海洋半潜式平台结构设计的若干考虑

陈文礼，李红涛，邓贤锋

(1.中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065201；2.中国船级社海工技术中心，天津 300457)

海洋半潜式平台结构设计的若干考虑

陈文礼1，李红涛2，邓贤锋2

(1.中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065201；2.中国船级社海工技术中心，天津 300457)

主要对构件分类及构件设计原则、构件尺寸的规范公式设计、总体结构强度、局部结构强度以及液舱结构设计等几个控制半潜式平台结构设计的关键因素进行了分析和研究，结合相关船级社的规范给出了设计方法，并归纳总结了半潜式平台结构设计的一般流程。对半潜式平台的结构设计具有一定的指导意义。

半潜式平台；结构设计；规范公式；整体强度；局部强度；液舱结构设计

0 引 言

半潜式平台作为一种重要的海上移动式平台，具有运动性能良好、适应较恶劣的海况条件、工作水深大、可变载荷高等显著优点，已经成为深海油气开发的主要装备[1-2]。半潜式平台的主体结构主要由浮筒、立柱和上船体构成，整个平台在海洋中除受到重力和浮力外，还要遭受风、浪、流及锚泊或动力定位等外部载荷，受力情况极其复杂。在进行半潜式平台的结构设计时需综合考虑平台整体结构强度、局部结构强度、稳性、总体布置等，是一项较大的系统工程，因此作为设计者应具备良好的结构设计理念、设计思路以及高水平的计算分析能力，尤其是对结构强度储备的准确把握，更需设计者进行深入的分析和研究。

本文首先提出了半潜式平台结构设计的一般流程，并着重阐述了构件分类及构件设计原则、构件尺寸的规范公式设计、总体结构强度、局部结构强度以及液舱结构设计等几个关键的设计方法，最终给出相关建议。

1 半潜式平台结构设计的一般流程

半潜式平台结构设计是一项系统工程，涉及总体、结构、舾装、电仪等各个专业，且工程计算量巨大。一项成功的半潜式平台结构设计应能够满足平台各方面性能要求，能够保障载荷的合理传递，保证平台的强度、刚度满足作业、生存环境，且具有良好的建造经济性。半潜式平台结构设计的一般流程如图1所示。

图1 半潜式平台结构设计一般流程Fig.1 Structural design process for semi-submersible platforms

以下几节就半潜式平台结构设计流程中的几个关键进行论述。

2 构件分类及构件设计原则

船级社规范中对半潜式平台的结构都进行了类别划分，如中国船级社(CCS)规范中[3]，根据构件所承受的载荷及传递路径、应力水平以及失效后果，将半潜式平台结构分为次要构件、主要构件和特殊构件3类，并对每一种构件类别进行了定义，本文主要讨论特殊构件设计。CCS规范中将如下结构定义为特殊构件：(1)立柱与上平台甲板和上、下壳体交接部分的外壳板；(2)组成箱型或工字型支承结构且承受主要集中载荷的上壳体或平台的甲板板、重型翼板、外壳板和舱壁；(3)撑杆的节点；(4)主要结构构件交接处承受集中载荷的外部肘板、部分舱壁、平台和骨架；(5)立柱、上平台甲板、及上壳体或下壳体连接处提供适当对齐和足够载荷传递的“贯穿”构件；(6)锚索导向装置及其支撑结构。

以上结构都处于半潜式平台的关键区域，受载较大，应力较高，且对疲劳较为敏感。一般此区域结构钢的强度级别较高(屈服强度355 MPa以上)，板厚较厚(30 mm以上)，因此进行结构设计时尤其要引起重视，一般应满足如下条件。

(1) 结构设计的合理性。包括结构布置、载荷路径的传递、载荷分布的合理性，应通过整体、局部结构强度分析，包括屈服、屈曲、变形、疲劳等强度设计。

(2) 材料的选择。根据计算分析结果确定材料等级，包括高强度钢级的确定、Z向钢的使用等，且材料的选择、厚度的限制等应满足船级社规范的规定。表1为CCS规范对特殊构件材料在不同设计温度下的最大厚度限制[3]。

(3) 焊接和检验控制。如焊缝的全熔透、焊缝的疲劳控制打磨、焊后IC I级检测[挪威船级社(DNV)规定]。图2为DNV规范对半潜式平台典型特殊构件区域的IC I级检验要求[4]。

表1特殊构件材料在不同设计温度下的最大厚度限制

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

注：X表示不适用；H表示高强度船体结构用钢；Q表示焊接结构高强度淬火回火钢。

图2 特殊区域的检验要求Fig.2 Inspection requirements for special areas

主要构件和次要构件设计可参考特殊构件设计要求类似执行。

3 构件尺寸的规范公式设计

根据船级社规范规定的最低甲板设计载荷[3-5]，即设计甲板载荷图中的液体压头，由船级社规范公式确定半潜式平台主要结构的构件尺寸。以CCS规范[3]为例来说明构件尺寸的规范公式确定方法。如半潜式平台上船体的主甲板结构，规范规定的最小甲板载荷为9 kN/m2，而规范规定的上船体外板的板厚t应不小于公式(1)计算之值，且不小于7 mm:

(1)

甲板桁材的剖面模数应不小于式(2)计算之值:

W=5bKhl2(cm3),

(2)

式中:b为桁材支撑面积宽度，m；l为桁材跨距，m。

甲板扶强材的剖面模数w应不小于式(3)计算之值:

W=5sKhl2(cm3),

(3)

式中:l为扶强材跨距，m。

再如下浮体和立柱外板厚t应不小于式(4)计算之值，且不小于9 mm:

(4)

式中:h为海水压头。

桁材的剖面模数应不小于按下式(5)计算所得之值：

W=8.2bKhl2(cm3);

(5)

扶强材的剖面模数W应不小于按式(6)计算所得之值：

W=8.2sKhl2(cm3),

(6)

式中符号意义如上所述。

其他主要结构的最小构件尺寸，可依据规范公式进行类似计算得到。

其他构件尺寸要求，如舱壁、支柱、甲板室等结构尺寸要求可参见文献[3]。

需要说明的是，按规范公式确定的构件尺寸为最基本要求，适用于设计初期的大致估算，随着设计的深入，此构件尺寸需进一步调整以满足整体结构强度、局部结构强度等要求。

4 整体结构强度设计

整体结构强度设计是在平台结构基本尺寸初步确定之后，建立全平台的有限元模型，再分析平台整体结构框架强度是否满足作业海域的海况条件。需要考虑的环境载荷主要为波浪载荷，风载荷和流载荷可忽略不计[6]。半潜式平台的整体结构强度分析一般采用设计波方法，即等效设计出一定概率水平下的规则波施加到平台上，进而计算平台的运动和应力响应。设计波法是通过对波高、周期、波浪入射角以及波浪相位角的组合搜索使平台处于最不利状态且达到一定回复期的最大波浪特征载荷，从而得到相应的设计波参数[7]。根据美国船级社(ABS)规范要求[8]，波浪特征载荷工况主要有：中纵剖面分离力，中纵剖面扭矩，中纵剖面纵向剪力，甲板质量纵向加速度，甲板质量横向加速度，下浮体的垂向弯矩。具体波浪特征载荷工况要求及设计波的计算方法可参见文献[8]。半潜式平台整体结构强度设计一般可分为完整性结构强度设计、破损性结构强度设计以及静水结构强度设计。

4.1 完整性结构强度设计

完整性结构强度设计指的是平台在完好的状态下，其整体框架强度能够抵御上述的设计波载荷。对于半潜式平台设计波浪载荷的重现期，一般不低于100年。通过加载设计波载荷和运动加速度，可得到平台有限元模型的最大应力响应，从而确定主要结构的屈服强度、屈曲强度是否满足船级社规范要求。

4.2 破损性结构强度设计

破损性结构强度设计是保证平台受损情况下的安全冗余度。按CCS规范要求，半潜式平台整体结构应在以下2种破损状态下保持完整性。

(1) 特定结构失效：平台任何一根细长撑杆失效后不会导致平台结构发生总体坍塌；上船体任一主桁失效后平台仍能保持结构的完整性。

(2) 平台倾斜状态：假定平台某一舱室破损进水，最大倾斜角度不超过17°。在此倾斜角度下，平台整体结构强度应能满足规范要求，尤其是倾斜进水的外壳、舱壁等结构应能够承受外部水压力。

对于破损性结构强度设计，一般应考虑一年一遇重现期的环境条件。

4.3 静水结构强度设计

相对于波浪载荷，静水载荷占平台全部载荷的更大部分[9]。因此对平台的静水结构强度设计前应详细分析和估算平台的重量、重心分布，可变载荷的分布，各种配载工况以及平台的浮态等；结构设计时应充分考虑下浮体的各种不同压载方式对下浮体结构强度造成的影响，尤其是不对称压载对下浮体产生的弯矩作用，如中拱、中垂或扭转效应，在整体结构设计时应予以重点关注。

5 局部结构强度设计

整体结构强度设计之后，需对整体结构不能涵盖的局部结构或局部加强部分进行局部结构设计。根据载荷类型，局部结构强度设计可分为高应力局部区域(特殊构件区域)、设备基座及其支撑结构、液舱结构等几类设计。

5.1 高应力局部区域(特殊构件区域)

此部分区域一般为半潜式平台的特殊构件区域，应力水平较高，在整体结构强度分析时对此区域网格往往不能划分得很细，且部分加强结构，如肘板等，也不能充分模拟，因此应进行局部结构强度设计。如撑杆与立柱、浮体的连接处，立柱与上下浮体的连接处，锚索导向装置及其支撑结构等部位都属于此类局部区域。

在进行此类区域的局部强度分析时，有限元模型的网格划分应足够细，有些特殊区域，如肘板的疲劳敏感区，网格应划分到板厚级别。此局部模型所受载荷除局部载荷外，还应考虑整体结构响应传递过来的边界载荷效应。计算应力除满足屈服、屈曲强度要求外，疲劳强度需要着重考虑。尤其是连接立柱与上下浮体、撑杆与立柱的加强肘板处，是疲劳裂纹最容易出现的位置，除设计满足疲劳强度外，对此处的焊接要尤为关注，并在焊后对焊缝进行打磨处理，如图3所示。

图3 焊趾的打磨Fig.3 Weld toe grinding

5.2 设备基座及其支撑结构

半潜式平台上设备众多，尤其是大型设备安放区域结构，应做详细的局部结构设计。如半潜平台上的主机、泵、救生艇降落装置、P-Tank、吊机、钻台等设备基座及其支撑结构，在计算分析其结构强度时，一般应建立局部结构的有限元模型，施加的载荷除常规设备本身重力载荷外，还应考虑整体结构响应传递过来的边界位移或载荷，由平台运动带来的重量惯性加速度也应一并考虑。计算得到的结构响应应力应满足规范的屈服、屈曲强度要求，对于承受较大循环载荷的结构，如吊机底座等，还需分析疲劳失效强度。

对于液舱的结构设计，涉及液舱内、外的水动压力，工况较为复杂，下文将单独论述。

6 液舱结构强度设计

半潜式平台液舱众多，如压载舱、油舱、水舱、泥浆舱等，多分布于下浮体或立柱、上船体中，对于液舱的结构设计既要考虑液舱内的液体压力，也要考虑舱外的海水压力，且整体结构响应也应一并考虑。

6.1 液舱内液体压力

液舱空气管设置往往高于上船体主甲板，因此液舱结构设计应考虑足够的液体压头，防止操作或压力试验时超压。对于液体压头设计一般按如下工况考虑：(1)液舱中液体可充满至空气管顶端，此时的液体压头可取自设计点至空气管顶端的垂直距离；(2)舱内设有高-高位报警及泵自动关断系统，此时的液体压头可取自设计点至最大填充深度间的垂直距离。具体液体压头取值方法如图4所示。

图4 液舱压头Fig.4 Parameters for tank pressures

图5 海水压头Fig.5 Parameters for sea pressures

根据DNV-RP-C103规定[6]，液舱内的压力应按式(7)计算：

(7)

式中:pd为液舱内设计压力；ρ为液体密度；hop为设计液体压头(见图4)；γf,G,Q和γf,E为载荷系数；aV为最大垂向加速度，设计初期可取值0.3 g，设计后期可由平台运动响应计算得到。

对于液体可充满至空气管顶端的液舱，其设计压力还应满足如下公式:

pd=(ρg0hop+pdyn)γf,G,Q(kN/m2),

(8)

式中:pdyn为液体流动压力，最小为25 kN/m2。

6.2 海水压力

作用在半潜式平台下浮体和立柱上的海水压力，按照下式计算:

pd,ULS=psγf,G,Q+peγf,E(kN/m2),

(9)

式中:pd,ULS为极限工况海水压力；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)说明平台结构应能够承受海水高至上船体下部高度的海水压头。

此外，当平台发生破损时，平台最大倾角达到17°，此时海水压力应满足如下公式：

pd,ALS=ρg0h17γf,A(kN/m2),

(10)

式中:pd,ALS为破损工况海水压力；h17取值如图6所示。

6.3 液舱结构强度设计

承受舱内液体压力或舱外海水压力的平台结构，首先依据计算得到的压力，使设计满足第3节中规定的构件尺寸规范公式；然后建立局部舱段的有限元模型，如下浮体或立柱局部模型，分析结构在舱内液体压力和舱外海水压力的不同的组合工况下，强度是否满足规范要求。DNV规范中规定[6]，舱内液体压力和舱外海水压力组合分为两个工况：(1)正常操作工况，又分为最大舱内液体压力和最大舱外海水压力两种工况；(2)破损工况，又分为最大海水压力作用于破损舱内和作用于舱外两种工况。

半潜式平台中液舱较多，对于工况的选择，应选取最危险工况，合理组合各舱压力和海水压力，以尽可能全面地反映平台遇到的最不利工况，保证平台结构安全。

图6 破损工况下海水压头Fig.6 Sea pressures in heeled condition

7 结 语

本文主要对控制半潜式平台结构设计的几个关键因素进行了论述，结合相关船级社的规范给出了设计方法，并归纳总结了半潜式平台结构设计的一般流程，可为半潜式平台设计提供参考。笔者最终相关建议如下。

(1) 半潜式平台结构设计非常复杂，工作量巨大，而且需平衡各个专业需求，不确定因素较多，因此设计、开发新的半潜式平台应尽量参考成熟母型平台，这样可减少设计工作量，降低设计风险。

(2) 半潜式平台的结构设计很大程度的依赖于设计环境条件，因此应根据平台作业海域合理选择环境条件，如风速、波陡等；对于波浪载荷的计算应尽可能准确，必要时应通过水池试验进行修正。

(3) 半潜式平台的高应力区域主要分布在撑杆与立柱连接处、立柱与上船体及下浮体连接处等，即规范中规定的特殊构件区域，在结构设计中应引起特别关注。

(4) 与结构的屈服、屈曲强度相比，半潜式平台的疲劳强度尤为突出，更是平台某些关键结构设计的控制载荷，如上述的特殊构件区域，都为疲劳的敏感和易失效区，应进行详细的疲劳设计。

[1] 李润培，谢永和，舒志. 深海平台技术的研究现状与发展趋势[J]．中国海洋平台,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] 中国船级社. 海上移动平台入级规范[S]. 2012.

[4] Det Norske Veritas. DNV-OS-C103. Structural design of column stabilized units (LRFD method) [S]. 2012.

[5] Det Norske Veritas. DNV-OS-C101. Design of offshore steel structures, general (LRFD method)[S]. 2011: 22-23.

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

[7] 张朝阳, 刘俊, 白艳彬. 深水半潜平台波浪载荷计算的设计波方法研究[J]. 中国海洋平台, 2012, 27(5): 34.

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

[9] 白艳彬．深水半潜式钻井平台总体强度分析及疲劳强度评估[D]．上海：上海交通大学，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

陈文礼(1979—)，男，工程师，主要从事钻井平台设备管理工作。

P752

A

2095-7297(2016)05-0281-06