水下终端管汇结构设计

【摘要】流花19-5气田位于南海珠江口盆地，平均深水约181m，是我国南海近年来又一例采用水下生产系统方案开发的海上油气田。该项目主要的水下结构物包括一个水下终端管汇（PLEM）及一个水下脐带缆终端（SUTU），本文主要对该项目PLEM结构的设计方法及设计经验进行了总结，供后续项目参考。

【关键词】水下生产系统 PLEM 结构设计

水下生产系统由于其在开发深水油气田和边际油气田时具有明显的综合经济优势，已被世界上很多国家作为油田开发的一种重要方式广泛研究和应用。近年来水下生产系统在国内的应用逐步增多，目前已有陆丰22-l、流花ll-1、流花4-1、惠州32-5等油气田先后应用，水深最深为300多米[1]。

流花19-5气田是近期又一个应用水下生产系统开发的油气田，位于南海珠江口盆地，平均深水约181m，该气田属于边际气田，为低凝析气藏，分为A区和B区，各区分别有一口开发井，依托已建的番禺30-1DPP平台，井口物流经水下采油树和跨接管汇集至水下管道终端（PLEM），然后经12”的双层保温管输送至番禺30-1DPP平台，经脱水处理后由海底管道输送至珠海终端。

该气田的水下生产系统主要包括了两个采油树、脐带缆、一个水下终端管汇（P L E M）和一个水下脐带缆终端（SUTU），其中PLEM及SUTU的结构形式非常相近，本文主要针对PLEM的基础及保护结构的设计进行介绍。

1 基础形式的选取及设计

对于不同的水下结构物形式及不同的土壤地质条件，所适用的基础形式也不同，对于本项目的PLEM结构，根据所得到的地质勘察资料及结构物的规模，对几种基础形式通过简单的计算后进行了综合分析比较，最终选定了较为适合的基础形式，主要结论如下表1，确定采用带裙板的防沉板基础形式作为PLEM的基础结构形式（表1）。

经过初步的设计与计算，确定了PLEM的结构形式及尺寸：

PLEM：

长×宽×高：10m×8.6m×3m插板深度：0.75m总重量：85.25吨与防沉板一起建造安装，保护架单独安装。2 结构设计

PLEM结构设计所遵循的主要标准为API RP 2A[2]和1SO 13628-l[3]。通过考虑各种功能和设计要求，最终确定水下管汇整体结构尺寸和重量。PLEM及SUTU的结构设计内容主要包括基盘及保护结构，设计主要参数包括土壤参数、环境参数、设计寿命（15年）、设备载荷、跨接管载荷、海底管道载荷、渔网拖拉载荷等。设计中考虑的主要计算工况包括结构的在位分析及施工分析，对于操作工况选取100年一遇的环境条件，对于安装工况选取1年一遇的环境条件进行分析。其中一年一遇的底流流速为0.98m/s，百年一遇的底流流速为2.25m/s。分析使用的主要软件为SACS软件。2.1 在位分析

在位分析时考虑的主要荷载包括管线热膨胀载荷、操作载荷、设备载荷、环境载荷及渔网拖挂载荷，选取100年一遇的环境条件进行分析。在位分析主要包括正常操作工况、地震工况、渔网拖挂工况等工况的分析及对基础承载力及稳定性的校核。2.1.1 渔网拖挂分析

对于处在渔业区范围内的水下结构物，在设计中需要考虑捕鱼作业时渔网拖挂对结构物产生的影响。由于渔网拖挂所产生的力较大，因此渔网拖挂工况是PLEM结构设计中的重要控制工况。渔网拖挂载荷的选取根据规范ISO 13628-1 附录F中的规定，其中水平拉力为作用在结构顶部的两个200kN的力，扭转力为分别作用在结构顶部和防沉板上的一个300kN的力（如表2及图3所示），并考虑0到20度的水平作用角度。同时为了避免结构的棱角对渔网产生拖挂，因此在设计中将保护结构设计为光滑结构。对于落物的防护，按照13kJ的撞击能量考虑。

2.1.2 基础承载力及稳定性分析

PLEM结构基础承载力及稳定性分析根据API RP 2A规范中的要求分别进行了土壤承载能力计算，防沉板抗侧滑能力计算、抗倾覆能力计算、基础沉降计算、抗扭计算、裙板插入分析以及裙板弯曲计算。

计算结果显示在裙板插入深度0.75米的情况下PLEM基础结构设计满足规范中对于承载力2.0倍安全系数的要求以及对于抗滑移和抗扭工况下1.5倍安全系数的要求，其中增加了20吨的配重以满足基础抗侧滑稳定性及裙板插入分析的要求（表3）。

2.2 施工分析

PLEM结构的施工分析主要包括了运输分析、吊装分析及波浪拍击分析等。

2.2.1 吊装分析

PLEM在海上安装时分为基础和保护架子两部分进行吊装安装，均采用4点起吊安装，水平下放。对两部分结构分别进行吊装分析，根据API RP 2A规范的要求，对于整体结构校核考虑1.35的动力放大系数，对于吊耳附近的局部结构采用2.0的放大系数进行校核。

2.2.2 波浪拍击分析

由于安装时PLEM基础结构进入水面时防沉板要受到波浪拍击的作用力，因此需要进行波浪拍击分析。波浪拍击荷载是由防沉板与波面的相对运动所产生的，包括安装船的运动与结构下放运动和波面运动的叠加。该分析依据DNV RP-C205规范[4]进行校核。

防沉板尺寸Bm=8.6m，Lm=10m，PLEM基础的重量Pv=63吨，其垂向拍击力计算根据规范中公式：

F = 0.5 * Cv * Rou* A * Vz2其中 Rou = 海水密度

A = 防沉板与海水接触面积Vz = 垂向速度

图4 波浪拍击分析示意图

计算中假设防沉板的下放速度为0.3m/ s，船舶与波面的垂向速度通过计算得到。分析时考虑如下4种基本工况：

工况1，拍击力由安装船的运动及吊机运动叠加所产生，此时假设水面静止，防沉板与海水完全接触；