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定高度進行鉆井作業(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，對工程實踐有指導作用，并為工程設計人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：自升式；鉆井平臺；結(jié)構(gòu)強度

自升式海洋平臺與導管架固定平臺相比，結(jié)構(gòu)整體柔性較大，振動響應較為強烈，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)強度分析自然就成為設計階段的重要研究內(nèi)容[1]。

一、自升式平臺的結(jié)構(gòu)強度分析

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，進而導致附加載荷的產(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，從而導致平臺主體對樁腿底部產(chǎn)生附加彎矩。另外，當平臺的自然周期與波浪周期接近時，平臺會發(fā)生強烈振動，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，導致結(jié)構(gòu)疲勞破壞。所以，在自升式平臺結(jié)構(gòu)設計過程中，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)強度分析可分為總體性能、船體強度及局部強度分析[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，包括樁腿強度、鎖緊系統(tǒng)（升降系統(tǒng)）承載性能、預壓載性能、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。

（2）船體強度分析

平臺設計時，應確保船體具有足夠的強度，除承載設備及人員外，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，預壓載和懸臂梁外伸狀態(tài)，船體受力最大，預壓載時，船體壓載艙和甲板的應力較高，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)應力較高；拖航工況下，樁腿和固樁結(jié)構(gòu)的應力較高。

（3）局部強度分析

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

二、自升式鉆井平臺方案在設計過程中的重要地位

整個技術(shù)產(chǎn)品的設計作為現(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)具備一定的促進功能。關(guān)于自升式鉆井平臺的建設是一個相當浩大的工程，使用周期和投資水平比較高，而且具有一定的風險性，這種設計方案需要在不同階段進行技術(shù)經(jīng)濟方向的定位，根據(jù)不同時期的市場需求進行長遠規(guī)劃設計，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)量的要求更加嚴格，這就要實現(xiàn)工程前的方案快速生成，進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，進行具體結(jié)構(gòu)和局部設計的變更，適應不斷變化的時代需求。具體的設計模式?jīng)]有固定要求，可以針對子系統(tǒng)功能進行具體改進，整個研究過程可以實現(xiàn)分散處理。

首先，進行平臺設計系統(tǒng)分析，衡量自升式鉆井平臺方案設計系統(tǒng)的適用性并進行科學的步驟分析，根據(jù)三維結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)平臺設計的任務特性，建立整體的三維結(jié)構(gòu)模型，具體指導方案的設計標準；引用專業(yè)的安全評估技術(shù)進行可行性論證，進行具體方案執(zhí)行的操作指導；進行理論和統(tǒng)計回歸處理，建立整個系統(tǒng)平臺的預測模型，同時進行優(yōu)化處理，結(jié)合先進的系統(tǒng)評價，按照設計建成的平臺進行水平等級的實際考察，針對具體先進性和問題進行明確劃分，這種考察方法可以保證系統(tǒng)設備對于預期效果的滿足程度，對后期的大范圍設計與推廣有一定的指導作用。其次，加強危險識別處理技術(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)部定義主要借助標準技術(shù)的探究與事后結(jié)果的科學預測，分析整個可能引起事故過程的前因后果，并進行危險排序和綜合評定。通常運用頭腦風暴法進行識別，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，并且對于具體的風險評估與資料發(fā)表很少，整體數(shù)據(jù)資料積累嚴重不足，需要進行全面的整合。

三、自升式鉆井平臺的總體設計

自升式鉆井平臺方案設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)要求或設計者調(diào)研的市場需求初步擬定設計平臺的總體性能及主要的技術(shù)指標，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)學模型和神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)學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備如主機、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、主機艙、泵艙、污水處理艙等。設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，進行強度校核以及檢驗結(jié)構(gòu)設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計是一個復雜的過程，其設計流程如圖 2 所示。在方案設計流程中，能通過經(jīng)濟評價被確認為優(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)劣進行評價的問題。要根據(jù)市場的實際需求，技術(shù)經(jīng)濟性，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計上，、獨立設計能力尚有一定的差距，大多依靠外國設計技術(shù)。開展相關(guān)的研究工作，是提高我國海洋結(jié)構(gòu)物設計制造能力的需要，也是提高海洋平臺設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：

[1] 王慶來，孫玉海，王娜，王波. 自升式鉆井平臺強迫振動響應分析[J]. 船海工程，2013，03：158-160.

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

[3] 于明陽. 自升式鉆井平臺拖航設備研究與設計[J]. 電子制作，2013，14：215.