半潛式鉆井平臺(tái)的冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

， ， ， 如壯，

(中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺(tái) 264000)

半潛式鉆井平臺(tái)的冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

王麗，傅強(qiáng)，張工，王如壯，侯偉平

(中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺(tái)264000)

冰區(qū)船舶船體結(jié)構(gòu)受到冰載荷作用而產(chǎn)生應(yīng)力，因此對(duì)冰帶區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。以我國首座適合北極海域的深水半潛式鉆井平臺(tái)為背景，對(duì)冰區(qū)航行的半潛式鉆井平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)計(jì)算作簡(jiǎn)要說明，研究最新冰區(qū)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)平臺(tái)的主船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)研究。

冰區(qū)；半潛式鉆井平臺(tái)；冰載荷；結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

0 引 言

2015年冰區(qū)船舶國際學(xué)術(shù)研討會(huì)在江蘇舉行，Soren Ehlers教授和Gesa Ziemer博士作主題報(bào)告，探討了“冰區(qū)船舶關(guān)鍵科學(xué)問題”的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。各國極地區(qū)域的關(guān)注度越來越高：STX開發(fā)大型冰級(jí)集裝箱船、極地破冰穿梭LNG船；韓國三星重工已將冰區(qū)船舶作為其新技術(shù)研發(fā)的重要方向；韓國大宇將破冰油船、北極鉆井船作為重點(diǎn)高新技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)；歐洲也重點(diǎn)研發(fā)冰區(qū)船舶配套設(shè)備；等等。

新型冰區(qū)船舶的型線設(shè)計(jì)更加新穎，融冰和破冰的功能更加先進(jìn)，船舶吃水冰帶以下的船體強(qiáng)度設(shè)計(jì)將更合理，國際規(guī)則因素與“綠色船舶”的設(shè)計(jì)將更加貼合。然而，目前全世界能夠在-20 ℃極地海域作業(yè)的半潛式平臺(tái)還非常少，主要制約因素是嚴(yán)寒氣候?qū)τ谌梭w舒適度和船舶設(shè)備環(huán)境溫度保持的影響，并且冰環(huán)境下載荷比常規(guī)的環(huán)境載荷大[1]，也更加復(fù)雜，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求更加嚴(yán)格。因此，各船級(jí)社對(duì)此規(guī)定了相應(yīng)的冰級(jí)符號(hào)，以保證平臺(tái)的安全性。

本文分析我國可在極地惡劣冰環(huán)境下作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，研究最新的船舶冰區(qū)加強(qiáng)規(guī)范以及海洋平臺(tái)的冰區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)冰載荷計(jì)算及主船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)進(jìn)行研究。

1 冰區(qū)加強(qiáng)概述

1.1冰區(qū)加強(qiáng)的定義

冰區(qū)加強(qiáng)系指船舶航行冰區(qū)時(shí)，由于海面上海水結(jié)冰形成的冰層、冰塊，需要分別對(duì)與“冰”有關(guān)的船體結(jié)構(gòu)、主機(jī)、軸系、齒輪箱、螺旋槳、起動(dòng)裝置與冷卻水系統(tǒng)采取強(qiáng)化措施[2]。

冰區(qū)加強(qiáng)通常是船舶所有人自愿行為，與法定要求無關(guān)。這種船舶的入級(jí)符號(hào)通常與常規(guī)船舶不同，要在入級(jí)符號(hào)中增加冰級(jí)符號(hào)。

1.2冰級(jí)簡(jiǎn)述

冰級(jí)符號(hào)按照船舶在冰區(qū)作業(yè)和在冰區(qū)航行分為ICE-L和ICE-T：在冰區(qū)作業(yè)的冰級(jí)符號(hào)為ICE-L，在冰區(qū)航行的冰級(jí)符號(hào)為 ICE-T。

在ICE-L和ICE-T的基礎(chǔ)上，船級(jí)社根據(jù)冰環(huán)境的惡劣程度定義3個(gè)等級(jí)，分別是ICE-1C，ICE-1B和ICE-1A，其中ICE-1A是最惡劣的情況。所以，冰級(jí)符號(hào)的完整形式如ICE-T(1C)，表示該船舶只在1C級(jí)冰環(huán)境下的冰區(qū)拖航，在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)的冰區(qū)加強(qiáng)計(jì)算時(shí)需遵循ICE-T(1C)的相關(guān)要求。

1.3冰帶劃分規(guī)則

冰帶區(qū)域即在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮加強(qiáng)的區(qū)域，冰帶的劃分是從低水線以下的位置到高水線以上并延伸到立柱上1 m的位置。拖航工況下艏部垂直方向冰帶如圖1所示，平臺(tái)垂直方向冰帶如圖2所示。浮筒艏部上甲板要抗擊冰載考慮一定程度和范圍內(nèi)加強(qiáng)，艏部上甲板冰帶如圖3所示。操作工況和自存工況的冰帶依據(jù)平臺(tái)的操作吃水線和自存水線而定，如圖4所示[3]。

圖1 拖航時(shí)平臺(tái)艏部垂直方向冰帶 圖2 拖航時(shí)平臺(tái)垂直方向冰帶

圖3 平臺(tái)艏部上甲板冰帶 圖4 操作和自存工況平臺(tái)冰帶

1.4冰壓計(jì)算

設(shè)計(jì)冰壓的計(jì)算公式[4]為

表1 a,b值

表2 c1值

表3 la值

1.5結(jié)構(gòu)加強(qiáng)計(jì)算

冰區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式大體分為3類：橫骨架式、縱骨架式以及舭部圓弧結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)種類分為外板、強(qiáng)筋以及肋骨框架。

1.5.1 外板板厚計(jì)算

(1) 橫骨架式的外板板厚計(jì)算式為

表4 h0-h值 m

(2) 縱骨架式的外板板厚計(jì)算式為

f2計(jì)算式為

(3) 艏部、艉部無強(qiáng)筋圓弧板的板厚計(jì)算式為

1.5.2 強(qiáng)筋計(jì)算

強(qiáng)筋的計(jì)算分為橫骨架式和縱骨架式。

(1) 橫骨架式筋的剖面模數(shù)及有效受剪面計(jì)算式[4]為

表5 邊界條件值m0

(2) 縱骨架式筋的剖面模數(shù)及有效受剪面計(jì)算式為

式中：載荷分布系數(shù)f4= (1-0.2h/s)，f5= 2.16；邊界系數(shù)m1= 11。

(3) 最小腹板板厚計(jì)算式為

式中：系數(shù)C取805；hw為腹板高度；tshel為外板厚度。

1.5.3 梁計(jì)算

梁的剖面模數(shù)及有效受剪面計(jì)算式為

式中：載荷分布系數(shù)f6= 0.9；梁系數(shù)f7= 1.8；剪應(yīng)力分布系數(shù)f8= 1.2 。

1.5.4 肋骨框架計(jì)算

艏部冰區(qū)肋骨框架如圖10所示，取最大的跨距l(xiāng)和間距s組合, 肋骨框架的剖面模數(shù)及有效受剪面積計(jì)算式為

式中：彎矩M= 0.193Fl，其中冰載荷F=f12max(Ph,150)s；肋骨柜架系數(shù)f12= 1.8；剪應(yīng)力分布系數(shù)f13= 1.1；Q為剪力；A為受剪面積；Aa為腹板和面板面積之和；γ為腹板與面板的取值比系數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)實(shí)例說明

本文主要研究冰區(qū)平臺(tái)的冰載荷計(jì)算和平臺(tái)冰帶內(nèi)主船體的板厚、型材計(jì)算，選擇中集來福士的深水半潛式鉆井平臺(tái)為研究實(shí)例，該平臺(tái)滿足挪威北海海況，同時(shí)兼顧北極圈及巴倫支海況要求，服務(wù)溫度-25 ℃，入級(jí)挪威船級(jí)社，滿足的冰級(jí)符號(hào)為ICE-T(1C)。

2.1平臺(tái)的基本輸入信息

平臺(tái)的主尺度及其他相關(guān)參數(shù)見表6。

表6 平臺(tái)參數(shù)

2.2平臺(tái)的冰區(qū)劃分

依據(jù)本文所述的冰帶劃分規(guī)則以及平臺(tái)的參數(shù)，劃分平臺(tái)的冰區(qū)主要可分為艉部、舯部、艏部、艏部上甲板和立柱等五大區(qū)域，縱向視圖如圖5所示，水平視圖如圖6所示。平臺(tái)的冰級(jí)符號(hào)為ICE-T(1C)，按照表7艏部冰帶延伸至低水線以下0.7 m，艉部為0.6 m，同時(shí)艏艉部邊界線為0.04倍船長(zhǎng)(4 270 mm),如圖5所示。

圖5 平臺(tái)冰帶縱向視圖 圖6 平臺(tái)冰帶水平視圖

2.3冰壓計(jì)算

根據(jù)冰壓的計(jì)算方法以及該平臺(tái)的輸入?yún)?shù)，計(jì)算各個(gè)船體各區(qū)域的冰壓，見表8。浮筒艏部上甲板的設(shè)計(jì)冰載荷依據(jù)冰級(jí)ICE-T(1C)選取冰壓P為600 kN/m2。

表8 冰壓計(jì)算

2.4結(jié)構(gòu)加強(qiáng)計(jì)算

2.4.1 外板計(jì)算

圖7～圖10分別為橫、縱架式以及艏艉部結(jié)構(gòu)，其中，型材間距為630 mm，肘板間距為686 mm。依據(jù)式(2)～式(4)，計(jì)算得冰區(qū)內(nèi)的外板板厚見表9。

圖7 橫骨架式結(jié)構(gòu)

圖8 縱骨架式結(jié)構(gòu)

圖9 艉部、艏部結(jié)構(gòu) 圖10 艏部上甲板結(jié)構(gòu)

表9 外板板厚計(jì)算結(jié)果

2.4.2 筋計(jì)算

圖7中筋的形式為橫骨架式，型材間距間距s=630 mm,跨距l(xiāng)=1 000 mm，結(jié)合式(5)計(jì)算。圖8中筋的形式為縱骨架式，型材間距間距s=556 mm，結(jié)合式(6)計(jì)算,跨距l(xiāng)=2 250 mm；其他參數(shù)的選取依據(jù)1.5.2中的定義，計(jì)算得筋的型號(hào)見表10。

表10 筋計(jì)算

2.4.3 梁和肋骨框架計(jì)算

(1) 按式(8)計(jì)算得來的結(jié)果見表11。

表11 梁和肋骨框架的計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語

本文分析了冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)的冰級(jí)、冰帶劃分，并以實(shí)際設(shè)計(jì)建造的冰區(qū)作業(yè)平臺(tái)為背景，以最新的冰區(qū)加強(qiáng)規(guī)范為依據(jù)，研究了冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)冰帶內(nèi)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，包括板厚、型材的大小等，詳盡地闡述了冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。冰環(huán)境下平臺(tái)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要而又相當(dāng)復(fù)雜的工作，本文的研究希望為冰區(qū)惡劣環(huán)境下半潛式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)提供有力的參考。

[1] 侯金林，邵衛(wèi)東. 冰環(huán)境條件下平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題探討[J]. 中國海上油氣，2014(26): 1-5.

[2] 許運(yùn)秀.冰區(qū)加強(qiáng)的含義及相關(guān)問題[J]. 中國船檢，2008(09)：90-91.

[3] DNV.Structural Design of Column Stabilized Units (LRFD Method) ：DNV-OS-C103[S]. 2012.

[4] DNV.Ships for Navigation in Ice：TS-501[S]. 2012.

StructureStrengtheningofSemi-SubmersibleOffshoreDrillingPlatforminIceEnvironment

WANG Li, FU Qiang, ZHANG Gong, WANG Ruzhuang, HOU Weiping

(CIMC Raffles Offshore Engineering Institute Ltd., Yantai 264000, Shandong， China)

The structure in ice environment should be strengthened because of ice loading influence. The characteristics of the semi-submersible offshore drilling platform intended to be navigated in ice environment are introduced. Some researches on criteria and the structure strengthening of the semi-submersible offshore drilling platform in ice environment are carried out base on the first semi-submersible offshore drilling platform designed by China.

ice environment; semi-submersible offshore drilling platform; ice loading; structural strengthening

P752

A

2016-05-19

“第七代超深水鉆井平臺(tái)(船)” 創(chuàng)新專項(xiàng)(工信部聯(lián)裝[2016]24號(hào))

王 麗(1981-)，女，工程師

1001-4500(2017)05-0020-09