自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與總體設(shè)計

楊桂穎

摘要：自升式鉆井平臺是指具有活動樁腿，且其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進(jìn)行鉆井作業(yè)的平臺，此種平臺在海洋石油開發(fā)中被廣泛應(yīng)用。本文以自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)安全為目的，對工程實踐有指導(dǎo)作用，并為工程設(shè)計人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：自升式；鉆井平臺；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

自升式海洋平臺與導(dǎo)管架固定平臺相比，結(jié)構(gòu)整體柔性較大，振動響應(yīng)較為強(qiáng)烈，且隨著海洋工程向深海發(fā)展，環(huán)境越來越惡劣，載荷不確定因素增多，因此，自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)安全越來越受到重視，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析自然就成為設(shè)計階段的重要研究內(nèi)容[1]。

一、自升式平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

自升式海洋鉆井平臺在海上油氣開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。它由平臺主體、升降裝置以及若干（通常為 3 條到 4 條）樁腿組成。平臺主體與樁腿之間可通過升降裝置實現(xiàn)相對移動，樁腿底部設(shè)有沉墊或樁靴與海底相接觸。作業(yè)時，樁腿降至海底，平臺主體提升到海面以上一定高度，以避免波浪沖擊。拖航時，平臺主體降至水面，依靠浮力支承，類似于船體。此時，樁腿升至水面以上，通過拖航方式轉(zhuǎn)移至新的作業(yè)地點。

自升式平臺除了承受自身重量和可變載荷外，由于其工作環(huán)境的特殊性，還要時刻承受環(huán)境載荷的作用。還有由環(huán)境載荷引起平臺結(jié)構(gòu)的變形和振動，進(jìn)而導(dǎo)致附加載荷的產(chǎn)生。例如：在環(huán)境載荷作用下，樁腿會發(fā)生變形，平臺上部會發(fā)生很大的側(cè)向位移，從而導(dǎo)致平臺主體對樁腿底部產(chǎn)生附加彎矩。另外，當(dāng)平臺的自然周期與波浪周期接近時，平臺會發(fā)生強(qiáng)烈振動，引起很大的動載荷。再者，由于環(huán)境載荷的持續(xù)作用，平臺結(jié)構(gòu)的內(nèi)部將會發(fā)生疲勞損傷，久而久之，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞。所以，在自升式平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要多方面、綜合考慮環(huán)境載荷的影響。根據(jù)自升式鉆井平臺的工作特性和結(jié)構(gòu)特點，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析可分為總體性能、船體強(qiáng)度及局部強(qiáng)度分析[2]。

（1）總體性能分析

自升式鉆井平臺的總體性能分析主要是考核其站立工作狀態(tài)下的整體安全情況，包括樁腿強(qiáng)度、鎖緊系統(tǒng)（升降系統(tǒng)）承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴承載性能及抗傾穩(wěn)性?？傮w性能會直接影響平臺的操作安全及作業(yè)能力，因此需予重點關(guān)注。具體計算方法和過程請詳見參考文獻(xiàn)。

（2）船體強(qiáng)度分析

平臺設(shè)計時，應(yīng)確保船體具有足夠的強(qiáng)度，除承載設(shè)備及人員外，還能抵御環(huán)境載荷及功能載荷產(chǎn)生的不利影響。船體強(qiáng)度的失效形式主要為船體板或梁發(fā)生屈服、屈曲。受力主要工況為站立工況和拖航工況。站立工況下，預(yù)壓載和懸臂梁外伸狀態(tài)，船體受力最大，預(yù)壓載時，船體壓載艙和甲板的應(yīng)力較高，懸臂梁外伸作業(yè)時，懸臂梁底座處主甲板及艙壁受力較大，且圍阱周圍的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較高；拖航工況下，樁腿和固樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較高。

（3）局部強(qiáng)度分析

局部強(qiáng)度分析主要是對自升式平臺局部受力較大的結(jié)構(gòu)單獨進(jìn)行計算分析。根據(jù)自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)予強(qiáng)度分析的局部結(jié)構(gòu)為：圍阱區(qū)、樁靴、生活樓、直升機(jī)甲板、吊機(jī)底座、懸臂梁、鉆臺、設(shè)備底座等。局部結(jié)構(gòu)一般所受工作載荷較大，因此，這些結(jié)構(gòu)在設(shè)計時強(qiáng)度應(yīng)予保證。局部強(qiáng)度分析一般采用有限元分析方法，由計算得到的應(yīng)力進(jìn)行板的屈服、屈曲校核[3]。

二、自升式鉆井平臺方案在設(shè)計過程中的重要地位

整個技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在整個產(chǎn)品的生產(chǎn)周期內(nèi)占據(jù)著十分重要的支撐作用，對于產(chǎn)品的內(nèi)在品質(zhì)具備一定的促進(jìn)功能。關(guān)于自升式鉆井平臺的建設(shè)是一個相當(dāng)浩大的工程，使用周期和投資水平比較高，而且具有一定的風(fēng)險性，這種設(shè)計方案需要在不同階段進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)方向的定位，根據(jù)不同時期的市場需求進(jìn)行長遠(yuǎn)規(guī)劃設(shè)計，在劇烈市場競爭以及石油開采事業(yè)的發(fā)展，使得對其產(chǎn)品質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格，這就要實現(xiàn)工程前的方案快速生成，進(jìn)行綜合評價后的最優(yōu)方案的選擇。通過保持產(chǎn)品原理的基礎(chǔ)，進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)和局部設(shè)計的變更，適應(yīng)不斷變化的時代需求。具體的設(shè)計模式?jīng)]有固定要求，可以針對子系統(tǒng)功能進(jìn)行具體改進(jìn)，整個研究過程可以實現(xiàn)分散處理。

首先，進(jìn)行平臺設(shè)計系統(tǒng)分析，衡量自升式鉆井平臺方案設(shè)計系統(tǒng)的適用性并進(jìn)行科學(xué)的步驟分析，根據(jù)三維結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)平臺設(shè)計的任務(wù)特性，建立整體的三維結(jié)構(gòu)模型，具體指導(dǎo)方案的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；引用專業(yè)的安全評估技術(shù)進(jìn)行可行性論證，進(jìn)行具體方案執(zhí)行的操作指導(dǎo)；進(jìn)行理論和統(tǒng)計回歸處理，建立整個系統(tǒng)平臺的預(yù)測模型，同時進(jìn)行優(yōu)化處理，結(jié)合先進(jìn)的系統(tǒng)評價，按照設(shè)計建成的平臺進(jìn)行水平等級的實際考察，針對具體先進(jìn)性和問題進(jìn)行明確劃分，這種考察方法可以保證系統(tǒng)設(shè)備對于預(yù)期效果的滿足程度，對后期的大范圍設(shè)計與推廣有一定的指導(dǎo)作用。其次，加強(qiáng)危險識別處理技術(shù)的可靠性，將具體的危險清單注明，實現(xiàn)進(jìn)一步的分析與控制方案的提出，其中的內(nèi)部定義主要借助標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的探究與事后結(jié)果的科學(xué)預(yù)測，分析整個可能引起事故過程的前因后果，并進(jìn)行危險排序和綜合評定。通常運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法進(jìn)行識別，可以避免材料記錄的局限性，利于找出事故的具體原因。我國在長期的自升式平臺安裝作業(yè)過程中步驟比較簡易，并且對于具體的風(fēng)險評估與資料發(fā)表很少，整體數(shù)據(jù)資料積累嚴(yán)重不足，需要進(jìn)行全面的整合。

三、自升式鉆井平臺的總體設(shè)計

自升式鉆井平臺方案設(shè)計階段包括平臺主尺度及船型要素優(yōu)選，總布置及性能計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計這三個部分。

（1）主尺度及船型要素優(yōu)化部分。依據(jù)船東提出的技術(shù)要求或設(shè)計者調(diào)研的市場需求初步擬定設(shè)計平臺的總體性能及主要的技術(shù)指標(biāo)，包括平臺最大作業(yè)水深，最大鉆井深度，最大可變載荷，大溝載荷，懸臂梁移動范圍及作業(yè)區(qū)域等。利用優(yōu)秀母型船的船型資料以及已建立的自升式鉆井平臺主尺度要素的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用回歸數(shù)學(xué)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型初步確定平臺的主尺度及船型要素。對自升式鉆井平臺的主要設(shè)備如主機(jī)、泥漿泵、升降裝置、振動篩等要根據(jù)平臺的作業(yè)環(huán)境和使用要求進(jìn)行選型。

（2）總布置及性能計算部分?？偛贾冒ㄉ顓^(qū)布置、鉆臺布置、懸臂梁布置、主要設(shè)備布置等。最佳分艙方案研究涉及各分艙的倉容校核，包含壓載艙、鉆井水艙、泥漿池、泥漿泵艙、主機(jī)艙、泵艙、污水處理艙等。設(shè)計載荷計算包含由平臺重量、使用及作業(yè)引起的重力載荷和由風(fēng)載荷、波浪載荷及海流載荷等組成的環(huán)境載荷。性能計算包括完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性、坐底穩(wěn)性（抗傾、抗滑穩(wěn)性）、沉浮穩(wěn)性及靜水力計算和干舷校核等。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計部分。初步確定方案的基本結(jié)構(gòu)形式、典型橫剖面的結(jié)構(gòu)形式、升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行強(qiáng)度校核以及檢驗結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足總布置優(yōu)化和工程實際需要等。自升式鉆井平臺的方案設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，其設(shè)計流程如圖 2 所示。在方案設(shè)計流程中，能通過經(jīng)濟(jì)評價被確認(rèn)為優(yōu)秀適用船型的往往不只是一個方案，而是一個可行方案集。這就存在對可行方案的優(yōu)劣進(jìn)行評價的問題。要根據(jù)市場的實際需求，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，船東的偏好等從可行方案中選出最佳方案。

結(jié)論

我國在海洋鉆井平臺的設(shè)計、建造、檢驗和科研方面都迫切需要發(fā)展，特別是在海洋鉆井平臺的基本設(shè)計上，、獨立設(shè)計能力尚有一定的差距，大多依靠外國設(shè)計技術(shù)。開展相關(guān)的研究工作，是提高我國海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造能力的需要，也是提高海洋平臺設(shè)計國際競爭力的需要，它對于我國海洋資源的開發(fā)和我國海洋工程事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 高學(xué)靜，張洪欣. 自升式鉆井平臺中鉆臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究[J]. 船海工程，2013，03：174-176+181.

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