三立柱半潜式平台的上部组块人字形甲板设计

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(北京高泰深海技术有限公司，北京 100029)

0 引 言

半潜式平台已经广泛运用于海上油田的勘探、开发中，其经济性、适用性已经得到广泛的认可，是目前水深200 m以上油气田开发主要的平台型式之一[1]。由于该类平台主要依靠立柱的水线面提供稳性，所以也被称为立柱稳性平台。其特点是相同的排水量下，水线面比其他形式的海洋结构物小，平台的自然周期远离波浪的主能量区，因此可以在极其恶劣的环境下依然保持良好的运动性能，特别适合在较恶劣的海况下作业[2]。因此，大量的深水钻井平台、深水生产平台采用立柱稳性平台形式。

除去功能性的设备，半潜式平台主要结构由以下几部分构成:(1)浮箱。浮箱在平台最底部，主要作用是提供浮力，充压载水并参与平台总体强度。(2)立柱。立柱是浮箱与甲板之间最主要的连接、支撑结构，并且提供整个平台的稳性。(3)甲板。甲板为整个平台提供工作平面，使平台可以布置功能性设备，完成一定的工作，如钻井、生产等，并且也是平台整体强度的重要组成部分。(4)撑杆。撑杆的结构形式多样，主要位于甲板下部和浮箱之间，用于减少甲板主梁跨度或提高平台的总体强度。

目前在海洋平台设计中，浅水运用较多的自升式钻井平台是三角形结构，依靠可升降的3个桩腿/立柱支撑整个平台。三腿/立柱平台具有良好的经济性，所以80%以上的自升式钻井平台采用三腿/立柱设计。对深水油气田开发中常用的浮式平台而言，采用三立柱的半潜式平台同样具有很好的经济性。在当前低油价的环境下，开发多功能低成本的新型三立柱半潜式平台可为国内外石油公司的深水开发降本增效。在通常情况下，在同等排水量级别的基础上，为了满足稳性要求，三立柱半潜式平台的立柱间距要比常规四立柱半潜式平台大。半潜式平台的甲板结构主要依靠平台立柱和斜撑的有效支撑，大立柱间距给平台甲板的布置和甲板结构设计带来相当大的挑战，设计一种高效、经济的甲板结构形式以适应大跨度三立柱半潜式平台的要求十分必要。

1 人字形甲板设计思路

为了克服现有技术的不足，本文设计一种半潜式平台人字形大跨度甲板型式。在设计上综合桁架式、优化布置及大跨度梁解决方案，以适合三立柱半潜式平台的结构形式，克服了三立柱半潜式平台的最大难点：大跨度的甲板设计及设备布置。配合该甲板的设计，使三立柱半潜式平台低成本设计建造成为可行。

针对大跨度平台的结构强度和结构变形的问题，可以从2方面着手解决：(1)不断增加结构尺寸，以满足其相关强度和变形要求。但过高的结构重量会使三立柱半潜平台影响冗余度不高的储备浮力和稳性，无法满足经济型半潜平台的需要。(2)减少组块结构的有效跨度。可从平台立柱上引出斜撑以支撑组块结构，选择合理的斜撑支撑点，使其与立柱支撑形成框架式结构，可承受较大工作载荷，既能有效降低平台型材尺寸，降低结构重量，又能满足立柱的承载要求。

传统的半潜平台多采用箱型甲板结构，但三立柱半潜平台若采用箱型甲板结构，由于三角形形状的限制，尽管立柱跨度增加，但所能提供的甲板面积仍很有限。本文设计的上部组块甲板结构采用双层桁架式结构，双层的甲板将提供双倍的甲板面积，并在上层甲板处立柱上方位置将甲板向外延伸，使其俯视时看上去像“人”字形。这样不但有效地增加了甲板面积，还可充分利用立柱自身结构强度大的优势，把主要设备布置在立柱上方和立柱与斜撑形成的强框架之间。将主要荷载布置在这些已有的强结构上方，可提高结构的利用效率，使半潜式平台的立柱不但为平台提供浮力，还为整个平台的上部模块提供支撑。

为实现人字形甲板设计的技术验证和对比，本文以“南海挑战”号FPS为设计对比，使人字形甲板在与FPS相同的工作环境条件下，满足全部组块的功能需求，计算校核人字形甲板结构的强度，以验证人字形甲板的结构优势特点。流花11-1“南海挑战”号FPS如图1所示。三立柱半潜式平台及人字形甲板设计示意图如图2所示。

图1 流花11-1“南海挑战”号FPS 图2 三立柱半潜式平台示意图

2 人字形甲板的设计参数

2.1 三立柱半潜式平台主尺度

人字形甲板的设计依托是研发一种与“南海挑战”号FPS功能及工作荷载相似，具有湿树采油和钻井功能的新型三立柱半潜式生产平台，三立柱半潜式生产平台的总体性能研究和结构设计研究已完成相关工作，其上部组块的甲板结构设计也将满足相关功能需求，并且最大限度地降低组块结构的重量，优化结构性能，降低建造成本。

三立柱半潜式平台的设计目标海域是中国南海，其设计水深范围为300～1 000 m，属中深水浮式结构范围。平台的主尺度通常根据上部设施功能要求确定，典型参数见表1。

表1 三立柱半潜式平台主尺度 m

2.2 环境条件

三立柱半潜式平台的目标作业海域是中国南海，环境条件较为恶劣，表2给出其作业海域风、浪、流的环境条件，其中操作工况应考虑一年一遇的环境条件，极端工况应考虑百年一遇的环境条件，生存工况应考虑千年一遇的环境条件。

表2 三立柱半潜式平台环境条件

3 人字形甲板的结构形式

三立柱半潜式平台整个上部组块结构共包含2层主甲板，上层甲板采用人字形结构，下层甲板由于剩余空间较大，采用三角形结构即可，也可采用人字形结构。

3.1 平台的坐标系统

人字形甲板的模型坐标原点为平台3个立柱构成的等边三角形的中心点，高度方向上以平台基线为O点，x轴正向指向为平台东，y轴正向指向为平台北，z轴正向指向上。

3.2 人字形甲板的设备布置

人字形甲板为整个平台提供工作平面，使平台可以布置功能性设备，完成一定的工作，如钻井、生产等。上部组块的甲板布置主要包括：主机、配电间、泥浆处理模块、油气处理模块等设备，生活楼、平台控制室、仓库、水下机器人工作间、直升机甲板等区域。平台中间为月池区域，安装布置钻修井设备。人字形甲板的布置图如图3和图4所示。

图3 主甲板布置图 图4 生产甲板布置图

主甲板北侧为生活楼区域，中部为钻井设备区域，西南角为钻井配套设施区域及焊工房、油漆间区域，东南角为氮气、压缩气体处理设施及遥控无人潜水器(Remotely Operated Vehicle, ROV)系统区域。该甲板根据需求布置了3台吊机，火炬臂布置在了西南角区域。生产甲板北侧主要布置生活污水处理设施、消防泵及二层电仪房间等,中部为中空区域，不设置甲板，西南角为主工艺处理设备区域，东南角为公用设备处理区域，3个区域通过环形通道连接。

通过优化布置方式，将甲板分为3个区域，每个区域均为常规的四边形框架结构，方便布置设备。中间通过人字形主梁连接，并充分利用已有结构的强度，把撑杆与立柱之间的区域作为主要设备的布置区域，减少了负载对甲板跨度中段的压力。整个上部模块分为2层桁架式甲板：第1层主甲板中部为钻井区，3个角为主要的设备布置区域。第2层甲板中部不放置设备，主要目的是为桁架结构提高甲板的强度，减少甲板跨度中段的载荷，第2层生产甲板的3个角为设备布置区域。这样的布置可以充分利用已有的3个立柱结构，使其不但可以提供浮力，还兼做上部模块的结构基础，提高了立柱结构的利用效率。

3.3 人字形甲板的结构模型

本文采用SACS软件对人字形甲板结构进行建模并计算校核。人字形甲板结构将采用1个三维空间桁架模型进行模拟，模型如图5所示。

图5 人字形甲板三维模型视图

计算中模拟了甲板的主要结构和次要结构。所有的节点采用刚性连接，每根杆件的两端也采用刚性连接。所有的甲板板采用板单元模拟，杆件的偏移已在模型中加以考虑。甲板与船体的连接处设置了约束点，便于计算中单独考虑甲板结构。所有的甲板设备、钻机等设置为荷载直接加载于甲板的杆件或节点上。

4 人字形甲板结构强度校核

4.1 人字形甲板的载荷

人字形甲板的载荷主要包括结构和设备重量(含重力方向的操作重)，半潜平台受波浪作用传递的运动加速度，吊机设备操作产生的方向性荷载，以及风对甲板结构的作用。三立柱半潜平台在运抵作业海域后可认为存在5种作业状态：生产作业状态、钻井作业状态、生产钻井状态、极端工况停产状态、生存工况自保状态。文中取水平方向每30°定义一个载荷方向，这样吊机的操作重量和风载荷一起共计算12个方向载荷(0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°)，每个方向组合1种作业状态，再考虑垂向加速度的上下2种运动状态，本文共计算120个工况校核人字形甲板结构。

4.2 人字形甲板的分析结果

人字形甲板杆件的校核根据API RP 2A-WSD 和 AISC 2005 ASD两本规范进行校核，在考虑百年一遇台风极端工况和千年一遇自存工况2种作业状态时，许用应力可分别放大1.33倍和1.67倍。人字形甲板结构计算结果如图6～图9所示。

图6 人字形甲板主结构的应力云图 图7 人字形甲板主甲板的应力云图

图8 人字形甲板生产甲板的应力云图 图9 人字形甲板立柱、斜撑、吊机底座的应力云图

经计算验证，目前设计的主结构最大杆件应力超过许用应力，但其属于节点环板范围内，修正截面计算可保证杆件应力小于许用应力，人字形甲板结构形式满足规范要求[3]。

5 结 论

(1) 人字形甲板在设计上综合了桁架式、优化布置、大跨度梁解决方案，以适合三立柱半潜式平台，克服了三立柱半潜式平台的最大困难：大跨度的甲板设计及设备布置。配合该甲板的设计，三立柱半潜式平台可实现低成本设计建造。

(2) 人字形甲板的双层桁架式结构，可以在70 m以上的跨度实现甲板强度满足要求。与箱型结构的甲板相比，桁架式结构具备很好的空间优势、结构强度优势和结构冗余度，使其应用于大跨度三柱半潜式平台时，有更好的结构强度和更轻的结构重量等优势。

(3) 人字形甲板在甲板的下部，利用6个斜向支撑，将甲板的悬空跨度减少一半，并在立柱上方与斜撑之间，形成一个四点支撑的强框架，可承受较大的工作荷载，为重型设备的布置提供了很好的结构基础。

[1] 姜哲, 谢彬, 谢文会. 新型深水半潜式生产平台发展综述[J]. 海洋工程,2011, 29(03): 132-138.

[2] BYBEE K. State of the Art of Ultra Deep Water Production Technologies[J]. Journal of Petroleum Technology, 2005,57(08):54-70.

[3] Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design [S]. 2007.