自升式鉆井平臺圍井區(qū)結構設計

關國偉 甘作為（中國石油渤海裝備研究院 海工裝備分院 盤錦124010）

自升式鉆井平臺圍井區(qū)結構設計

關國偉 甘作為
（中國石油渤海裝備研究院 海工裝備分院 盤錦124010）

圍井區(qū)結構是自升式鉆井平臺最重要的關鍵部分，在滿足規(guī)范前提下進行圍井區(qū)結構的優(yōu)化設計。以某平臺圍井區(qū)結構設計為例，以提高結構強度為主要目標，同時兼顧建造的工藝及節(jié)點的優(yōu)化設計，從材料選擇、結構設計等方面進行論述。最終經(jīng)有限元計算，分析結果表明：各工況下圍井區(qū)結構強度均滿足規(guī)范要求。

自升式鉆井平臺；圍井區(qū)結構；有限元計算；強度分析

引　言

隨著陸地石油資源的日益減少，世界各國對海洋石油開發(fā)利用越來越重視，這就對海洋石油裝備的需求越來越大。而在海洋石油鉆井平臺裝備中，自升式鉆井平臺具有用鋼量少、造價低、水上完井、各種工況下幾乎都能持續(xù)工作且工作效率高等優(yōu)點，是公認的工作穩(wěn)定性良好且具有廣闊發(fā)展?jié)摿Φ暮Ｑ笥蜌忾_發(fā)設備。通過對自升式鉆井平臺的研究，使我國在海洋石油開發(fā)利用領域占據(jù)一席之地，對我國海上石油開采有著至關重要的作用，也是提升我國海洋石油鉆井設備的重要途徑。

整個平臺結構方面最為關鍵部位就是圍井區(qū)結構，它是平臺主體與升降系統(tǒng)及樁腿連接的主要受力區(qū)域，是整個平臺結構設計的最重要部分。本文通過對某平臺圍井區(qū)的結構設計進行分析，來探討自升式鉆井平臺圍井區(qū)的結構設計。

1　平臺概況

某121.92 m（400 ft）鉆井平臺為鋼質全焊接結構，主要由主船體、圍井區(qū)、樁腿與樁靴、升降與鎖緊上下基礎、懸臂梁、鉆臺橫向移動軌道、生活樓、直升飛機平臺等結構組成。

船體為近似三角形箱型平底結構，帶有3個三角形桁架樁腿，樁腿下端為樁靴。站立狀態(tài)時，船體負荷經(jīng)圍井區(qū)結構通過齒條鎖緊機構傳遞到3個下端帶樁靴的三角形桁架式樁腿上。該平臺主尺度（型長×型寬×型深）為70.27 m×72.0 m×9.5 m，首尾設有3個三角形桁架式樁腿，樁腿下端有樁靴。圖1為該自升式平臺側視圖。

圖1　某自升式平臺側視圖

2　圍井區(qū)結構設計原則

圍井區(qū)結構是平臺主體與樁腿連接的主要受力區(qū)域，通過升降和鎖緊裝置支撐結構與船體縱橫向艙壁連接，使載荷合理地傳到主體各區(qū)域。圍井區(qū)結構是根據(jù)升降、鎖緊系統(tǒng)對船體的要求，以保持力的良好傳遞為原則進行設計。

此平臺采用電動齒輪齒條升降系統(tǒng)及鎖緊裝置，圍井區(qū)結構應與齒輪箱的結構形式匹配，同時結構強度滿足規(guī)范要求。根據(jù)平臺總布置的要求，最終采用在平臺主體尾部設置兩個圍井區(qū)，在首部設置一個圍井區(qū)的方案（如圖2所示）。這樣呈三角形布置圍井區(qū)，具有穩(wěn)固、堅定、耐壓的特點，使平臺工作過程中更加穩(wěn)定可靠。

圖2　圍井區(qū)布置圖

2.1 艙壁及桁材設計原則

圖3　圍井區(qū)艙壁扶強材布置圖

由于圍井區(qū)結構的重要性，組成圍井區(qū)的艙壁等強結構更是設計的關鍵。在主船體結構中，扶強材間距按肋距布置，而圍井區(qū)艙壁為保證結構強度，艙壁扶強材距離基本上小于肋距，然后取扶強材的剖面模數(shù)不小于通過規(guī)范［1］中下列公式計算的剖面模數(shù)W（如圖3所示），扶強材間距均小于肋距600 mm，而且選取扶強材大小時，比計算得出的剖面模數(shù)大一些，以保證足夠的強度。

式中：s為扶強材間距，m；K為材料系數(shù)；h為計算壓頭，m；由扶強材跨距中點量至甲板邊線的垂直距離，且不小于（0.01L+0.7）。其中：L為平臺長度，m；l為扶強材的跨距，m。

按照規(guī)范要求，底板桁材剖面模數(shù)W不小于按式（2）計算所得值：

式中：b為桁材支撐面積寬度，m；K為材料系數(shù)；D為型深，m；l為桁材的跨距，m。

舷側板桁材剖面模數(shù)W不小于按式（3）計算所得值：

式中：b為桁材支撐面積寬度，m；K為材料系數(shù)；h為計算壓頭，m；l為桁材的跨距，m。

另外，桁材的腹板高度不小于其支持的艙壁扶強材腹板高度的2.5倍，腹板厚度應不小于艙壁板在桁材平面處的厚度，面板寬度應不大于腹板高度（或面板厚度）的35倍。超過3 m的間距以及在截面形狀變化處桁材應設置防傾肘板，面板的無支持寬度超過200 mm時，必須設置防傾肘板。圍井區(qū)桁材截面形狀發(fā)生變化之處應設置防傾肘板（如圖4所示）。

圖4　桁材截面形狀變化處設置的防傾肘板

2.2 載荷的有效傳遞及結構的連續(xù)性

當載荷作用在某個結構上時，構件將盡可能多的載荷有效傳遞給與其相連的其他結構上，而此結構再將載荷傳給相連的構件上，從而使盡可能多的構件來共同參與抵抗由于載荷作用所帶來的應力、應變，最終降低作用在每個構件上的載荷［2］。

主要構件應避免剖面模數(shù)或者尺寸的突變，當構件在壁板或者其他主要構件的兩側對接時，應保證其前后位置在同一直線上，盡量做到不產(chǎn)生偏斜。圍井區(qū)的主要構件應構成一個連續(xù)的支撐，盡可能形成一個完整的封閉框架，使載荷能夠有效連續(xù)傳遞。加強筋端部應與另一個加強筋或肘板連接，否則加強筋端部應削斜處理，避免應力集中。

2.3 結構中斷時應有適當?shù)倪^渡區(qū)

構件中斷時應盡可能采取逐漸均勻過渡方式。由于圍井區(qū)結構從上部到下部開孔逐漸變大，由三角形變?yōu)樽畹撞康膱A形，這就需要有中間過渡區(qū)域，過渡處應采取受力補償?shù)姆椒?，將受力均勻傳遞出去，比如增加板厚或者增加骨材規(guī)格等措施。

2.4 施工工藝的考慮

設計時盡可能避免在狹小空間內布置各種密集構件，不可避免時應考慮改變結構形式或者焊接形式。例如，局部加強構件密集布置，內部不適合焊接或焊接不到位，可以將雙面焊改為開單面坡口進行單面焊。

圍井區(qū)本身結構復雜，應根據(jù)實際情況，充分考慮現(xiàn)場工藝水平，將船廠的各項工藝方針、計劃貫徹在結構設計中。

3　材料選擇

本平臺結構設計環(huán)境溫度為：空調溫度0℃～ 50℃，鋼結構設計大氣溫度為-10℃，此溫度為鋼材等級選擇的基準溫度，它等于日平均氣溫年最低值在平臺設計期限內的平均值，該值是根據(jù)平臺預期作業(yè)海域的氣象資料確定的。

圍井區(qū)結構基本屬于平臺的主要構件或特殊構件，其結構用鋼的化學成分、力學性能、制造和試驗應符合規(guī)范對船體結構用鋼及焊接結構用高強度淬火回火鋼的要求［3］。圍井區(qū)鋼材所有小于等于19 mm鋼板材質為AH36或等同材質，所有大于19 mm鋼板材質為DH36或等同材質。

4　結構設計

由于圍井區(qū)下部要滿足將樁靴縮進去時有足夠空間，所以下部只能采用圓形開孔結構，并且該圓孔直徑要比樁靴的最大直徑大300 mm。以尾部左舷圍井區(qū)為例，底部圍井區(qū)結構開孔圖見圖5（虛線表示樁靴的外緣邊界線）。

圖5　圍井區(qū)底部圓形開孔結構

甲板面以上應與升降基礎、齒輪箱的結構相匹配，而且要保證平臺升降作業(yè)時能夠有足夠的強度支撐此平臺，由于三角形具有穩(wěn)固、堅定、耐壓等特點，故采用三角形開孔結構最為合適，將主甲板面圍井區(qū)設計為三角形，其每個頂點為升降基礎位置，通過齒輪箱與樁腿上的齒條相連接（如圖6所示），從而實現(xiàn)平臺的自由升降。

圍井區(qū)上部的三角形與下部的圓形過渡。采用在中間甲板處增加一段正六邊形開孔，與上部三角形的連接如圖7所示，與下部圓形的連接如圖8所示。

圖6　主甲板面三角形的圍井區(qū)結構

圖7　圍井區(qū)中間與上部三角形過渡面

圖8　圍井區(qū)中間與下部圓形的過渡面

為詳細了解圍井區(qū)內部結構，將圍井區(qū)結構剖開，可以清晰看到圍井區(qū)上下三個面的過渡情況（見圖9）。當平臺拖航或者移動井位時，需要收進樁靴，此時圍井區(qū)的側面圖見圖10。

圖9　部分圍井區(qū)剖面立體圖

圖10　樁靴收進時圍井區(qū)側面圖

5　節(jié)點設計

由于圍井區(qū)結構復雜，結構的間斷處很多，此處應力必須得到有效傳遞和釋放，而這些都要靠節(jié)點才能完成，因此要求節(jié)點設計必須合理到位。節(jié)點的合理改進不僅有利于改善結構的力學性能，同時在建造過程中也便于施工。

5.1 肘板的設計

圍井區(qū)所有部位的肘板均采用剛性連接，即對接方式的肘板，而不采用搭接形式。幾種類型的肘板如圖11所示。采用此種方式的連接形式其極限強度高于搭接肘板10%左右，而且側向變形較?。?］，只有這樣才能滿足升降系統(tǒng)對圍井區(qū)強度的要求。如果采用搭接肘板會造成肘板與加強筋的偏心較大，易發(fā)生屈曲變形。

圖11　圍井區(qū)幾種肘板的連接形式

5.2 補板的設計

圍井區(qū)結構基本都是高應力區(qū)，對開孔都有嚴格的限制，加強筋的穿越孔也需要采用補板進行一定的強度補償。本平臺采用內嵌式的補板（如圖12所示）。將一塊板厚與母材相同的補板嵌入穿越孔中，與板材采用對接焊接。這種補強形式不僅焊接強度比搭接補板有所提高，而且還節(jié)省材料、減輕船體質量。該方式既彌補了因開穿越孔造成的應力集中，又有利于增加結構的強度，從而優(yōu)化焊接節(jié)點并提高圍井區(qū)整體的結構強度。

圖12　圍井區(qū)補板類型示意圖

5.3 圍井區(qū)結構與升降基礎的連接

圍井區(qū)結構與升降基礎連接部分是必須考慮的重點之一，整個平臺的力都是通過圍井區(qū)結構與升降基礎的連接最終傳遞到樁腿上的。升降基礎的板厚最低為50 mm，在圍井區(qū)的不同位置，艙壁與其對接的板厚要求必須經(jīng)過計算校核，使其強度達到要求，圖13為32 mm的圍井區(qū)結構板厚與50 mm的升降基礎板對接。

此處對接板縫必須采用全焊透的焊接工藝，具體需要根據(jù)其不同位置采用不同的全焊透形式。本平臺上所采用的幾種焊接形式（如圖14所示），都達到了全焊透的效果，且焊接部位的精度和質量必須達到要求，可采用磁粉探傷及射線探傷檢驗其焊接質量。

圖14　圍井區(qū)結構與升降基礎的焊接形式

5.4 開孔的補償

根據(jù)規(guī)范要求，在圍井區(qū)及附近0.1主桁長度范圍內的殼板上原則上不開孔，若必須開孔，則需適當補強，并經(jīng)船檢認可。管系及電纜的布置需要對艙壁開孔時，應盡量避開強結構受力部件，采用小開孔形式，并通過較厚的套管穿過艙壁，以使套管對開孔起到補償作用。對于在艙壁上開的人孔，由于開孔較大，必須采用其他補償措施。例如，可采用提高板厚或增設加強筋的方法，使開孔應力損失盡量降至最低；在圍井區(qū)艙壁上開孔的需采用增設加強筋的補償方法（如圖15所示）。

Leg well structure design of jack-up drilling platform

GUAN Guo-wei GAN Zuo-wei
(Ocean Engineering Equipment Research Institute, CNPC Bohai Equiment Research Institute, Panjin 124010, China)

Leg well structure is the most important part of a jack-up drilling platform, and its design should be optimized according to the relevant regulations. The leg well structure of a jack-up drilling platform is designed aiming at the enhanced structural strength with the consideration of the construction technique and the node optimization design from the aspects of material selection, structural design, etc. Finally, the finite element calculation results show that the structural strength of the leg well structure can meet the regulation requirements under each operation condition.

jack-up drilling platform; leg well structure; finite element calculation; strength analysis

圖15　圍井區(qū)艙壁開孔的補償

U661.4；U674.38

A

1001-9855（2016）04-0053-10

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.053

2016-02-15；

2016-03-10

關國偉（1984-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結構設計。

甘作為（1972-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程總體設計。