海洋半潛式平臺結構設計的若干考慮

陳文禮，李紅濤，鄧賢鋒

(1.中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201；2.中國船級社海工技術中心，天津 300457)

海洋半潛式平臺結構設計的若干考慮

陳文禮1，李紅濤2，鄧賢鋒2

(1.中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201；2.中國船級社海工技術中心，天津 300457)

主要對構件分類及構件設計原則、構件尺寸的規范公式設計、總體結構強度、局部結構強度以及液艙結構設計等幾個控制半潛式平臺結構設計的關鍵因素進行了分析和研究，結合相關船級社的規范給出了設計方法，并歸納總結了半潛式平臺結構設計的一般流程。對半潛式平臺的結構設計具有一定的指導意義。

半潛式平臺；結構設計；規范公式；整體強度；局部強度；液艙結構設計

0 引 言

半潛式平臺作為一種重要的海上移動式平臺，具有運動性能良好、適應較惡劣的海況條件、工作水深大、可變載荷高等顯著優點，已經成為深海油氣開發的主要裝備[1-2]。半潛式平臺的主體結構主要由浮筒、立柱和上船體構成，整個平臺在海洋中除受到重力和浮力外，還要遭受風、浪、流及錨泊或動力定位等外部載荷，受力情況極其復雜。在進行半潛式平臺的結構設計時需綜合考慮平臺整體結構強度、局部結構強度、穩性、總體布置等，是一項較大的系統工程，因此作為設計者應具備良好的結構設計理念、設計思路以及高水平的計算分析能力，尤其是對結構強度儲備的準確把握，更需設計者進行深入的分析和研究。

本文首先提出了半潛式平臺結構設計的一般流程，并著重闡述了構件分類及構件設計原則、構件尺寸的規范公式設計、總體結構強度、局部結構強度以及液艙結構設計等幾個關鍵的設計方法，最終給出相關建議。

1 半潛式平臺結構設計的一般流程

半潛式平臺結構設計是一項系統工程，涉及總體、結構、舾裝、電儀等各個專業，且工程計算量巨大。一項成功的半潛式平臺結構設計應能夠滿足平臺各方面性能要求，能夠保障載荷的合理傳遞，保證平臺的強度、剛度滿足作業、生存環境，且具有良好的建造經濟性。半潛式平臺結構設計的一般流程如圖1所示。

圖1 半潛式平臺結構設計一般流程Fig.1 Structural design process for semi-submersible platforms

以下幾節就半潛式平臺結構設計流程中的幾個關鍵進行論述。

2 構件分類及構件設計原則

船級社規范中對半潛式平臺的結構都進行了類別劃分，如中國船級社(CCS)規范中[3]，根據構件所承受的載荷及傳遞路徑、應力水平以及失效后果，將半潛式平臺結構分為次要構件、主要構件和特殊構件3類，并對每一種構件類別進行了定義，本文主要討論特殊構件設計。CCS規范中將如下結構定義為特殊構件：(1)立柱與上平臺甲板和上、下殼體交接部分的外殼板；(2)組成箱型或工字型支承結構且承受主要集中載荷的上殼體或平臺的甲板板、重型翼板、外殼板和艙壁；(3)撐桿的節點；(4)主要結構構件交接處承受集中載荷的外部肘板、部分艙壁、平臺和骨架；(5)立柱、上平臺甲板、及上殼體或下殼體連接處提供適當對齊和足夠載荷傳遞的“貫穿”構件；(6)錨索導向裝置及其支撐結構。

以上結構都處于半潛式平臺的關鍵區域，受載較大，應力較高，且對疲勞較為敏感。一般此區域結構鋼的強度級別較高(屈服強度355 MPa以上)，板厚較厚(30 mm以上)，因此進行結構設計時尤其要引起重視，一般應滿足如下條件。

(1) 結構設計的合理性。包括結構布置、載荷路徑的傳遞、載荷分布的合理性，應通過整體、局部結構強度分析，包括屈服、屈曲、變形、疲勞等強度設計。

(2) 材料的選擇。根據計算分析結果確定材料等級，包括高強度鋼級的確定、Z向鋼的使用等，且材料的選擇、厚度的限制等應滿足船級社規范的規定。表1為CCS規范對特殊構件材料在不同設計溫度下的最大厚度限制[3]。

(3) 焊接和檢驗控制。如焊縫的全熔透、焊縫的疲勞控制打磨、焊后IC I級檢測[挪威船級社(DNV)規定]。圖2為DNV規范對半潛式平臺典型特殊構件區域的IC I級檢驗要求[4]。

表1特殊構件材料在不同設計溫度下的最大厚度限制

Table 1 Thickness limitations for special structural steels under different design temperatures mm

注：X表示不適用；H表示高強度船體結構用鋼；Q表示焊接結構高強度淬火回火鋼。

圖2 特殊區域的檢驗要求Fig.2 Inspection requirements for special areas

主要構件和次要構件設計可參考特殊構件設計要求類似執行。

3 構件尺寸的規范公式設計

根據船級社規范規定的最低甲板設計載荷[3-5]，即設計甲板載荷圖中的液體壓頭，由船級社規范公式確定半潛式平臺主要結構的構件尺寸。以CCS規范[3]為例來說明構件尺寸的規范公式確定方法。如半潛式平臺上船體的主甲板結構，規范規定的最小甲板載荷為9 kN/m2，而規范規定的上船體外板的板厚t應不小于公式(1)計算之值，且不小于7 mm:

(1)

甲板桁材的剖面模數應不小于式(2)計算之值:

W=5bKhl2(cm3),

(2)

式中:b為桁材支撐面積寬度，m；l為桁材跨距，m。

甲板扶強材的剖面模數w應不小于式(3)計算之值:

W=5sKhl2(cm3),

(3)

式中:l為扶強材跨距，m。

再如下浮體和立柱外板厚t應不小于式(4)計算之值，且不小于9 mm:

(4)

式中:h為海水壓頭。

桁材的剖面模數應不小于按下式(5)計算所得之值：

W=8.2bKhl2(cm3);

(5)

扶強材的剖面模數W應不小于按式(6)計算所得之值：

W=8.2sKhl2(cm3),

(6)

式中符號意義如上所述。

其他主要結構的最小構件尺寸，可依據規范公式進行類似計算得到。

其他構件尺寸要求，如艙壁、支柱、甲板室等結構尺寸要求可參見文獻[3]。

需要說明的是，按規范公式確定的構件尺寸為最基本要求，適用于設計初期的大致估算，隨著設計的深入，此構件尺寸需進一步調整以滿足整體結構強度、局部結構強度等要求。

4 整體結構強度設計

整體結構強度設計是在平臺結構基本尺寸初步確定之后，建立全平臺的有限元模型，再分析平臺整體結構框架強度是否滿足作業海域的海況條件。需要考慮的環境載荷主要為波浪載荷，風載荷和流載荷可忽略不計[6]。半潛式平臺的整體結構強度分析一般采用設計波方法，即等效設計出一定概率水平下的規則波施加到平臺上，進而計算平臺的運動和應力響應。設計波法是通過對波高、周期、波浪入射角以及波浪相位角的組合搜索使平臺處于最不利狀態且達到一定回復期的最大波浪特征載荷，從而得到相應的設計波參數[7]。根據美國船級社(ABS)規范要求[8]，波浪特征載荷工況主要有：中縱剖面分離力，中縱剖面扭矩，中縱剖面縱向剪力，甲板質量縱向加速度，甲板質量橫向加速度，下浮體的垂向彎矩。具體波浪特征載荷工況要求及設計波的計算方法可參見文獻[8]。半潛式平臺整體結構強度設計一般可分為完整性結構強度設計、破損性結構強度設計以及靜水結構強度設計。

4.1 完整性結構強度設計

完整性結構強度設計指的是平臺在完好的狀態下，其整體框架強度能夠抵御上述的設計波載荷。對于半潛式平臺設計波浪載荷的重現期，一般不低于100年。通過加載設計波載荷和運動加速度，可得到平臺有限元模型的最大應力響應，從而確定主要結構的屈服強度、屈曲強度是否滿足船級社規范要求。

4.2 破損性結構強度設計

破損性結構強度設計是保證平臺受損情況下的安全冗余度。按CCS規范要求，半潛式平臺整體結構應在以下2種破損狀態下保持完整性。

(1) 特定結構失效：平臺任何一根細長撐桿失效后不會導致平臺結構發生總體坍塌；上船體任一主桁失效后平臺仍能保持結構的完整性。

(2) 平臺傾斜狀態：假定平臺某一艙室破損進水，最大傾斜角度不超過17°。在此傾斜角度下，平臺整體結構強度應能滿足規范要求，尤其是傾斜進水的外殼、艙壁等結構應能夠承受外部水壓力。

對于破損性結構強度設計，一般應考慮一年一遇重現期的環境條件。

4.3 靜水結構強度設計

相對于波浪載荷，靜水載荷占平臺全部載荷的更大部分[9]。因此對平臺的靜水結構強度設計前應詳細分析和估算平臺的重量、重心分布，可變載荷的分布，各種配載工況以及平臺的浮態等；結構設計時應充分考慮下浮體的各種不同壓載方式對下浮體結構強度造成的影響，尤其是不對稱壓載對下浮體產生的彎矩作用，如中拱、中垂或扭轉效應，在整體結構設計時應予以重點關注。

5 局部結構強度設計

整體結構強度設計之后，需對整體結構不能涵蓋的局部結構或局部加強部分進行局部結構設計。根據載荷類型，局部結構強度設計可分為高應力局部區域(特殊構件區域)、設備基座及其支撐結構、液艙結構等幾類設計。

5.1 高應力局部區域(特殊構件區域)

此部分區域一般為半潛式平臺的特殊構件區域，應力水平較高，在整體結構強度分析時對此區域網格往往不能劃分得很細，且部分加強結構，如肘板等，也不能充分模擬，因此應進行局部結構強度設計。如撐桿與立柱、浮體的連接處，立柱與上下浮體的連接處，錨索導向裝置及其支撐結構等部位都屬于此類局部區域。

在進行此類區域的局部強度分析時，有限元模型的網格劃分應足夠細，有些特殊區域，如肘板的疲勞敏感區，網格應劃分到板厚級別。此局部模型所受載荷除局部載荷外，還應考慮整體結構響應傳遞過來的邊界載荷效應。計算應力除滿足屈服、屈曲強度要求外，疲勞強度需要著重考慮。尤其是連接立柱與上下浮體、撐桿與立柱的加強肘板處，是疲勞裂紋最容易出現的位置，除設計滿足疲勞強度外，對此處的焊接要尤為關注，并在焊后對焊縫進行打磨處理，如圖3所示。

圖3 焊趾的打磨Fig.3 Weld toe grinding

5.2 設備基座及其支撐結構

半潛式平臺上設備眾多，尤其是大型設備安放區域結構，應做詳細的局部結構設計。如半潛平臺上的主機、泵、救生艇降落裝置、P-Tank、吊機、鉆臺等設備基座及其支撐結構，在計算分析其結構強度時，一般應建立局部結構的有限元模型，施加的載荷除常規設備本身重力載荷外，還應考慮整體結構響應傳遞過來的邊界位移或載荷，由平臺運動帶來的重量慣性加速度也應一并考慮。計算得到的結構響應應力應滿足規范的屈服、屈曲強度要求，對于承受較大循環載荷的結構，如吊機底座等，還需分析疲勞失效強度。

對于液艙的結構設計，涉及液艙內、外的水動壓力，工況較為復雜，下文將單獨論述。

6 液艙結構強度設計

半潛式平臺液艙眾多，如壓載艙、油艙、水艙、泥漿艙等，多分布于下浮體或立柱、上船體中，對于液艙的結構設計既要考慮液艙內的液體壓力，也要考慮艙外的海水壓力，且整體結構響應也應一并考慮。

6.1 液艙內液體壓力

液艙空氣管設置往往高于上船體主甲板，因此液艙結構設計應考慮足夠的液體壓頭，防止操作或壓力試驗時超壓。對于液體壓頭設計一般按如下工況考慮：(1)液艙中液體可充滿至空氣管頂端，此時的液體壓頭可取自設計點至空氣管頂端的垂直距離；(2)艙內設有高-高位報警及泵自動關斷系統，此時的液體壓頭可取自設計點至最大填充深度間的垂直距離。具體液體壓頭取值方法如圖4所示。

圖4 液艙壓頭Fig.4 Parameters for tank pressures

圖5 海水壓頭Fig.5 Parameters for sea pressures

根據DNV-RP-C103規定[6]，液艙內的壓力應按式(7)計算：

(7)

式中:pd為液艙內設計壓力；ρ為液體密度；hop為設計液體壓頭(見圖4)；γf,G,Q和γf,E為載荷系數；aV為最大垂向加速度，設計初期可取值0.3 g，設計后期可由平臺運動響應計算得到。

對于液體可充滿至空氣管頂端的液艙，其設計壓力還應滿足如下公式:

pd=(ρg0hop+pdyn)γf,G,Q(kN/m2),

(8)

式中:pdyn為液體流動壓力，最小為25 kN/m2。

6.2 海水壓力

作用在半潛式平臺下浮體和立柱上的海水壓力，按照下式計算:

pd,ULS=psγf,G,Q+peγf,E(kN/m2),

(9)

式中:pd,ULS為極限工況海水壓力；ps=ρg0Cw(TE-zb) (kN/m2)≥0；pe=ρg0Cw(DD-zb) (kN/m2)(若zb≥TE)，pe=ρg0Cw(DD-TE) (kN/m2)(若zb

式(9)說明平臺結構應能夠承受海水高至上船體下部高度的海水壓頭。

此外，當平臺發生破損時，平臺最大傾角達到17°，此時海水壓力應滿足如下公式：

pd,ALS=ρg0h17γf,A(kN/m2),

(10)

式中:pd,ALS為破損工況海水壓力；h17取值如圖6所示。

6.3 液艙結構強度設計

承受艙內液體壓力或艙外海水壓力的平臺結構，首先依據計算得到的壓力，使設計滿足第3節中規定的構件尺寸規范公式；然后建立局部艙段的有限元模型，如下浮體或立柱局部模型，分析結構在艙內液體壓力和艙外海水壓力的不同的組合工況下，強度是否滿足規范要求。DNV規范中規定[6]，艙內液體壓力和艙外海水壓力組合分為兩個工況：(1)正常操作工況，又分為最大艙內液體壓力和最大艙外海水壓力兩種工況；(2)破損工況，又分為最大海水壓力作用于破損艙內和作用于艙外兩種工況。

半潛式平臺中液艙較多，對于工況的選擇，應選取最危險工況，合理組合各艙壓力和海水壓力，以盡可能全面地反映平臺遇到的最不利工況，保證平臺結構安全。

圖6 破損工況下海水壓頭Fig.6 Sea pressures in heeled condition

7 結 語

本文主要對控制半潛式平臺結構設計的幾個關鍵因素進行了論述，結合相關船級社的規范給出了設計方法，并歸納總結了半潛式平臺結構設計的一般流程，可為半潛式平臺設計提供參考。筆者最終相關建議如下。

(1) 半潛式平臺結構設計非常復雜，工作量巨大，而且需平衡各個專業需求，不確定因素較多，因此設計、開發新的半潛式平臺應盡量參考成熟母型平臺，這樣可減少設計工作量，降低設計風險。

(2) 半潛式平臺的結構設計很大程度的依賴于設計環境條件，因此應根據平臺作業海域合理選擇環境條件，如風速、波陡等；對于波浪載荷的計算應盡可能準確，必要時應通過水池試驗進行修正。

(3) 半潛式平臺的高應力區域主要分布在撐桿與立柱連接處、立柱與上船體及下浮體連接處等，即規范中規定的特殊構件區域，在結構設計中應引起特別關注。

(4) 與結構的屈服、屈曲強度相比，半潛式平臺的疲勞強度尤為突出，更是平臺某些關鍵結構設計的控制載荷，如上述的特殊構件區域，都為疲勞的敏感和易失效區，應進行詳細的疲勞設計。

[1] 李潤培，謝永和，舒志. 深海平臺技術的研究現狀與發展趨勢[J]．中國海洋平臺,2003,18(3): 1.

[2] Zhang H, Ren H. Wave load computation in direct strength analysis of semi-submersible platform structures[J]．Journal of Marine Science and Application, 2004, 3(1):7.

[3] 中國船級社. 海上移動平臺入級規范[S]. 2012.

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[6] Det Norske Veritas. DNV-RP-C103. Column-stabilized units[S]. 2012.

[7] 張朝陽, 劉俊, 白艷彬. 深水半潛平臺波浪載荷計算的設計波方法研究[J]. 中國海洋平臺, 2012, 27(5): 34.

[8] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing mobile offshore[S]. 2014.

[9] 白艷彬．深水半潛式鉆井平臺總體強度分析及疲勞強度評估[D]．上海：上海交通大學，2009: 15-25.

SeveralPointstoBeConsideredforStructuralDesignofOffshoreSemi-SubmersiblePlatform

CHEN Wen-li1, LI Hong-tao2, DENG Xian-feng2

(1.ChinaOilfieldServicesLimited,Sanhe,Hebei065201,China;2.OffshoreEngineeringPlanApprovalCenterofCCS,Tianjin300457,China)

The critical factors controlling structural design of semi-submersible platform are structural categories and design principles, norm formula scantlings design, global structural strength design, local structural strength design and tank structural design, etc., which are studied in this paper. The design methods and requirements can refer to the rules and standards of relevant classification society. The structural design process for semi-submersible platform is also summarized accordingly. This research has certain guiding significance for the structural design of semi-submersible platform.

semi-submersible platform; structural design; standard empirical formula; global structural strength; local structural strength; tank structural design

2016-10-09

陳文禮(1979—)，男，工程師，主要從事鉆井平臺設備管理工作。

P752

A

2095-7297(2016)05-0281-06