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摘要：随着国家能源结构的持续优化完善，海上油气平台建设进入了新的历史发展时期，开辟出了崭新的发展局面，对其结构优化设计问题提出了更高要求。基于此，本文首先介绍了海上油气平台结构的重要性，分析了海上油气平台结构问题，并结合相关实践经验，分别从桩基导管架平台优化设计模型以及设计荷载计算及荷载组合等多个角度与方面，探讨了基于可靠度的海上油气平台结构优化设计问题，望有助于海上油气平台相关工作的实践。
关键词：海上油气平台；结构构造；优化设计；技术方法
引言：
海上油气平台是开发利用海洋能源资源的重要载体，其结构优化程度与其整体应用效益密切相关。在海上能源资源开发节奏不断加快的背景下，有必要对其结构性优化设计问题进行深入探讨，以期通过特定优化设计方法，提高海上油气平台运行效能。本文就此展开了探讨。
1海上油气平台结构的重要性
石油和天然气资源在国家能源结构体系中占据着关键地位，是支撑国家经济社会持续健康稳定发展的基础与根本。在陆地油气资源开采到一定程度后，必然将油气勘探与开发的重点转向海洋领域。海上油气平台是海洋油气资源得以顺利开发的关键性基础设施，是保障海上油气资源开发的重要载体。自诞生至今，海上油气平台经历了数次优化与改进，平台结构样式日趋丰富，对海上油气开发作业的保障性作用愈发突出。一方面，海上油气平台结构性强，建造规模大，经济成本高，其安全性与稳定性直接关系到海上油气资源的开采进程与成效；另一方面，海上油气平台所处环境复杂恶劣，受海浪、海冰、潮汐等外界作用显著，海水腐蚀、海洋生物附着、地基土冲刷、材料老化等威胁时刻存在，若其结构设计不合理，则极易出现整体抗力衰减、安全评价与运行系数下降等问题[1]。因此，当前形势下，采取行之有效的技术方法与措施，切实优化海上油气平台结构设计效果，对于提高海上油气平台安全作业效能，优化平台结构可靠度及寿命评估效果，保障海上油气资源开采工作顺利有序进行等意义重大。
2海上油气平台结构分析
2.1海上油气平台有限元模型
为了对海上油气平台实施更加精准有效的有限元分析，可采取现代软件技术将其各项模块构成进行细化分解，对不同功能模块做出专项测定与检验分析，最终得出复杂海洋条件下海上油气平台的静力强度、动力强度、疲劳指数及极限强度等技术参数指标。纵观当前海上油气平台有限元分析模型软件，采用SACS软件较为广泛，其内置了多项具有专业性与系统性特征的钢结构资料库及技术标准要求，可对海上油气平台进行定向与定量安全校核。在软件平台环境下实施有限元模型分析可有针对性地构建计算模型，根据平台结构样式、位置、构件尺寸等客观要素作出相应技术分析[2]。
2.2海上油气平台载荷
海上油气平台结构所承受的荷载主要来自三个方面，即应用荷载、建造荷载及环境荷载。应用荷载是由海上油气平台自身结构、机械设备、附属配置等方面形成的动态化荷载；建造荷载是海上油气平台建造施工过程中形成的应力状态，具有固定化、系统化、交错化等特点；环境荷载属于客观荷载，主要受海洋环境影响。在上述不同荷载类型分析中，可通过节点化的形式将其作用于有限元数字模型之中。以环境荷载中的风荷载为例，将风速自定义为某一常量，根据风压、风速以及平台形状系数、高度系数、迎风投影面积等客观数据，得出相应的风力参数大小。
2.3海上油气平台静力分析
为确保海上油气平台结构在极限条件下依旧能够保持正常安全作业，应将静力分析组合荷载置于模拟化的自然环境强风暴之中，按照风暴工况、作业工况、拔桩工况等进行组合分析，形成不同组合状态下的固定荷载工况。通过静力分析，得出海上油气平台不同构件的应力状态，并根据相关技术标准与行业规范，参照构件设计要求，对冲剪应力做出校核。由于部分状况下管节点结构受力状态相对分散，因此还应在静力分析基础上做出疲劳分析[3]。
3基于可靠度的海上油气平台结构优化设计探讨
3.1构建桩基导管架平台优化设计模型
平台优化设计模型的构建需要从宏观角度统筹分析多项技术数据参数，比如设计变量、目标函数、约束条件等，并确保各项参数之间的逻辑衔接效果。以优化设计模型中的约束条件为例，由于海上油气平台的综合受力状态相对复杂，可将约束条件细化分为刚度约束、强度约束、稳定性约束以及尺寸约束等子项，结构位移可靠度指标应不小于结构容许位移可靠度指标，通过设计变量、节点容许位移以及特定工况状态下导管架顶部节点的最大位移等，对极限函数进行专项描述。在平台优化设计模型的支持作用下，参照平台可靠度基本标准与要求，对平台结构进行有目的、有步骤、有针对性地优化处理。
3.2设计荷载计算及荷载组合
3.2.1设计环境条件
环境设计条件是海上油气平台结构设计的重点考虑因素之一。根据平台运行设计技术标准与行业规范，可将设计环境条件细化分为工作环境条件以及极端环境条件，上述设计环境条件各具特点。前者是指海上油气平台在使用过程中面对的环境条件，具有显著的客观性，需要通过分析研判其施工与作业标准辨识其荷载效果；后者则是当海上油气平台运行超出一定时间后，在相对极端恶劣状态下的荷载表现，反映其在极端环境下的疲劳寿命系数[4]。
3.2.2环境荷载及其计算准则
由于海上油气平台结构性突出，其所面临的荷载类型较多，比如结构性荷载、风力荷载、水流荷载以及海冰荷载等。上述荷载类型与来源不同，对海上油气平台的作用存在显著差异。结构性荷载则主要来自于海上油气平台自身结构性重量以及所附属设备重量，在海上油气平台建造规模日趋提高的背景下，结构性荷载呈高企态势。风力荷载中的纵向荷载与横向荷载均会直接作用于平台结构本体上，不同时段的不同海域风力荷载问题突出，必须根据相应的计算准则予以计算。风力荷载的计算结果主要与风载体型系数、基本风压值、平台受风面积、风振系数、风压值等基本参数密切相关。
3.3导管架管节点疲劳可靠性分析
在导管架节点疲劳可靠性分析中，应首先对可靠性基本理论进行精准把握，主要包括极限状态函数、可靠度和失效概率等，对这些基础理论进行充分运用，有助于优化可靠性分析的最终效果。由于在正态分布随机变量条件下，能够实现对可靠度指标及失效概率的自定义，因此可通过线性功能函数评价平台结构的可靠性衡量指标。在此过程中，应对功能函数与随机变量进行优化处理，得出基本随机变量的波动幅值及方差均值，并对非线性状态函数进行线性转换。对于海上油气平台杆件可靠性而言，应突出其核心受力区域，根据不同区域的荷载情况设定不同的极限状态方程；对于关节点可靠性，则应充分考虑海水冲剪破坏，组合优化轴向应力与弯曲应力[5]。
3.4海上油气平台结构风险评估
风险评估是以某不确定性事件为主要面向对象，对后期可能导致的各项后果进行细化精准评价，为采取相应的风险应对措施提供参考与依据。对于海上油气平台结构的风险评估而言，则主要包含平台结构构件的失效可能性及构件失效后果等双重意义。在构件风险分析评价中，应对构件失效系数及失效概率做出计算。以海上油气平台结构倒塌失效概率分析为例，通常需要用结构的储备强度比进行表示，通过计算随机变量均值、标准差、变异系数等基本数据，得出相应的倒塌失效概率，并与专业技术标准规范进行比对分析，根据二者之间的差距调整相应参数，有效提升平台构件极限承载能力，将相应概率事件控制在合理范围内（如图1所示）。
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图1 风险评估结果示意图
4结语
总之，海上油气平台结构优化设计的重要价值决定了其在海上能源资源开发体系中的重要地位。随着海上油气资源开发现实需求的多样化，海上油气平台的结构优化设计问题将会变得愈发突出，这要求相关设计人员不断总结经验，不断创新结构优化设计理念，始终运用海上油气平台结构设计的最新理念与最新理论，优化整体设计效果，推动海上油气平台始终朝着更高效率、更高质量、更高水平的方向发展。
参考文献：
[1]陈国明，李艳涛.新时期海上油气田区域开发的工程技术应对策略实践与思考[J].四川水力发电（下旬刊），2019（02）：305-309.
[2]刘海康，崔伟珍.浅谈现代电力系统黑启动过程中线路继电保护的配置与整定[J].装备机械发展论坛，2019，（07）：289-292.
[3]严保伟，沈智健，陈涛.基于FDS的海洋平台油气处理系统火灾危险分析[J].油气田环境保护，2019，23（11）：126-130.
[4]沈全荣，郑紫嘉.东坪铺水电站发电机及变压器继电保护设计[J].电力系统自动化（电子版），2019，（11）：253-255.
[5]栗天标，周家启.基于CFD的海上钻井平台井喷天然气井喷天然气扩散规律研究[J].石油化工安全技术，2019，5（20）：113-115.