“TIGER”鉆井船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遲少艷，楊 青，鐘 晨

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

“TIGER”鉆井船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遲少艷，楊 青，鐘 晨

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

以上海船廠總承包的“TIGER”鉆井船為工程對(duì)象，闡述了中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)第一艘深水鉆井船所涉及的結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、波浪載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算等特點(diǎn)，尤其對(duì)月池開(kāi)孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了論述，并對(duì)開(kāi)孔區(qū)域的屈服強(qiáng)度和疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和鉆井功能配合的若干問(wèn)題進(jìn)行了闡述，為后續(xù)鉆井船的總體設(shè)計(jì)提供借鑒。

鉆井船；月池開(kāi)孔；波浪載荷；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度校核；疲勞壽命

0 引 言

深水鉆井船是一種用途廣泛的海上特種結(jié)構(gòu)物，是海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的主力裝備之一。深海鉆井船技術(shù)難度高，附加值大，其設(shè)計(jì)建造反映了一個(gè)國(guó)家在海洋油氣開(kāi)發(fā)裝備上的研發(fā)水平；目前，世界鉆井船主要建造國(guó)家為韓國(guó)、日本及一些歐洲國(guó)家，世界上能夠從事鉆井船設(shè)計(jì)的公司也主要集中于歐美國(guó)家。為緊緊抓住目前國(guó)際造船業(yè)不斷向中國(guó)轉(zhuǎn)移的有利時(shí)機(jī)，做好自主研發(fā)，掌握深海鉆井船的關(guān)鍵技術(shù)，為國(guó)內(nèi)船廠競(jìng)標(biāo)和接單做好充足的技術(shù)儲(chǔ)備，2011年底，中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)了國(guó)內(nèi)首艘自主設(shè)計(jì)的“TIGER”鉆井船的設(shè)計(jì)任務(wù)。

“TIGER”鉆井船是上海船廠總承包的2+2系列鉆井船，采用8點(diǎn)錨泊定位，自航，主要設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，船東為OPUS OFFSHORE，設(shè)計(jì)壽命25a。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是船體綜合效率高，緊湊的設(shè)計(jì)使該型鉆井船擁有較高的成本優(yōu)勢(shì)，屬于經(jīng)濟(jì)型深水鉆井船。

詳細(xì)闡述了在“TIGER”鉆井船的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要關(guān)注的不同于常規(guī)船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)規(guī)范

1.1適用規(guī)范

該船入ABS（美國(guó)船級(jí)社），需滿足ABS MODU 規(guī)范（RULES FOR BUILDING AND CLASSING MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS ）和鋼制海船規(guī)范（RULES FOR BUILDING AND CLASSING STEEL VESSELS）相關(guān)要求。另ABS于2011年8月份發(fā)布了專門(mén)針對(duì)鉆井船的指導(dǎo)性文件“ABS GUIDE FOR BUILDING AND CLASSING DRILLSHIPS HULL STRUCTURAL DESIGN AND ANALYSIS”，要求于2012 年1月1日起強(qiáng)制執(zhí)行。此指導(dǎo)性文件綜合了MODU和SVR中對(duì)鉆井船的相關(guān)要求和對(duì)疲勞強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度的相關(guān)要求，是專門(mén)針對(duì)鉆井船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的指導(dǎo)性文件。

1.2規(guī)范特點(diǎn)

相比較于常規(guī)鋼制海船規(guī)范，鉆井船指導(dǎo)性文件有以下特點(diǎn)：

1） 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求基于凈尺寸，即建造構(gòu)件尺寸應(yīng)在凈尺寸基礎(chǔ)上增加腐蝕裕量；

2） 上部模塊及其與船體界面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求基于建造構(gòu)件尺寸，即已包含腐蝕裕量；

3） 常規(guī)腐蝕裕量對(duì)應(yīng)的船舶設(shè)計(jì)壽命為20a，超過(guò)20a的設(shè)計(jì)壽命時(shí)，規(guī)范有具體的每多1a增加的腐蝕厚度要求；

4） 船體梁波浪載荷計(jì)算公式，是在IACS（國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)）建議公式基礎(chǔ)上增加了反映環(huán)境惡劣程度的系數(shù)β，在無(wú)限航區(qū)條件下β=1.0。系數(shù)β可根據(jù)ABS鉆井船的程序“SEAS”計(jì)算得到；

5） 主船體的疲勞熱點(diǎn)除了常規(guī)強(qiáng)框架、橫壁水平桁趾端外，還包括月池開(kāi)孔角隅；

6） 有限元分析的許用應(yīng)力與網(wǎng)格尺寸有密切的關(guān)系，網(wǎng)格尺寸分為骨材間距、1/2骨材間距、1/3骨材間距、1/4骨材間距、1/5～1/10骨材間距和板厚網(wǎng)格。

2 船舶概況

鉆井船區(qū)別于常規(guī)船舶的最大特點(diǎn)就是船舶中部的月池開(kāi)孔，以及用于鉆井作業(yè)相關(guān)的設(shè)備，典型的鉆井船布置見(jiàn)圖1。

對(duì)于“TIGER”鉆井船，月池開(kāi)孔位于船中偏后的位置，月池開(kāi)孔長(zhǎng)度≈1/8船長(zhǎng)。月池開(kāi)孔上方設(shè)置有鉆臺(tái)、貓道和井架。月池向艉布置有鉆桿堆放區(qū)、機(jī)艙、艉部泵艙、艉部絞車艙和推進(jìn)設(shè)備艙等。月池開(kāi)孔兩側(cè)布置有固井單元、泥漿處理間、P-TANK艙、鉆井相關(guān)工作間等。月池向艏布置有隔水管堆放區(qū)、散料堆放區(qū)、泥漿池、泥漿泵艙、艏部設(shè)備艙、艏部泵艙和艏部絞車艙等。月池開(kāi)孔的對(duì)角方向設(shè)有兩臺(tái)80t的吊機(jī)。生活樓和直升機(jī)甲板亦設(shè)置在艏部，總布置見(jiàn)圖2。

2.1主尺度

2.2作業(yè)能力

3 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，鉆井船與其他船舶和海洋結(jié)構(gòu)物相比，其最大特點(diǎn)就是在船舯處布置有一個(gè)垂向貫穿船體、腔內(nèi)有自由液面、內(nèi)外海水相連的月池結(jié)構(gòu)。因此，鉆井船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最基本且最重要的因素是月池開(kāi)孔對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響。

3.1舯橫剖面

有效地進(jìn)行舯橫剖面設(shè)計(jì)，是提高鉆井船總縱強(qiáng)度、進(jìn)而實(shí)施鉆井作業(yè)功能的重要方面。由于月池開(kāi)孔的存在，使得月池橫向開(kāi)孔范圍內(nèi)的所有縱向構(gòu)件在此間斷，大大降低了其總縱強(qiáng)度。為彌補(bǔ)月池開(kāi)孔對(duì)總強(qiáng)度的損失，舯橫剖面采用縱骨架型式，主船體通常采用高強(qiáng)度鋼，且增加月池開(kāi)孔外側(cè)的甲板板和船底板的厚度。結(jié)合各層甲板/平臺(tái)的設(shè)備載荷，通常月池開(kāi)孔范圍外側(cè)的甲板板材較厚，在縱向范圍上，跨出月池開(kāi)孔后，甲板板厚逐漸向兩端過(guò)渡，以補(bǔ)償月池開(kāi)孔引起的甲板/底板等參與總強(qiáng)度的有效度。

典型的月池開(kāi)孔區(qū)域的舯橫剖面見(jiàn)圖3。鉆井船通常為單甲板、雙層底結(jié)構(gòu)，根據(jù)布置需要設(shè)置適當(dāng)?shù)闹虚g平臺(tái)。為了提高鉆井作業(yè)的安全性，在月池開(kāi)孔周圍設(shè)有隔離空艙。隔離空艙的縱壁在月池開(kāi)孔外側(cè)如無(wú)法有效延伸，應(yīng)注意有效過(guò)渡。月池圍壁結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮適當(dāng)加強(qiáng)，以抵抗月池內(nèi)部流體在外界波浪和船體垂蕩、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)共同作用下的復(fù)雜流體運(yùn)動(dòng)。對(duì)于影響層高的強(qiáng)力構(gòu)件的尺寸，應(yīng)在方案前期預(yù)估，避免與設(shè)備布置、功能實(shí)現(xiàn)干涉。對(duì)于主船體內(nèi)的重液貨艙，確定構(gòu)件尺寸時(shí)應(yīng)計(jì)入其液體密度影響，如泥漿池，鹽水艙等。

橫剖面結(jié)構(gòu)布置和初步確定構(gòu)件尺寸時(shí)，除了要滿足規(guī)范要求的總強(qiáng)度和局部強(qiáng)度外，還應(yīng)根據(jù)其設(shè)備布置情況，對(duì)易于發(fā)生振動(dòng)響應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行振動(dòng)評(píng)估，尤其是動(dòng)力設(shè)備密集的區(qū)域，應(yīng)綜合考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量減小振動(dòng)響應(yīng)。

圖2　“TIGER”鉆井船總布置

3.2波浪載荷

鉆井船屬于海洋工程特殊船舶，相對(duì)運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)比較寬扁，其主尺度不滿足規(guī)范規(guī)定的適用范圍。而且鉆井船中部設(shè)有月池開(kāi)孔，其浮力有較大損失，且甲板設(shè)備眾多，質(zhì)量分布較常規(guī)船舶差異較大，因此波浪載荷需根據(jù)作業(yè)海況進(jìn)行預(yù)報(bào)?？紤]航行路線及作業(yè)海域的不確定性，宜選取北大西洋波浪分布圖進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。該船采用DNV的SESAM /WADAM分析軟件進(jìn)行波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，建立的三維濕表面模型見(jiàn)圖4。

從圖4可知，濕表面模型需模擬月池開(kāi)孔，以計(jì)入其浮力損失。直接計(jì)算得到的波浪彎矩沿船長(zhǎng)方向的分布見(jiàn)圖5，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，波浪彎矩在月池開(kāi)孔處呈現(xiàn)出不光順的數(shù)值凹陷，但直接計(jì)算的波浪彎矩和波浪剪力均大于規(guī)范計(jì)算值，其中波浪彎矩比規(guī)范值增加約50%，波浪剪力比規(guī)范值增加約90%。

圖3　 典型橫剖面

圖4　三維濕表面模型

圖5　波浪彎矩預(yù)報(bào)值

3.3月池開(kāi)孔影響

月池開(kāi)孔除對(duì)總強(qiáng)度有影響外，還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，尤其對(duì)于主甲板的月池開(kāi)孔，開(kāi)孔處還承受上方鉆臺(tái)支腿傳遞的較大載荷，應(yīng)力集中問(wèn)題更加突出。因此在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)充分考慮月池開(kāi)孔的位置和鉆臺(tái)支腿結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，盡量避免將鉆臺(tái)支腿坐落于月池開(kāi)孔角隅處。

由于功能需要，鉆臺(tái)支腿無(wú)法避開(kāi)月池角隅，因此造成角隅處應(yīng)力過(guò)大。為降低應(yīng)力水平，采取拋物線形狀的角隅開(kāi)孔、加大開(kāi)孔半徑和采用高強(qiáng)度的厚板。

由于月池開(kāi)孔的存在，使得內(nèi)外海水相通，其內(nèi)部流體在外界波浪和船體垂蕩、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)共同作用下，可能形成垂向活塞運(yùn)動(dòng)和水平晃蕩運(yùn)動(dòng)，甚至出現(xiàn)甲板上浪。其動(dòng)載荷與作業(yè)海況、月池開(kāi)孔尺寸、船體固有特性相關(guān)。因此月池開(kāi)孔的圍壁結(jié)構(gòu)應(yīng)充分考慮此內(nèi)部流體載荷的影響，并加強(qiáng)相應(yīng)結(jié)構(gòu)。

另外，月池開(kāi)孔的存在，會(huì)顯著增加船體阻力，尤其是中低速航行時(shí)。為減少航行阻力，提高經(jīng)濟(jì)性，可采用臨時(shí)關(guān)閉月池開(kāi)孔的方法，但會(huì)增加初期投入成本，該船在月池后壁的底部采用了增加了切角的方式，經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)比，采用約24°的月池切角，對(duì)航行阻力有較大的改善，月池后壁切角見(jiàn)圖6。

圖6　月池后壁切角

3.4艙段有限元直接強(qiáng)度計(jì)算

為進(jìn)一步校核總強(qiáng)度載荷和鉆臺(tái)支腿傳遞的局部載荷對(duì)月池開(kāi)孔區(qū)域結(jié)構(gòu)的影響，選取船中月池開(kāi)孔區(qū)域及其前后各一個(gè)艙段，進(jìn)行艙段有限元強(qiáng)度校核。對(duì)于月池開(kāi)孔角隅、鉆臺(tái)支腿與主甲板連接界面處結(jié)構(gòu)，建立了細(xì)化有限元模型，進(jìn)行屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。

艙段有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖7，關(guān)鍵區(qū)域的細(xì)化有限元屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。典型月池開(kāi)孔角隅處應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8。

圖7　月池開(kāi)孔計(jì)算模型

圖8 主甲板月池開(kāi)孔角隅處應(yīng)力云圖（艉）

表1　關(guān)鍵區(qū)域的細(xì)化有限元屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1可知，關(guān)鍵區(qū)域的實(shí)際最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。其中，艏部的主甲板月池開(kāi)孔角隅相對(duì)于艉部的月池開(kāi)孔角隅，在采取了增大開(kāi)孔半徑、角隅下方設(shè)加強(qiáng)筋、增加主甲板板厚的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方式后，降低了應(yīng)力水平。

疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)考慮遷移工況和作業(yè)工況，每種工況所占比例根據(jù)其使用需要確定，該船為 20%和80%。

以月池開(kāi)孔區(qū)域的6處疲勞熱點(diǎn)為例，計(jì)算疲勞壽命（見(jiàn)表2）。典型月池開(kāi)孔角隅處疲勞熱點(diǎn)有限元模型見(jiàn)圖9、10。

圖9　 主甲板月池開(kāi)孔角隅疲勞計(jì)算點(diǎn)（艏）

圖10　主甲板月池開(kāi)孔角隅疲勞計(jì)算點(diǎn)（艉）

表2　疲勞熱點(diǎn)處的計(jì)算疲勞壽命

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備布置協(xié)調(diào)

對(duì)于布置型船舶，結(jié)構(gòu)布置和設(shè)備布置是相互制約的兩個(gè)因素。尤其對(duì)于緊湊型的鉆井船，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其要注意與設(shè)備布置、操作空間、維護(hù)等進(jìn)行協(xié)調(diào)，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量使得艙室布局合理，操作方便、可行，而且要控制較優(yōu)的結(jié)構(gòu)重量。

以散料堆放區(qū)為例，散料堆放區(qū)位于二甲板，艙室尺寸為18.2m×21.6m，上方為主甲板隔水管堆放區(qū)（甲板設(shè)計(jì)載荷較大），下方為泥漿泵艙。根據(jù)船東意見(jiàn)，為便于散料堆放區(qū)的叉車行走和散料堆放，不希望在散料堆放區(qū)設(shè)置支柱。但從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)型考慮，如不設(shè)支柱，會(huì)導(dǎo)致主甲板強(qiáng)橫梁和縱桁的尺寸過(guò)大，影響層高，剛度也差。因此需要不斷協(xié)調(diào)支柱的數(shù)量、位置、尺寸和布置，求得相對(duì)合理的解決方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)內(nèi)深水鉆井船的研發(fā)起步較晚，實(shí)船設(shè)計(jì)并建造尚屬國(guó)內(nèi)首次。以工信部下達(dá)的鉆井船自主研發(fā)課題為契機(jī)，通過(guò)對(duì)“TIGER”鉆井船布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、波浪載荷直接計(jì)算預(yù)報(bào)、月池開(kāi)孔效應(yīng)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和疲勞等進(jìn)行研究，提出了深水鉆井船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注且有別于常規(guī)船舶的幾個(gè)方面，旨在為鉆井船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者提供建議和參考。但不同月池開(kāi)孔形狀/尺寸的鉆井船，其月池影響不盡相同，尤其是月池內(nèi)流體的動(dòng)載荷效應(yīng)，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，具體分析。

［1］ Guide for building and classing drillsihps ［S］. ABS. 2011.

［2］ Rules for building and classing steel vessel rules ［S］. ABS. 2012.

［3］ Rules for building and classing mobile offshore drilling units［S］. 2012.

“TIGER” Drilling Vessel Structural Design

CHI Shao-yan， YANG Qing， ZHONG Chen
（Marine Design& Research Institute of China， Shanghai 200011）

While taking the drilling vessel “TIGER” under general contracting by Shanghai Shipyard as the engineering object， this paper elaborates the first domestic deepwater drilling vessel designed by Marine Design & Research Institute of China （MARIC） from the features such as structural layout， structural design， wave loads and structural strength calculation， especially the discussion on the structural design of moon pool opening. Calculations on the yielding strength and fatigue life of opening regions are performed. Meanwhile， the key point of moon pool structural design and problems concerning coordination with drilling function are elaborated to provide some guidance for the general design of following drilling vessels.

drilling vessel； moon pool opening； wave loads； structural design； strength evaluation； fatigue life

U674.38+1.02

A

2095-4069 （2016） 01-0007-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.002

2015-03-19

遲少艷，女，高級(jí)工程師。1976年生，2002年大連理工大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)碩士研究生畢業(yè)，從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)、分析工作。