施工進展順利。基礎支撐模塊已于今年8月初完工，重量為10800噸，是該公司旗下的泰國Laem Chabang船廠所建的最大噸位的基礎支撐模塊，現在正在運往挪威的途中。
8月份Aibel宣布在挪威Haugesund船廠建造的鉆井支撐模塊和在挪威Grimstad船廠建造的鉆井設備模塊完成安裝和試運行。
展開 海上風電基礎型式
2）導管架基礎：由鋼管樁通過導管架固定結構物，可以保證平臺結構整體性，建造形式相對簡單，可利用其結構特點加大承載能力。導管架基礎適宜安裝在水深范圍在 20m-50m 左右的范圍內，其具有結構簡單、安全性高、造價較低的特點，所以導管架基礎的應用越來越廣泛。
3）重力基礎：其主要依靠自身的巨大體積和重量保持結構的穩定。該基礎結構在安裝前需提前進行海底安裝準備，但其結構相對簡單、造價低廉，受到海底沙粒影響較小，穩定性和可靠性均已通過工程實際得到了證實。
4）負壓桶（吸力桶）基礎：負壓筒基礎通常包括單桶和多桶兩種形式。該基礎形式適用于軟黏土，結構穩定性同樣依靠自身重力來實現，但其在安裝下沉的過程中極易出現傾斜，需不斷對其方向進行調整。目前，負壓筒基礎在海洋風電領域的應用并沒有得到推廣，可靠性也需要不斷地研究加以證實。
5）浮動平臺結構：浮動平臺結構，目前較為常見的主要有：張力腿平臺(TLP)、SPAR 型平臺和半潛式平臺等海洋油氣工業常用的結構形式，它們在近幾年逐漸應用于風力發電領域，其工作水深可達到200m 或更大水深海域，是進軍深海的重要基礎形式。
展開 砂土剛度衰減模型在海上風電工程中的應用
計算機配置：
CPU:Intel(R) Core(TM) i7-10750H CPU @ 2.60GHz 2.59GHz(11核)
內存：32GB
計算耗時：
大直徑單樁基礎：9h
負壓筒基礎：12h
導管架基礎：25h
海洋油氣田開發設施的類型及特點
海洋石油開發涉及的海工設施主要包括固定式平臺（包括導管架固定平臺、順應塔固定平臺、重力式平臺等）、各類浮式生產平臺（包括張力腿平臺、浮筒式平臺、半潛式平臺、FPSO等）及水下生產系統、深水立管，其中各類固定和浮式生產平臺上可設置鉆、修井裝置進行開發井的鉆井和修井。
1 導管架固定平臺
導管架平臺具有制造簡單、海上作業平穩安全的特點，在淺海海域使用具有良好的經濟性，使用水深范圍在5m～300m；但當水深大于300m后，導管架的重量及造價隨著水深的增加大幅度提高， 限制了這種平臺結構形式向更深的水深發展。
2 順應塔式平臺
順應塔式平臺也屬于固定平臺的一種，因此其適用水深也有限，實際應用的水深范圍在305～610m之間。類似于固定平臺，順應塔平臺通過樁固定于海底，但其大直徑的樁腿數量相當少，而且樁腿不內傾，平臺會隨水流或風載荷移動，順應塔式平臺通過人為降低結構剛度使其自振頻率高于30s，避免與大浪共振，因而運動性能較好，整體抗疲勞性能好，但各部分連接處易產生疲勞。其制造簡單，導管架部分結構件尺寸小，重量輕，海上安裝方便，但對海況惡劣的海域不適用，水深一般不超過700m。
3 混凝土重力式平臺
混凝土重力式平臺的底部通常是一個巨大的混凝土基礎(沉箱)，用三個或四個空心的混凝土立柱支撐著甲板結構，在平臺底部的巨大基礎中被分隔為許多圓筒型的貯油艙和壓載艙，這種平臺的重量可達數十萬噸，依靠自身的巨大重量，平臺直接置于海底，混凝土重力式平臺的一般應用水深范圍6m～300m。
展開 專業系統 | 海洋風機基礎平臺結構分析軟件
海上風機基礎平臺設計
幾何建模：系統提供了單樁、水下多樁、水上三樁、高樁承臺和導管架等模型。
材料庫：包含各類鋼材、混凝土等材料。
環境參數：包括地質參數、海況參數，提供了樁土作用模型，考慮了海水密度、海洋附生物、拖拽力系數、慣性力系數等因素。
載荷類型：包括活載荷、風載荷、水流載荷、波浪載荷和風機載荷，載荷種類多樣，充分考慮了海洋平臺結構在實際工作環境中可能的外載。
工況組合：不同的工況可通過對各種載荷進行加權組合而得，同時可以在工況組合中生成不同的工況，形成列表，在計算的時候可以連續計算多個工況，提高工作效率。
靜力分析：在之前設置的基礎上直接調用ANSYS完成靜力學分析整個流程。
導管架強度校核
強度校核：在之前靜力分析結果基礎上運用內置的API和海洋平臺規范進行校核，并分別輸出水平位移、沉降和應力校核結果。
灌漿分析：針對灌漿段做細部結構分析。
模態分析設置：設置模態參數，并添加塔筒等結構，這些結構以等效質量的方式考慮。
導管架模態結果
模態分析：在模態分析設置基礎上直接調用ANSYS完成模態分析整個流程。
疲勞分析設置：可添加波浪序列、風機循環載荷、材料S-N曲線、應力集中系數等參數設置。
疲勞分析：在疲勞分析設置基礎上直接調用ANSYS完成疲勞分析整個流程。
地震譜設置：導入時間序列或者頻域譜值，輸入譜類型可涵蓋位移譜、速度譜、加速度譜和力譜，振型組合方法包括SRSS、CQC和ROSE，可設置阻尼比、alpha阻尼和 beta阻尼。
展開 
Bentley為海洋工程結構設計提供完整解決方案
荔灣導管架水深189.5米，安裝總高度201米，安裝重量31126噸，鋼樁重量12426噸，是迄今為止亞洲第一、世界第五大導管架。大型導管架通常采用滑移下水的方法安裝。傳統的導管架滑移下水的強度分析采用手動的分析方法，費時費力，重復勞動量巨大，極易出錯，無法保證分析的進度和質量。
該項目使用Bentley SACS及MOSES軟件，并基于SACS、MOSES軟件交互接口，開發出“導管下水強度分析智能分析技術”。實現完全代替人工操作，完成導管架下水強度的自動化分析及數據處理智能化。
而通過Bentley公司的移動平臺應用，設計效率和質量得到顯著提高。傳統方法多人數十天的工作量，現在只需一個人1~2天就可以完成，從而大大降低了人工成本，使工期整整縮短了1個月。
展開 拓撲優化在海洋工程中的應用（轉自公眾號跨海游龍）
Tian等將拓撲優化用于導管架平臺結構設計，與規則設計結果相比較，重量減少13.7%，同時最大應力減小46.31%。Lee等分別采用拓撲優化與規則設計進行5MW海上風電導管架平臺設計，得出拓撲優化設計的平臺在重量和應力水平上均具有優勢，提高了平臺可靠性。
圖2 導管架平臺
圖3 導管架拓撲優化
圖4 導管架平臺局部構件應力云圖
圖5 船用舷臺框架拓撲優化
4.拓撲優化在海洋工程中的發展前景
拓撲優化的未來研究方向主要體現在：
1)基于無網格數值技術的拓撲優化設計；并行結構拓撲優化設計技術；雙向拓撲優化技術；復合形遺傳算法等混合拓撲優化設計技術；
2)多目標拓撲優化設計；結構動力學的拓撲優化設計；非線性的拓撲優化設
計；可變荷載拓撲優化設計；多工況下的拓撲優化設計；
3)路徑規劃非線性控制柔性機構的拓撲優化設計。
隨著“綠色制造”、“信息化與工業化深度融合”、“制造業創新”出現在政府工作報告《中國制造2025》。海洋工程領域對平臺、船舶結構提出了更高要求，拓撲優化作為新興的結構優化技術勢必將越來越多的應用到該領域，在滿足材料性能、現有加工建造工藝基礎上，通過模型優化，取得良好的經濟效益，也為社會貢獻價值。
展開 SACS軟件單元計算長度修正指南：不再困惑Ly與Lz
二、先搞懂坐標系，否則全白搭
在SACS軟件中，有兩套坐標系需要分清：
全局坐標系（整個結構的大方向）
X軸：水平方向
Y軸：另一水平方向
Z軸：垂直方向（重力的反方向）
局部坐標系（每個桿件自己的方向）
x軸：沿著桿件軸線，從起點指向終點
y軸：位于桿件軸線與全局Z軸形成的平面內，并且垂直于桿軸線
z軸：垂直于上述平面，用右手定則確定
提示：我們修改計算長度時，關注的是局部坐標系的y和z方向
Ly：繞局部y軸彎曲時的計算長度
Lz：繞局部z軸彎曲時的計算長度
三、四種常見情況
情況1：水平撐桿
對于導管架的水平撐桿：
Lz（平面內，下圖紅色的面內）：通常是桿件的幾何長度，一般不需修改
Ly（平面外）：需要修改！取值為兩端有效支撐之間的距離
情況2：主腿
對于導管架的主腿：
Lz和Ly都需要修改！
展開 X34 救撈專業綜合
二、海洋平臺安裝
考試內容
海洋平臺安裝基本概念 海洋平臺安裝施工設計 導管架平臺安裝工藝過程和技術 模塊安裝工藝過程和技術 導管架安裝施工案例分析
考試要求
1．理解海洋平臺安裝基本概念和典型安裝工藝過程。
2．了解導管架平臺基本結構、施工載荷及其計算。
3．掌握導管架平臺安裝工藝過程、關鍵施工技術和系統。
4．掌握模塊安裝工藝過程、關鍵施工技術和系統。
5．會進行典型導管架平臺海上安裝施工方案設計。
三、海底管道工程
考試內容
概念 海底管道工藝設計 常用海底管道鋪設方法 海底管道鋪設施工作業程序及裝備 海底管道檢測與維修技術 海底管道施工案例分析
考試要求
1．理解海底管道概念、管道種類、海底管道工程特點、施工過程。
2．掌握海底管道工藝設計內容及其計算。
3．掌握海底管道位置穩定性分析內容及方法。
4．掌握常用海底管道鋪設方法種類、特點、典型工藝過程。
6．掌握海底管道施工的作業船舶和機具、施工作業程序。
7．掌握海底管道腐蝕和裂紋檢測、管道泄漏檢測技術、海底管道維修和更換技術的種類、特點和設備。
8．會進行海底管道鋪設施工工程項目的方案設計及管道損壞檢測與維修方案設計。
四、海底電纜工程
考試內容
海底電纜種類、結構 海底電纜的選型計算 海底電纜施工設計 海上施工程序、方法和工藝設計 海底電纜施工案例設計
考試要求
1．理解常用海底電纜的種類、結構組成及特點。
2．了解海底電纜的選型計算內容及方法。
3．了解海底電纜施工設計的基本內容及方法。
4．理解海上施工作業裝備、程序。
5．會進行典型海底電纜鋪設工程的施工方案設計。
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