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(1.謝克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司 天津 300170； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

半潛式生活服務平臺結構設計

喬曉國1，郭濤2

(1.謝克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司天津300170； 2.上海船舶工藝研究所，上海200032)

結合某半潛式生活服務平臺的設計，參考ABS和DNV船級社的相關海工規(guī)范，介紹半潛式平臺總體設計結構專業(yè)的工作內容。闡述在設計初期結構規(guī)范校核時設計水壓頭的選取方法；對比3種設計波選擇方法，推薦使用長期統(tǒng)計法確定平臺強度的設計波；比較不同設計波載荷對平臺強度設計的影響，認為斜浪方向的設計波對平臺整體結構設計最重要；總結平臺結構高應力區(qū)域、易屈曲板架、疲勞熱點區(qū)域的位置，并指出基本的加強方向。

半潛式平臺；結構設計；規(guī)范校核；設計波；疲勞

0 引 言

半潛式平臺由水下浮箱提供大部分浮力，通過若干立柱將上部結構支撐在距離水面一定高度處。立柱的水線面較小，在波浪作用下產生的不平衡垂向力相對于靜水狀態(tài)時較小，可避免平臺產生較大的升沉、縱搖和橫搖運動。立柱的側向投影面積較小，而側向投影面積較大的浮箱處于水線面以下十幾米的深度，因此，大部分波浪對結構產生的波頻側向力也相對較小，不會產生較大的波頻橫蕩、縱蕩或艏搖運動。半潛式平臺在深水海域有著廣泛的應用，如油氣資源開發(fā)、海底鋪管、海上起重、生活服務等方面，也可作為火箭發(fā)射平臺、遠程預警雷達平臺使用。半潛式平臺的總體設計是個復雜循環(huán)的系統(tǒng)工程，本文結合某半潛式生活服務平臺設計階段的工作經驗，對結構總體設計方面進行探討。

1 半潛式平臺整體結構

典型的半潛式平臺的結構由立柱、水下浮箱和上部結構組成，如圖1所示。

圖1 半潛式平臺典型結構

水下浮體有4條首尾相接的環(huán)形形式和左右雙浮箱外加橫撐的形式。環(huán)形形式適合用于長期固定于錨地的生產平臺，而外加橫撐形式則適用于經常改變作業(yè)區(qū)域的鉆井、生活服務、起重、鋪管等平臺。大部分半潛式平臺的立柱均為根，但有些平臺由于上部結構縱向跨度較大、舷側的跨中布置有起重機、穩(wěn)性不足等原因，需要在左右舷跨中各增加1根立柱。上部結構有桁架型結構，也有箱型結構。一般來說，桁架形式的上部結構整體剛度較弱，主要用于下部浮體剛度較大的生產平臺上，而箱型的上部結構不僅可以提供儲備浮力，而且強度較大，對于雙浮箱外加橫撐形式的平臺來說是必須的。

2 總體強度設計

半潛式生活服務平臺的總體結構強度設計主要包含以下內容：

(1) 結構規(guī)范校核。最初階段根據平臺總體尺寸、分艙、設計吃水、甲板載荷以及初步結構布置，根據規(guī)范推薦的經驗公式確定浮箱、立柱以及上部結構的板材厚度、型材規(guī)格。確定平臺主體的大致重量，并反饋給總體專業(yè)，核算總體穩(wěn)性以及總體運動性能。

(2) 總體有限元分析。根據結構規(guī)范校核的結果建立平臺整體有限元模型，將不影響平臺總體剛度的結構、設備以及其他非液艙重量以質量單元形式分布在模型中。使用設計波法計算平臺結構的應力水平，對超出許用應力區(qū)域和板架屈曲能力不滿足要求的區(qū)域做相應的加強。然后，使用譜分析法校核平臺承受高水平交變應力區(qū)域的疲勞性能，并采用適當方法進行改善。最后對平臺整體結構進行冗余分析。

2.1結構規(guī)范校核

美國船級社(ABS)在移動式海洋鉆井裝置(MODU)規(guī)范[1]里給出了承受不同類型載荷板架的規(guī)范校核公式。在結構規(guī)范校核公式的諸多參數里，代表板架載荷的水壓頭的選擇相對復雜。非水密板架的水壓頭根據板架設計載荷除以7.05得到。水密板架水壓頭的選取則涉及到幾個概念：載重線、破艙水線、艙壁甲板、干舷甲板、溢流管高度，其中：載重線可以取最大設計吃水；破艙水線是校核完破艙穩(wěn)性得出的，在此之前可以取到主甲板高度；艙壁甲板是立柱最高一層水密甲板，一般都在上部結構和立柱的連接處；干舷甲板可以認為是主甲板；溢流管高度需要和配管專業(yè)核實各個液艙的布置，設計前期可以統(tǒng)一將溢流管放在主甲板上。

ABS將板架圍成艙室分為液艙和水密艙，各自規(guī)范校核的計算公式和水壓頭的選取不同?；纠砟钍窃谠O計水壓頭作用下液艙板架不允許產生明顯變形，而普通水密艙的板架在設計水頭作用下則允許有明顯彈性變形，所以相同高度處的液艙板架都要比水密艙的板架強度大。立柱和下部浮體的外板計算公式與液艙相同，只是在水壓頭選取時需考慮破艙狀態(tài)的水壓力和波浪壓力。

挪威船級社(DNV)在海工標準[2-3]中給出的結構規(guī)范校核公式不區(qū)分艙室類型，但是在設計壓力的選擇上給出了詳細的要求，在推薦做法[4]中對液艙及波浪壓力的選取規(guī)則有詳細的說明，總體上與ABS相關規(guī)則類似。但是DNV采用的是載荷抗力系數法(LRFD)，與ABS的工作應力法(WSD)有較大不同，2個規(guī)范的公式及參數可以相互參考和對比，但不能混用。

結構規(guī)范校核只是得到平臺各處結構的基本尺寸，由于平臺結構剛度嚴重不均勻，在波浪條件下主體結構連接處會產生超出材料屈服強度的應力、板架屈曲性能和疲勞性能很難滿足要求，需要進行詳細的水動力計算及有限元分析，并對這些位置做相應加強。

2.2設計波選取

圖2 關鍵載荷及相應設計波浪向

由于半潛式平臺的濕表面比較復雜，一些周期長的波浪并不一定在平臺強度設計過程中起控制作用，而幾種特定周期和入射角的波浪更可能在平臺結構內產生顯著的水動力載荷。該類型半潛式平臺總體強度設計的關鍵水動力載荷有：在橫撐內部產生的最大拉力(Fy)，在平臺中縱剖面產生的最大扭矩(Ty)，在平臺中縱剖面產生的最大縱向剪切力(Sx)，在平臺上部結構內部產生的最大加速度(Ax，Ay，Az)以及在中橫剖面產生的最大波浪彎矩(My)。ABS并沒有將Az列為關鍵載荷，而DNV雖然列出了Az，但是明確表示該項對平臺整體結構來說不算是關鍵載荷，所以通常使用其余6個關鍵載荷選取設計波。關鍵載荷及相應設計波浪向如圖2所示。

設計波的選取方法有3種[1，5]：確定性波法，短期統(tǒng)計法，長期統(tǒng)計法。無論哪種方法都需要事先確定平臺6個水動力載荷的響應幅值算子(Response Amplitude Operator, RAO)，即表征6個水動力載荷在不同入射方向、不同頻率的單位波幅波浪作用下各相位的數值。

確定性波法里給定的環(huán)境參數是極限波陡和最大波高。根據線性波理論，波長和周期、頻率、圓頻率均一一對應。設計波的浪向和波長根據浮體總體尺度確定，結合極限波陡和最大波高可以確定6個關鍵水動力載荷對應設計波的浪向、周期和波幅。根據RAO即可確定這些水動力載荷最大值及其對應的波浪相位。

短期統(tǒng)計法里給定的環(huán)境參數是一個短期(一般為3小時)海況，包含波浪譜型、有義波高和峰值周期(或跨零周期)。結合RAO可以得到不同浪向6個水動力載荷的等效響應水平，6個最大等效響應水平對應的浪向就是設計波浪向；用6個最大的等效響應水平除以對應浪向RAO的峰值即可得到設計波波幅；而每個RAO峰值對應的頻率就是設計波的頻率。

長期統(tǒng)計法里給定的環(huán)境參數是平臺適用海區(qū)的波浪散布圖和波浪譜型，體現了這些海區(qū)短期海況的長期統(tǒng)計情況。與短期統(tǒng)計法相比，長期統(tǒng)計法在計算水動力載荷的等效響應水平時考慮了不同參數短期海況的出現概率，而其給出的等效響應水平是對應諸如一年一遇、十年一遇、百年一遇等不同概率的結果，其中設計波的浪向、波幅及頻率(波周期)計算方法與短期統(tǒng)計法相同。

此外，最終用于計算的6個設計波的相位角應該是相差180°的2個值，類似于單殼船的中拱和中垂狀態(tài)，所以一共有12組水動力和加速度載荷用于總體強度計算。

半潛式生活服務平臺的總體工況比其他平臺簡單，根據吃水從淺到深依次分為拖航(自航)工況、風暴自存工況和作業(yè)工況。拖航(自航)工況的吃水比浮箱上表面低，使得航行阻力最小；作業(yè)工況的吃水最深，此時平臺在波浪中的響應最?。伙L暴自存工況為了保證氣隙(波峰與上部結構底部的距離)，在作業(yè)工況的基礎上適當減小吃水。在不同工況下，平臺的濕表面不同，平臺廣義質量(質量和三自由度轉動慣量)也不同，在計算12組水動力載荷的RAO時需要3組不同的濕表面模型(橫撐可能用到莫里森摸型)、質量模型和結構模型。

在平臺設計指標里一般都會明確要求平臺的適用海區(qū)，并給出這些海區(qū)的波浪散布圖及譜型，在后期的局部強度設計時也需要平臺上一系列點在N年一遇海況下的加速度，在用譜疲勞方法對平臺總體疲勞性能進行分析時也需要適用海區(qū)的波浪散布圖及譜型，所以長期統(tǒng)計法使用更廣泛。由于平臺適用海區(qū)不只一個，不同海區(qū)只有設計波的波幅不同，其他參數都是一樣的在總體強度計算時使用最大波幅即可。

2.3平臺結構應力

根據選取的設計波將相應的水動力及靜力載荷傳遞至結構模型上，并在結構模型上施加如DNV推薦做法要求的邊界約束，即可計算出在選定的12組設計波載荷作用下平臺內部產生的應力，并據此判斷結構強度是否滿足規(guī)范要求。

目前，大部分有限元計算軟件依據線性理論，假定水動力計算時濕表面不變化、平臺結構發(fā)生變形之后剛度矩陣不改變等。在結構有限元線性求解之后得到平臺在靜水狀態(tài)和12組單位波幅設計波載荷作用下的應力結果，在后處理階段通過線性疊加得到平臺的實際應力結果。

由于橫撐結構的長細比較大，自身抗彎剛度和抗扭剛度較弱，致使左右兩側浮體的上部結構連接在一起。圖3為半潛式平臺沿設計波方向的3個剖面，可以看出：半潛式平臺在這3個剖面的結構剛度差別較大。來自艏部和艉部方向的設計波，即產生最大Ax和My的設計波使平臺產生左右舷對稱的縱搖運動，由于平臺兩側縱剖面的結構剛度很大，所以這2組設計波在平臺內部產生的應力水平比較低。橫浪狀態(tài)的設計波，即產生最大Fy和Ay的設計波會讓平臺產生前后對稱的橫搖運動，平臺橫剖面的開口框架比縱向框架剛度小，2組設計波在立柱上下端和橫撐兩端產生的應力較縱向設計波產生的應力高。斜浪設計波，即產生最大Sx和Ty的設計波影響到平臺結構剛度最弱的斜向剖面，會讓平臺整體沿主甲板對角線產生顯著的彎曲變形。同時在平臺中縱剖面產生扭轉變形。由于上部結構沿甲板對角線方向的抗扭剛度較小，導致立柱上下端和橫撐兩端附近結構中產生比其他載荷影響大的應力。總得來說，斜浪設計波是半潛式平臺結構設計最關鍵的設計載荷。

圖3 半潛式平臺的3個垂直剖面

大部分平臺主體采用高強度鋼(屈服強度為315 MPa或355 MPa)建造，對于超出許用應力范圍的結構應采用增加過渡結構或增加板厚的方式進行加強，在立柱頂部、底部以及橫撐兩端的相鄰區(qū)域，板厚可達100 mm。應盡量避免使用超高強鋼材(屈服強度超過400 MPa)進行加強，否則會導致嚴重的疲勞問題。

圖4 上部結構中最重要的橫向框架

由于平臺橫向框架剛度較弱，為避免后期結構設計困難，從平臺基本設計階段的艙室布置開始，應該保證上部結構橫向框架的完整性。尤其在與立柱對應位置(如圖4中虛線)的上部結構橫艙壁不能被削弱，同一條橫艙壁上各層艙室門的開口不應集中位于同一橫向位置，也不能為大設備(如主機等)留下巨大的開口。在橫艙壁靠近立柱內側外板的位置(如圖4中黑點)附近不應布置任何開口。

在相同海況下，平臺吃水越淺，運動響應越大，在相同海況的設計波作用下，結構中產生的應力水平也越高。尤其是在拖航工況下，水線面面積、水線面慣性矩都較大，而此時平臺的廣義質量最小，在與作業(yè)工況的海況下平臺將產生劇烈的運動，進而在平臺結構內部產生較高的應力。半潛式平臺拖航工況的設計波波幅較小，根據長期統(tǒng)計得到的可拖航海況的有義波高也較小，在超過允許海況時，需要將平臺壓載至較大吃水狀態(tài)等待，限制了半潛式平臺在特定海區(qū)可拖航的時間比例，增加運營成本。半潛式平臺的設計工況是深吃水的作業(yè)狀態(tài)，淺吃水的拖航性能則在很大程度上被削弱。為此，有的平臺為了快速部署或維修而采用干拖的形式進行遠距離運輸。

2.4板架屈曲問題

根據有限元計算得到平臺各工況下的應力分布，結合相應船級社關于海洋工程鋼結構屈曲性能評估的規(guī)范[6-8]校核平臺結構板架的屈曲強度。僅根據結構規(guī)范校核設計出來的平臺結構有大面積區(qū)域會發(fā)生板架屈曲，這些區(qū)域包括上部結構主甲板、上部結構底板、圖4中黑點位置的橫縱艙壁、立柱前后外板的上半部分、立柱內側外板的下半部分以及下部附體側面與立柱相連的部分。前3個部位板架內部壓應力方向沿橫向，所以這些部位的加強筋應沿橫向布置；后3個部位的板架壓應力方向沿垂向分布，這些區(qū)域的加強筋方向應沿垂向布置。板架屈曲區(qū)域需要通過增加板厚或者增加加強筋數量進行加強，同樣由于疲勞問題的原因，板架屈曲的加強不推薦使用超高強鋼材。

2.5疲勞問題

半潛式平臺在強度計算結果里高應力區(qū)域的應力分布中，由于波浪作用產生的交變應力占大部分，這會導致嚴重的疲勞問題。由于疲勞壽命與結構材料的屈服強度無關，如果前面的平臺在高應力區(qū)域的加強使用了超高強鋼材，則板厚較薄，交變應力較高，結構疲勞壽命會受到嚴重影響。

ABS和DNV在各自的規(guī)范[9]和推薦做法[10]里推薦使用譜疲勞方法對半潛式平臺結構的疲勞問題進行評估。譜疲勞分析需要計算至少24個浪向、一系列單位波幅規(guī)則波作用到平臺上產生的水動壓力和平臺的整體運動加速度，并將水動壓力和加速度傳遞給平臺結構模型，計算得到平臺結構內部在任意浪向、任意周期的單位波幅規(guī)則波作用下的應力值。然后結合波浪散布圖、海浪譜型、各部位板厚、S-N曲線、設計壽命、安全系數等信息評估疲勞損傷，并反算疲勞壽命。

規(guī)范中對安全系數的選擇方法十分詳盡，需要注意對于雙浮箱外加橫撐形式的半潛式平臺，需定期進行安全檢驗，其安全系數可以取1。實際上該型半潛式平臺的疲勞安全系數取2或3很難滿足設計要求，而半潛式生產平臺下部環(huán)形浮箱的結構剛度很大，相應的交變應力較低，水下關鍵部位的疲勞安全系數可以取10。

增加板厚、增加過渡結構、改變板材接縫位置或方向可降低垂直于焊縫方向的主應力。對焊縫根部進行適當打磨或錘擊延緩疲勞裂紋的生成，但是不推薦在新造平臺上使用此類方法來滿足設計疲勞壽命。

2.6結構冗余

雙浮體加橫撐類型的半潛式平臺還需要考慮結構冗余。該分析考慮其中任意一根橫撐斷掉之后，校核平臺是否能在風暴海況下保證剩余結構的完整性。該工況的應力安全系數可以取1。其計算流程與總體強度計算相同，但不需要校核疲勞損傷。

3 重量控制

由于半潛式平臺作業(yè)工況水線面較小，使得其對重量控制比較敏感?？紤]后期結構加強需將最初的結構規(guī)范校核給出的結構重量額外增加20%。將估算結構重量反饋給總體專業(yè)重新核算穩(wěn)性，若不滿足，則需要調整平臺整體尺度，這樣可能需修改艙室和結構布置，結構規(guī)范校核需要重新修改，并估算重量反饋給總體專業(yè)。這樣的循環(huán)在剛開始階段會重復多次，甚至到詳細設計階段仍然會出現重量失去控制而不需要在每個立柱外側附加1個水密艙來保證總體穩(wěn)性滿足要求的情況。所以，在整個半潛平臺設計的過程中，對重量的控制一定要充分重視，所有結構在滿足規(guī)范要求的前提下盡量優(yōu)化，減輕重量。

4 結 語

目前，對半潛式平臺的結構設計主要依據ABS和DNV的相關規(guī)范，在設計過程中可以相互參考，對比使用。本文結合某半潛式生活服務平臺的結構設計工作，闡述半潛式平臺設計工作結構專業(yè)的主要內容、設計流程、符合規(guī)范要求的設計方法，分享一些設計經驗，可為其他平臺的設計提供參考。

[ 1 ] ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S]. 2014.

[ 2 ] DNV. Design of Offshore Steel Structures, General (LRFD Method): DNV-OS-C101[S]. 2011.

[ 3 ] DNV. Structural Design of Column Stabilized Units (LRFD Method): DNV-OS-C103 [S]. 2012.[ 4 ] DNV. Column-Stabilized Units: DNV-RP-C103 [S]. 2012.

[ 5 ] DNV. Environmental Conditions and Environmental Loads: DNV-RP-C205 [S]. 2010.

[ 6 ] ABS. Commentary on the Guide for Buckling & Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures [S]. 2011.

[ 7] DNV. Buckling Strength of Plated Structures: DNV-RP-C201[S]. 2012.

[ 8 ] DNV. Buckling Strength of Shells: DNV-RP-C202[S]. 2010.

[ 9 ] ABS. Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures[S]. 2014.

[10] DNV. Fatigue Design of Offshore Steel Structures: DNV-RP-C203[S]. 2011.

StructureDesignofSemi-SubmersibleAccommodationPlatform

QIAO Xiaoguo1， GUO Tao2

(1.Sixtee Engineering Groups Pte. Ltd., Tianjin 300170， China; 2.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

Combined with design progress of a semi-submersible accommodation platform, the working scope and procedure of the structure design of semi-submersible platform are introduced refering to relevant offshore rules of ABS and DNV. Selecting method of water head in rule scantling analysis in the preliminary design stage is proposed. It is suggested to use long-term statistic method to select the design wave for the global structure design by comparing the 3 methods of design wave selecting. Effect of different design wave acting on the platform is compared. It is considered that the quarter sea design wave is the most critical for the structure design. Positions of high stress area, easily buckled panel and fatigue hot spot area are summarized, and the basic reinforced method is pointed out.

semi-submersible platform; structure design; rule scantling; design wave; fatigue

2016-07-12

喬曉國(1985-)，男，工程師

1001-4500(2017)04-0014-05

F416.22

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