“振海一號”自升式鉆井平臺設計規范規則研究

摘要：海洋平臺結構復雜，工作環境條件苛刻，對其結構設計建造需要滿足的規范規則也有特殊的要求。文章通過對“振海一號”自升式鉆井平臺結構設計建造需滿足的規范規則研究，希望能夠對進一步提高我國自升式鉆井平臺結構設計的能力及水平起到拋磚引玉的作用。

關鍵詞：“振海一號”；自升式平臺；結構規范；屈曲校核；鉆井裝置；升降系統

中圖分類號：U671 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）28-0121-03

“振海一號”自升式鉆井平臺是一種用于海上石油和天然氣勘探、開采工程作業的鉆井裝置，其可以依靠自身的升降系統完成主體結構的上下升降作業，以達到在不同深度的海域作業的要求。該自升式鉆井平臺主要由主船體、上層建筑、樁靴、樁腿、升降系統結構、懸臂梁、鉆臺和直升機平臺幾大部分組成。

“振海一號”自升式鉆井平臺入美國船級社（ABS），在其結構設計建造中，主要包括結構強度計算、材料選取、焊接設計三大方面。下面就從上述三大方面按照自升式鉆井平臺的幾大組成部分的結構設計需要滿足的規范規則分別進行研究。

1 結構強度計算

1.1 主船體結構及上層建筑結構設計

“振海一號”自升式鉆井平臺的主船體結構與上層建筑結構和船舶產品基本類似，這兩個部位的結構強度計算主要分為有限元強度分析、結構疲勞及屈曲校核以及結構規范計算。

1.1.1 有限元強度分析。該項分析利用專業的有限元軟件，依據初步結構圖紙，建立主船體和上層建筑的模型，在模型中加載主船體各種工況下受到的不同載荷，確定結構強度是否滿足要求。這些載荷主要包括設計載荷、環境載荷和重力載荷。設計載荷主要是依據說明書中對各種工況的要求確定，重力載荷中的平臺重量等可以按照平臺實際重量確定，環境載荷及重力載荷中的甲板載荷則需要按照相關的規范規則來確定，具體涉及如下規范

規則：

船級社規范：對于環境載荷，包括風載荷、波浪載荷和海流載荷，各大船級的平臺規范中都有明確的計算公式，載荷選取可以按照公式進行計算，因為每個船級社的公式和系數選取可能有些不同，所以得出的結果也就稍微有些差別，因此，我們在載荷選取時，應按照平臺入級船級社的規范進行

計算。對于甲板載荷，各大船級社的規范中也都根據不同部位給出了明確的載荷大小，但該載荷一般是最小要求，當規范中的載荷大小與技術規格書或甲板載荷圖有沖突時，一般以后者為準。最后，在有限元計算得到的結果需要根據船級社規范規定的強度衡準校核強度。

IMO MODU（國際海事組織可移動海上鉆井平臺建造和裝備法則）：該法則關于環境載荷及甲板載荷也有相關規定，其規定與船級社規范基本一致，因此，在計算過程中，僅需作為參考。

ASIC（建筑用鋼結構設計、制造、裝配規范）：在有限元計算得到的結果除了按照規范規定的強度衡準校核外，還應該參考ASIC進行校核。

1.1.2 結構疲勞及屈曲校核。結構疲勞及屈曲校核只能根據船級社規范進行相應的校核。

1.1.3 結構規范計算。對于主船體和上層建筑內部的一般構件來說，僅需要按照船級社規范來計算構件的規格。通過研究各大船級社的規范，發現大部分船級社的海上移動平臺入級與建造規范中關于構件尺寸計算的公式都與船舶建造規范一致，而從自升式鉆井平臺自身的特點來看，其受力情況與船舶存在一些不同，因此，部分構件的規格選取應該區別于船舶產品。

1.2 樁靴、樁腿、升降系統結構、懸臂梁、鉆臺設計

由于樁靴、樁腿、升降系統結構、懸臂梁、鉆臺結構都是自升式鉆井平臺所獨有的結構，這些結構的受力完全取決于平臺的各種工況，每條平臺的上述結構可能都不盡相同，因此，無法利用經驗公式進行強度校核，只能根據前一節提到的各種載荷，進行有限元強度分析，并做相應的結構疲勞及屈曲校核。因此，在進行這些結構設計時，需要參考的規范規則主要有船級社規范、IMO MODU（國際海事組織可移動海上鉆井平臺建造和裝備法則）、ASIC（建筑用鋼結構設計、制造、裝配規范）。

1.3 直升機平臺結構

在計算直升機平臺結構強度時，除了需要考慮上節提到的各種規范、規則外，還需要考慮船旗國海上飛行安全規定。如業主有特殊要求，還需要滿足英國民用航空手冊CAP437等一些特定的規則要求，這些要求都有可能對于直升機平臺尺寸、載荷選取產生影響。

1.4 其他附屬結構

由于“振海一號”自升式鉆井平臺上設備眾多，一些大型設備的基座及加強也需要考慮，這些設備加強結構的設計除需要滿足前面所說的規范、規則外，還需要考慮各個設備的一些特殊規定。

1.4.1 吊機基座，設計時需要按照美國石油協會（API）海上起重設備規范進行設計。

1.4.2 救生艇架加強結構，設計時需要按照IMO《國際救生設備規則》選取設計載荷。

1.4.3 系泊設備加強結構，OCIMF（石油公司國際海上論壇出版物）關于系泊設備的相關規定。

2 材料選取

結構材料的選取是自升式鉆井平臺設計的重要環節之一，在自升式鉆井平臺的結構中，所用鋼材具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蝕等特點。

通過研究不同船級社規范中對于材料選取的相關要求，在自升式鉆井平臺結構鋼材選取的思路基本一致。具體如下：

首先，根據構件所承受的載荷、應力水平及模式、關鍵載荷傳遞和應力集中以及失效后果，所有平臺結構構件可分為：次要構件：其失效不可能影響平臺結構整體完整性的不重要的構件；主要構件：對平臺結構整體完整性有重要作用的構件；特殊構件：在關鍵載荷傳遞點和應力集中處的主要

構件。

對于“振海一號”自升式鉆井平臺來說，其內部結構構件劃分如下：

2.1 次要構件

平臺主體內部艙壁和骨架（作為主要構件者除外）；樁靴支承結構的內部艙壁和骨架（作為主要或特殊構件者除外）；平臺主體甲板板、舷側板和底板（作為主要構件者除外）；直升機甲板和甲板室；救生艇平臺。

2.2 主要構件

桁架式樁腿的全部骨材；平臺主體中組成箱型或工字型主支承結構的艙壁板、甲板板、舷側板及底板；升降機座的支撐結構；樁靴墊的外板以及最初傳遞樁腿載荷的構件；將主要集中載荷或均布載荷分散到結構中去的樁靴墊支承結構的內部艙壁和骨架；懸臂式直升機甲板和救生艇平臺；重型底座和

設備支撐，如鉆臺基座、鉆井懸臂梁和起重機座。

2.3 特殊構件

與樁靴相連接部分的樁腿垂直結構；桁架式樁腿結構中的連接部位。

然后，根據技術規格書確定結構設計溫度。考慮樁靴結構在實際作業中始終處于海水中，其設計溫度可以考慮為0℃，而不需要按照技術規格書規定的-10℃設計溫度執行。

最后，根據構件類別、最低設計溫度和厚度在船級社規范相應的表格中選用合適等級的鋼材。但每個船級社提供的板厚與材料等級的關系不盡相同，因此，平臺入級船級社的選取對于平臺材料的訂貨還是有一定影響的，在材料級別選取時，應特別注意。

另外，由于船級社規范中對于自升式平臺鉆井平臺結構使用的鋼管沒有做明確規定，平臺結構使用的鋼管一般按照美國石油協會API5L標準選取，需要特別注意的是，API5L標準對于鋼管的低溫沖擊試驗要求無法達到船級社規范對于材料低溫沖擊試驗的要求，所以，一般在使用鋼管及訂貨時，需要額外注明材料低溫試驗要求。

3 焊接

“振海一號”自升式鉆井平臺結構焊接設計主要是依據船級社規范以及AWSD1.1（美國焊接協會結構焊接標準）執行，通過研究兩個規范的差異發現，兩者要求基本一致，因此，結構焊接設計一般按照船級社規范執行即可。但有如下注意事項：

（1）由于自升式鉆井平臺結構的特殊性，對于受力較大或應力集中的部位需要全焊透，而船級社規范中對于需要全焊透的區域的描述不是很全面，因此，在設計中需要結合結構受力情況，適當增加全焊透區域范圍。

（2）對于角焊縫焊腳尺寸的選擇，各船級社規范中的要求基本一致——焊喉尺寸=焊接系數×母材板厚（較薄板）。但焊接系數的選取及焊喉的最大值、最小值在每個船級社規范中是不一致的，需要特別注意。

（3）自升式鉆井平臺使用的鋼管桁架結構相對于船舶產品來說比較多，各大船級社對于鋼管焊接節點的描述不是非常全面，因此，一般應參照AWSD1.1中相關內容的描述。

4 結語

從前面的研究內容可以看出，“振海一號”自升式鉆井平臺結構設計建造除了需要滿足船舶產品結構設計建造所需要滿足的規范規則外，還需要增加AWS（美國焊接協會）和API（美國石油協會）、OCIMF（石油公司國際海上論壇出版物）規范中部分章節的一些規定。另外，在設計建造過程，還應該充分征求業主的意見，滿足業主使用要求。

參考文獻

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[3] CCS海上移動式平臺入級與建造規范（2005）[S].

[4] LR船舶入級規范和規則（2005）[S].

[5] GL船舶入級規范和規則（2002）[S].

作者簡介：鄭學金（1974-），男，上海振華重工（集團）股份有限公司海工院工程師，研究方向：船舶工程。

（責任編輯：秦遜玉）