半潜式生活服务平台结构设计

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

半潜式生活服务平台结构设计

乔晓国1，郭涛2

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

结合某半潜式生活服务平台的设计，参考ABS和DNV船级社的相关海工规范，介绍半潜式平台总体设计结构专业的工作内容。阐述在设计初期结构规范校核时设计水压头的选取方法；对比3种设计波选择方法，推荐使用长期统计法确定平台强度的设计波；比较不同设计波载荷对平台强度设计的影响，认为斜浪方向的设计波对平台整体结构设计最重要；总结平台结构高应力区域、易屈曲板架、疲劳热点区域的位置，并指出基本的加强方向。

半潜式平台；结构设计；规范校核；设计波；疲劳

0 引 言

半潜式平台由水下浮箱提供大部分浮力，通过若干立柱将上部结构支撑在距离水面一定高度处。立柱的水线面较小，在波浪作用下产生的不平衡垂向力相对于静水状态时较小，可避免平台产生较大的升沉、纵摇和横摇运动。立柱的侧向投影面积较小，而侧向投影面积较大的浮箱处于水线面以下十几米的深度，因此，大部分波浪对结构产生的波频侧向力也相对较小，不会产生较大的波频横荡、纵荡或艏摇运动。半潜式平台在深水海域有着广泛的应用，如油气资源开发、海底铺管、海上起重、生活服务等方面，也可作为火箭发射平台、远程预警雷达平台使用。半潜式平台的总体设计是个复杂循环的系统工程，本文结合某半潜式生活服务平台设计阶段的工作经验，对结构总体设计方面进行探讨。

1 半潜式平台整体结构

典型的半潜式平台的结构由立柱、水下浮箱和上部结构组成，如图1所示。

图1 半潜式平台典型结构

水下浮体有4条首尾相接的环形形式和左右双浮箱外加横撑的形式。环形形式适合用于长期固定于锚地的生产平台，而外加横撑形式则适用于经常改变作业区域的钻井、生活服务、起重、铺管等平台。大部分半潜式平台的立柱均为根，但有些平台由于上部结构纵向跨度较大、舷侧的跨中布置有起重机、稳性不足等原因，需要在左右舷跨中各增加1根立柱。上部结构有桁架型结构，也有箱型结构。一般来说，桁架形式的上部结构整体刚度较弱，主要用于下部浮体刚度较大的生产平台上，而箱型的上部结构不仅可以提供储备浮力，而且强度较大，对于双浮箱外加横撑形式的平台来说是必须的。

2 总体强度设计

半潜式生活服务平台的总体结构强度设计主要包含以下内容：

(1) 结构规范校核。最初阶段根据平台总体尺寸、分舱、设计吃水、甲板载荷以及初步结构布置，根据规范推荐的经验公式确定浮箱、立柱以及上部结构的板材厚度、型材规格。确定平台主体的大致重量，并反馈给总体专业，核算总体稳性以及总体运动性能。

(2) 总体有限元分析。根据结构规范校核的结果建立平台整体有限元模型，将不影响平台总体刚度的结构、设备以及其他非液舱重量以质量单元形式分布在模型中。使用设计波法计算平台结构的应力水平，对超出许用应力区域和板架屈曲能力不满足要求的区域做相应的加强。然后，使用谱分析法校核平台承受高水平交变应力区域的疲劳性能，并采用适当方法进行改善。最后对平台整体结构进行冗余分析。

2.1结构规范校核

美国船级社(ABS)在移动式海洋钻井装置(MODU)规范[1]里给出了承受不同类型载荷板架的规范校核公式。在结构规范校核公式的诸多参数里，代表板架载荷的水压头的选择相对复杂。非水密板架的水压头根据板架设计载荷除以7.05得到。水密板架水压头的选取则涉及到几个概念：载重线、破舱水线、舱壁甲板、干舷甲板、溢流管高度，其中：载重线可以取最大设计吃水；破舱水线是校核完破舱稳性得出的，在此之前可以取到主甲板高度；舱壁甲板是立柱最高一层水密甲板，一般都在上部结构和立柱的连接处；干舷甲板可以认为是主甲板；溢流管高度需要和配管专业核实各个液舱的布置，设计前期可以统一将溢流管放在主甲板上。

ABS将板架围成舱室分为液舱和水密舱，各自规范校核的计算公式和水压头的选取不同。基本理念是在设计水压头作用下液舱板架不允许产生明显变形，而普通水密舱的板架在设计水头作用下则允许有明显弹性变形，所以相同高度处的液舱板架都要比水密舱的板架强度大。立柱和下部浮体的外板计算公式与液舱相同，只是在水压头选取时需考虑破舱状态的水压力和波浪压力。

挪威船级社(DNV)在海工标准[2-3]中给出的结构规范校核公式不区分舱室类型，但是在设计压力的选择上给出了详细的要求，在推荐做法[4]中对液舱及波浪压力的选取规则有详细的说明，总体上与ABS相关规则类似。但是DNV采用的是载荷抗力系数法(LRFD)，与ABS的工作应力法(WSD)有较大不同，2个规范的公式及参数可以相互参考和对比，但不能混用。

结构规范校核只是得到平台各处结构的基本尺寸，由于平台结构刚度严重不均匀，在波浪条件下主体结构连接处会产生超出材料屈服强度的应力、板架屈曲性能和疲劳性能很难满足要求，需要进行详细的水动力计算及有限元分析，并对这些位置做相应加强。

2.2设计波选取

图2 关键载荷及相应设计波浪向

由于半潜式平台的湿表面比较复杂，一些周期长的波浪并不一定在平台强度设计过程中起控制作用，而几种特定周期和入射角的波浪更可能在平台结构内产生显著的水动力载荷。该类型半潜式平台总体强度设计的关键水动力载荷有：在横撑内部产生的最大拉力(Fy)，在平台中纵剖面产生的最大扭矩(Ty)，在平台中纵剖面产生的最大纵向剪切力(Sx)，在平台上部结构内部产生的最大加速度(Ax，Ay，Az)以及在中横剖面产生的最大波浪弯矩(My)。ABS并没有将Az列为关键载荷，而DNV虽然列出了Az，但是明确表示该项对平台整体结构来说不算是关键载荷，所以通常使用其余6个关键载荷选取设计波。关键载荷及相应设计波浪向如图2所示。

设计波的选取方法有3种[1，5]：确定性波法，短期统计法，长期统计法。无论哪种方法都需要事先确定平台6个水动力载荷的响应幅值算子(Response Amplitude Operator, RAO)，即表征6个水动力载荷在不同入射方向、不同频率的单位波幅波浪作用下各相位的数值。

确定性波法里给定的环境参数是极限波陡和最大波高。根据线性波理论，波长和周期、频率、圆频率均一一对应。设计波的浪向和波长根据浮体总体尺度确定，结合极限波陡和最大波高可以确定6个关键水动力载荷对应设计波的浪向、周期和波幅。根据RAO即可确定这些水动力载荷最大值及其对应的波浪相位。

短期统计法里给定的环境参数是一个短期(一般为3小时)海况，包含波浪谱型、有义波高和峰值周期(或跨零周期)。结合RAO可以得到不同浪向6个水动力载荷的等效响应水平，6个最大等效响应水平对应的浪向就是设计波浪向；用6个最大的等效响应水平除以对应浪向RAO的峰值即可得到设计波波幅；而每个RAO峰值对应的频率就是设计波的频率。

长期统计法里给定的环境参数是平台适用海区的波浪散布图和波浪谱型，体现了这些海区短期海况的长期统计情况。与短期统计法相比，长期统计法在计算水动力载荷的等效响应水平时考虑了不同参数短期海况的出现概率，而其给出的等效响应水平是对应诸如一年一遇、十年一遇、百年一遇等不同概率的结果，其中设计波的浪向、波幅及频率(波周期)计算方法与短期统计法相同。

此外，最终用于计算的6个设计波的相位角应该是相差180°的2个值，类似于单壳船的中拱和中垂状态，所以一共有12组水动力和加速度载荷用于总体强度计算。

半潜式生活服务平台的总体工况比其他平台简单，根据吃水从浅到深依次分为拖航(自航)工况、风暴自存工况和作业工况。拖航(自航)工况的吃水比浮箱上表面低，使得航行阻力最小；作业工况的吃水最深，此时平台在波浪中的响应最小；风暴自存工况为了保证气隙(波峰与上部结构底部的距离)，在作业工况的基础上适当减小吃水。在不同工况下，平台的湿表面不同，平台广义质量(质量和三自由度转动惯量)也不同，在计算12组水动力载荷的RAO时需要3组不同的湿表面模型(横撑可能用到莫里森摸型)、质量模型和结构模型。

在平台设计指标里一般都会明确要求平台的适用海区，并给出这些海区的波浪散布图及谱型，在后期的局部强度设计时也需要平台上一系列点在N年一遇海况下的加速度，在用谱疲劳方法对平台总体疲劳性能进行分析时也需要适用海区的波浪散布图及谱型，所以长期统计法使用更广泛。由于平台适用海区不只一个，不同海区只有设计波的波幅不同，其他参数都是一样的在总体强度计算时使用最大波幅即可。

2.3平台结构应力

根据选取的设计波将相应的水动力及静力载荷传递至结构模型上，并在结构模型上施加如DNV推荐做法要求的边界约束，即可计算出在选定的12组设计波载荷作用下平台内部产生的应力，并据此判断结构强度是否满足规范要求。

目前，大部分有限元计算软件依据线性理论，假定水动力计算时湿表面不变化、平台结构发生变形之后刚度矩阵不改变等。在结构有限元线性求解之后得到平台在静水状态和12组单位波幅设计波载荷作用下的应力结果，在后处理阶段通过线性叠加得到平台的实际应力结果。

由于横撑结构的长细比较大，自身抗弯刚度和抗扭刚度较弱，致使左右两侧浮体的上部结构连接在一起。图3为半潜式平台沿设计波方向的3个剖面，可以看出：半潜式平台在这3个剖面的结构刚度差别较大。来自艏部和艉部方向的设计波，即产生最大Ax和My的设计波使平台产生左右舷对称的纵摇运动，由于平台两侧纵剖面的结构刚度很大，所以这2组设计波在平台内部产生的应力水平比较低。横浪状态的设计波，即产生最大Fy和Ay的设计波会让平台产生前后对称的横摇运动，平台横剖面的开口框架比纵向框架刚度小，2组设计波在立柱上下端和横撑两端产生的应力较纵向设计波产生的应力高。斜浪设计波，即产生最大Sx和Ty的设计波影响到平台结构刚度最弱的斜向剖面，会让平台整体沿主甲板对角线产生显著的弯曲变形。同时在平台中纵剖面产生扭转变形。由于上部结构沿甲板对角线方向的抗扭刚度较小，导致立柱上下端和横撑两端附近结构中产生比其他载荷影响大的应力。总得来说，斜浪设计波是半潜式平台结构设计最关键的设计载荷。

图3 半潜式平台的3个垂直剖面

大部分平台主体采用高强度钢(屈服强度为315 MPa或355 MPa)建造，对于超出许用应力范围的结构应采用增加过渡结构或增加板厚的方式进行加强，在立柱顶部、底部以及横撑两端的相邻区域，板厚可达100 mm。应尽量避免使用超高强钢材(屈服强度超过400 MPa)进行加强，否则会导致严重的疲劳问题。

图4 上部结构中最重要的横向框架

由于平台横向框架刚度较弱，为避免后期结构设计困难，从平台基本设计阶段的舱室布置开始，应该保证上部结构横向框架的完整性。尤其在与立柱对应位置(如图4中虚线)的上部结构横舱壁不能被削弱，同一条横舱壁上各层舱室门的开口不应集中位于同一横向位置，也不能为大设备(如主机等)留下巨大的开口。在横舱壁靠近立柱内侧外板的位置(如图4中黑点)附近不应布置任何开口。

在相同海况下，平台吃水越浅，运动响应越大，在相同海况的设计波作用下，结构中产生的应力水平也越高。尤其是在拖航工况下，水线面面积、水线面惯性矩都较大，而此时平台的广义质量最小，在与作业工况的海况下平台将产生剧烈的运动，进而在平台结构内部产生较高的应力。半潜式平台拖航工况的设计波波幅较小，根据长期统计得到的可拖航海况的有义波高也较小，在超过允许海况时，需要将平台压载至较大吃水状态等待，限制了半潜式平台在特定海区可拖航的时间比例，增加运营成本。半潜式平台的设计工况是深吃水的作业状态，浅吃水的拖航性能则在很大程度上被削弱。为此，有的平台为了快速部署或维修而采用干拖的形式进行远距离运输。

2.4板架屈曲问题

根据有限元计算得到平台各工况下的应力分布，结合相应船级社关于海洋工程钢结构屈曲性能评估的规范[6-8]校核平台结构板架的屈曲强度。仅根据结构规范校核设计出来的平台结构有大面积区域会发生板架屈曲，这些区域包括上部结构主甲板、上部结构底板、图4中黑点位置的横纵舱壁、立柱前后外板的上半部分、立柱内侧外板的下半部分以及下部附体侧面与立柱相连的部分。前3个部位板架内部压应力方向沿横向，所以这些部位的加强筋应沿横向布置；后3个部位的板架压应力方向沿垂向分布，这些区域的加强筋方向应沿垂向布置。板架屈曲区域需要通过增加板厚或者增加加强筋数量进行加强，同样由于疲劳问题的原因，板架屈曲的加强不推荐使用超高强钢材。

2.5疲劳问题

半潜式平台在强度计算结果里高应力区域的应力分布中，由于波浪作用产生的交变应力占大部分，这会导致严重的疲劳问题。由于疲劳寿命与结构材料的屈服强度无关，如果前面的平台在高应力区域的加强使用了超高强钢材，则板厚较薄，交变应力较高，结构疲劳寿命会受到严重影响。

ABS和DNV在各自的规范[9]和推荐做法[10]里推荐使用谱疲劳方法对半潜式平台结构的疲劳问题进行评估。谱疲劳分析需要计算至少24个浪向、一系列单位波幅规则波作用到平台上产生的水动压力和平台的整体运动加速度，并将水动压力和加速度传递给平台结构模型，计算得到平台结构内部在任意浪向、任意周期的单位波幅规则波作用下的应力值。然后结合波浪散布图、海浪谱型、各部位板厚、S-N曲线、设计寿命、安全系数等信息评估疲劳损伤，并反算疲劳寿命。

规范中对安全系数的选择方法十分详尽，需要注意对于双浮箱外加横撑形式的半潜式平台，需定期进行安全检验，其安全系数可以取1。实际上该型半潜式平台的疲劳安全系数取2或3很难满足设计要求，而半潜式生产平台下部环形浮箱的结构刚度很大，相应的交变应力较低，水下关键部位的疲劳安全系数可以取10。

增加板厚、增加过渡结构、改变板材接缝位置或方向可降低垂直于焊缝方向的主应力。对焊缝根部进行适当打磨或锤击延缓疲劳裂纹的生成，但是不推荐在新造平台上使用此类方法来满足设计疲劳寿命。

2.6结构冗余

双浮体加横撑类型的半潜式平台还需要考虑结构冗余。该分析考虑其中任意一根横撑断掉之后，校核平台是否能在风暴海况下保证剩余结构的完整性。该工况的应力安全系数可以取1。其计算流程与总体强度计算相同，但不需要校核疲劳损伤。

3 重量控制

由于半潜式平台作业工况水线面较小，使得其对重量控制比较敏感。考虑后期结构加强需将最初的结构规范校核给出的结构重量额外增加20%。将估算结构重量反馈给总体专业重新核算稳性，若不满足，则需要调整平台整体尺度，这样可能需修改舱室和结构布置，结构规范校核需要重新修改，并估算重量反馈给总体专业。这样的循环在刚开始阶段会重复多次，甚至到详细设计阶段仍然会出现重量失去控制而不需要在每个立柱外侧附加1个水密舱来保证总体稳性满足要求的情况。所以，在整个半潜平台设计的过程中，对重量的控制一定要充分重视，所有结构在满足规范要求的前提下尽量优化，减轻重量。

4 结 语

目前，对半潜式平台的结构设计主要依据ABS和DNV的相关规范，在设计过程中可以相互参考，对比使用。本文结合某半潜式生活服务平台的结构设计工作，阐述半潜式平台设计工作结构专业的主要内容、设计流程、符合规范要求的设计方法，分享一些设计经验，可为其他平台的设计提供参考。

[ 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

乔晓国(1985-)，男，工程师

1001-4500(2017)04-0014-05

F416.22

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