我国导管架平台发展
1966年，我国在渤海建成第一座钢质桩基式导管架平台，并于1967年6月成功钻探了第一口海上具有工业油流的油井，井深2 441米，试油结果为日产原油35.2吨、天然气1 941立方米，它的成功，揭开了我国海洋石油勘探开发的序幕。从此，中国海洋石油进入了工业发展的新阶段。20世纪80年代以后，伴随能源需求量的增加，油气资源开发呈快速发展态势，一定程度上推动制造行业、安装行业以及平台的实际设计等方面的发展，我国海洋油气的主要生产装备桩基式导管架平台研发也有了长足的进展。
番禺30-1气田导管架，于2004年设计、2005年1月开工建造，该平台高213米，总重量达25 200吨，为目前亚洲海上油气田平台最大的导管架。导管架设计水深200米，无论是结构、运输、下水及配套系统的设计都属国内首次。番禺30-1气田平台导管架的建成，不仅为周边的油气构造的开发提供强有力的依托和支持，而且也标志着国产原材料和部分设备的制造和加工水平达到或接近海洋工程的国际标准。2010年12月，荔湾3-1导管架平台开工建造，2012年7月，该导管架平台建造完成。荔湾3-1导管架平台是我国自主研发、亚洲最大的深海油气平台。2020年3月，中国海油陆丰油田群区域开发项目陆丰15-1平台导管架在珠海开工建造，该导管架设计高度300米，是目前亚洲设计水深最深的导管架，标志着我国在深水超大型海洋油气平台导管架设计、建造上取得新突破。
1.番禺30-1气田导管架平台
番禺30-1气田导管架安装水深200米，高213米，设计重量16 400吨，加上钢桩总重量达25 200吨，为目前亚洲海上油气田平台最大的导管架，2004年年中开始设计，2005年1月开工建造。深圳赤湾胜宝旺工程有限公司分包了该导管架的建造。为保证导管架顺利装船与安装，总承包商海洋石油工程股份有限公司专门租用了一条8万吨级的下水驳船作为导管架运输和下水之用，由当时亚洲最大的3 800吨起重铺管船——“蓝疆”号执行海上安装作业。
番禺30-1导管架有8根导管，其中外部4根导管均为双倾，中间4根导管与其间的拉筋组成下水桁架，两根导管竖直，两根导管单倾。外部4根导管上各附有3个裙桩套筒，总共9层水平片。导管架垂直高度212.32米，底部尺寸74米×74米，顶部尺寸为44米×18米。导管架设计重量16 400吨，采用卧式建造。
番禺30-1气田导管架是海洋石油工程股份有限公司第一次独立设计的深水导管架。导管架设计水深200米，无论是结构、运输、下水及配套系统的设计都属国内首次。番禺30-1气田平台导管架的建成，不仅为周边油气构造的开发提供强有力的依托和支持，而且也标志着国产原材料和部分设备的制造和加工水平达到或接近海洋工程的国际标准。
2.荔湾3-1气田导管架平台
荔湾3-1气田导管架平台是一座超大型海上综合平台，安装海区水深200米，设有天然气分离、脱水、压缩等生产设施和公用设施口。平台下部结构为8腿16桩的导管架，上部设有3层主甲板支撑的生产处理设施，并在顶甲板上设可容纳120人的生活楼和直升机甲板。在前期研究阶段，该平台建造面临诸多技术挑战：在平台场址方面，由于缺乏工程地质资料而存在平台位置的不确定性；在总体布置方面，受上游工艺参数的影响，乙二醇储罐等超大型设备的尺度和撬块形式难以确定，直接影响到平台结构布置；在施工资源方面，对于3万吨以上的超大型导管架结构，存在导管架下水驳船难以锁定的问题，影响到导管架结构设计和施工分析。此外，使用导管架腿在水下储存抗冻剂乙二醇的问题，也缺乏成熟的工程经验。面对这些困难和挑战，设计者在汲取国内外先进经验的基础上，通过调研和分析计算，完成了荔湾3-1气田中心平台导管架结构方案的确定和基本设计工作，为今后类似的深水导管架项目提供有益的借鉴。
荔湾3-1气田中心平台场址的百年一遇最大波高为23.7米，表面流速超过2米／秒，风速达51米／秒，属于超强台风，设计波浪条件十分严苛。随着极端性海洋环境工况的频繁出现，特别是吸取前几年墨西哥湾的超强台风对海上结构破坏的教训，国际上对海洋工程结构的设计标准有所提高，我国的一些浮式结构也不同程度地提高了设计标准，出现了用200年或者500年一遇的条件作为极端设计工况。针对荔湾3-1气田中心平台这种固定式结构，结合国内外平台设计经验，综合考虑安全性和经济性，取百年一遇的环境条件作为极端条件，取一年一遇的环境条件作为操作条件，但考虑同一重现期内各种工况的主极值不应同时出现；经过比较，在设计中取波浪的主极值以及风和流的对应值作为条件极值组合。针对波浪的方向性问题，经调查和分析发现，国外使用方向性波浪组合的项目一般基于大量和长期的海洋环境监测资料，而我国海域的海洋环境监测才刚刚起步，实际监测数据非常匮乏，更缺少台风期间的观察资料，波浪条件基本上是依据理论分析而来，如果采用方向性波浪组合会带来相当大的风险。因此，为安全起见，在我国的平台结构设计中一般采用全方向环境条件组合，即环境条件按照360度全方向选取极值，导管架八个方向（以45度为间隔）采用相同的环境数据进行组合。(https://www.daowen.com)
荔湾3-1气田导管架设计中还考虑了内波的影响。我国南海存在内波，且以潮成内波为主。由于内潮的驱动，在南海的陆架陆坡海域，只要海水是稳定层化的，内波就会存在。南海内波次数频繁、流速较大且模态复杂，须在结构选型、设计中给予重视。在荔湾3-1气田中心平台导管架结构设计中，根据实测资料提供的一年一遇和百年一遇内波流数据是以流速的形式给出，设计中采用一年一遇内波流与百年一遇风浪流组合和百年一遇内波流与一年一遇的风浪流组合，杆件允许应力放大1.33倍。
导管架结构方案选择是一个复杂的系统工程，应综合考虑各种因素进行结构布置，并通过大量的结构分析和计算使方案达到最优，尽可能控制结构钢材用量。与浅水导管架相比，除满足功能要求外，深水导管架应更多地考虑环境影响和各种施工因素。在前期研究中就须考虑施工因素，这是深水导管架结构设计的一大特点。首先要考虑平台的海上施工方式，导管架是吊装还是滑移下水，甲板组块是采用吊装还是浮托安装，都会导致完全不同的平台结构形式。对于荔湾3-1气田中心平台导管架，需要采用滑移下水的方式。而对于甲板组块，在确认该海域吊装和浮托技术均可行的情况下，通过经济技术比较，推荐采用浮托安装甲板组块，这也就决定了导管架顶面必须留出一个48米宽的槽口以便浮托驳船通过。再与其他腿数的导管架方案相比，八腿导管架能够更好地适应超过3万吨级的特大型平台组块的支撑要求。在此基础上，详细比较了浮托驳船不同的进船方向；横向进船为槽口两侧各4根形成矩形框架结构的腿柱，纵向进船为槽口两侧单排的4根腿柱。相比之下，选择横向进船方案在组块对接期间具有更好的抗碰撞能力。
在确定了导管架工作点平面尺度以后，底面尺度是另一个对导管架起关键作用的参数。在方案筛选阶段，通过建立不同底面尺度的结构模型，进行控制性的结构分析，在满足结构强度的同一基准下，综合平台结构承受的环境荷载水平力状况、导管架结构钢材总重量、导管架桩头力和桩基结构布置、平台结构自振周期情况、导管架浮态和剩余浮力状况、底面尺度对预制场施工机具的要求等因素，即在保持导管架剩余浮力一致的情况下，既要使结构承受相对较小的环境荷载，又要使结构自振周期较小而结构钢材总重量能够满足施工船舶的要求，同时底面尺度满足预制场施工机具的要求又有利于桩基布置和承载力要求。最终确定荔湾3-1气田中心平台导管架工作点平面尺寸为34米×（12+48+12）米，底盘尺寸为100米×87米。导管架共分为7层。16根裙桩桩径为2 743毫米，在导管架EL.（）190米处设有防沉板。此外，该平台还设有立管、电缆护管、泵护管等。整个荔湾3-1气田中心平台导管架下水重量超过3万吨，是亚洲最大的导管架结构。
在确定了荔湾3-1气田中心平台导管架总轮廓尺度后，对结构进行在位分析和施工阶段各个工况的分析。结合建造和海上施工资源情况，在结构布置中考虑了必要的约束条件。例如，为了减少海上施工的难度和风险，要求导管架为浮吊辅助扶正，不考虑小孔充水；结构自身的剩余浮力要保持在12%以上，避免在导管架上设置浮筒；为了满足国产钢材陆地运输要求，限制导管架腿柱尺寸在4.5米以下；考虑平台预制场地卷管、焊接和检验能力，限制导管架和桩基厚壁段的厚度在100毫米以内，为保证上部组块浮托退船的安全，要求导管架槽口顶面水平层标高不超过17.0米。
荔湾3-1气田中心平台预定场址位于南海陆坡区，200米左右等深线附近属于陡立的陆坡，其工程地质情况异常复杂，水深变化大，土层分布变化也很大。从总体趋势分析，平台场址沿路由深水往浅水方向移动，钻遇岩石的风险减少，沙质持力层也逐渐上升。以往认为，珠江口盆地海域无硬土层，这次在工程地质钻孔中不仅发现了石头，而且还有木头，为了规避打桩拒锤的风险，需要规避岩层区，保证导管架桩基础的安全。此外，在135米的范围内，荔湾3-1气田中心平台的桩基承载力比番禺30-1平台明显降低，研究初期借用番禺30-1的土壤资料，对荔湾3-1气田中心平台曾考虑使用12根桩，但获得真实的土壤资料后，设计桩数增加到了16根，桩径也从2 438毫米增大到2 743毫米，仅此一项就使钢材重量增加了3 000多吨，说明借用土壤资料具有相当大的不确定性。因此，在前期研究阶段，应尽早取得土壤资料，以避免桩基设计的风险，同时也避免投资估算的不确定性。
由于荔湾3-1气田中心平台具有干重量超过3万吨、操作重量超过4万吨的上部设施，需要强大的下部基础结构支撑。根据承载力要求，该平台选择了16根2 743毫米直径的大型钢桩作为导管架的基础，桩结构的单根重量达750吨，桩基总重量1.2万吨，是目前世界上最大的导管架桩基。
【注释】
[1]上海振华重工（集团）股份有限公司。
