自升式钻井平台结构强度分析与总体设计

杨桂颖

摘要：自升式钻井平台是指具有活动桩腿，且其主船体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行钻井作业的平台，此种平台在海洋石油开发中被广泛应用。本文以自升式钻井平台的结构安全为目的，对工程实践有指导作用，并为工程设计人员提供借鉴。

关键词：自升式；钻井平台；结构强度

自升式海洋平台与导管架固定平台相比，结构整体柔性较大，振动响应较为强烈，且随着海洋工程向深海发展，环境越来越恶劣，载荷不确定因素增多，因此，自升式钻井平台的结构安全越来越受到重视，而结构强度分析自然就成为设计阶段的重要研究内容[1]。

一、自升式平台的结构强度分析

自升式海洋钻井平台在海上油气开发中得到广泛应用。它由平台主体、升降装置以及若干（通常为 3 条到 4 条）桩腿组成。平台主体与桩腿之间可通过升降装置实现相对移动，桩腿底部设有沉垫或桩靴与海底相接触。作业时，桩腿降至海底，平台主体提升到海面以上一定高度，以避免波浪冲击。拖航时，平台主体降至水面，依靠浮力支承，类似于船体。此时，桩腿升至水面以上，通过拖航方式转移至新的作业地点。

自升式平台除了承受自身重量和可变载荷外，由于其工作环境的特殊性，还要时刻承受环境载荷的作用。还有由环境载荷引起平台结构的变形和振动，进而导致附加载荷的产生。例如：在环境载荷作用下，桩腿会发生变形，平台上部会发生很大的侧向位移，从而导致平台主体对桩腿底部产生附加弯矩。另外，当平台的自然周期与波浪周期接近时，平台会发生强烈振动，引起很大的动载荷。再者，由于环境载荷的持续作用，平台结构的内部将会发生疲劳损伤，久而久之，导致结构疲劳破坏。所以，在自升式平台结构设计过程中，要多方面、综合考虑环境载荷的影响。根据自升式钻井平台的工作特性和结构特点，其结构强度分析可分为总体性能、船体强度及局部强度分析[2]。

（1）总体性能分析

自升式钻井平台的总体性能分析主要是考核其站立工作状态下的整体安全情况，包括桩腿强度、锁紧系统（升降系统）承载性能、预压载性能、桩靴承载性能及抗倾稳性。总体性能会直接影响平台的操作安全及作业能力，因此需予重点关注。具体计算方法和过程请详见参考文献。

（2）船体强度分析

平台设计时，应确保船体具有足够的强度，除承载设备及人员外，还能抵御环境载荷及功能载荷产生的不利影响。船体强度的失效形式主要为船体板或梁发生屈服、屈曲。受力主要工况为站立工况和拖航工况。站立工况下，预压载和悬臂梁外伸状态，船体受力最大，预压载时，船体压载舱和甲板的应力较高，悬臂梁外伸作业时，悬臂梁底座处主甲板及舱壁受力较大，且围阱周围的结构应力较高；拖航工况下，桩腿和固桩结构的应力较高。

（3）局部强度分析

局部强度分析主要是对自升式平台局部受力较大的结构单独进行计算分析。根据自升式钻井平台的结构特点，应予强度分析的局部结构为：围阱区、桩靴、生活楼、直升机甲板、吊机底座、悬臂梁、钻台、设备底座等。局部结构一般所受工作载荷较大，因此，这些结构在设计时强度应予保证。局部强度分析一般采用有限元分析方法，由计算得到的应力进行板的屈服、屈曲校核[3]。

二、自升式钻井平台方案在设计过程中的重要地位

整个技术产品的设计作为现代工业生产的关键环节，在整个产品的生产周期内占据着十分重要的支撑作用，对于产品的内在品质具备一定的促进功能。关于自升式钻井平台的建设是一个相当浩大的工程，使用周期和投资水平比较高，而且具有一定的风险性，这种设计方案需要在不同阶段进行技术经济方向的定位，根据不同时期的市场需求进行长远规划设计，在剧烈市场竞争以及石油开采事业的发展，使得对其产品质量的要求更加严格，这就要实现工程前的方案快速生成，进行综合评价后的最优方案的选择。通过保持产品原理的基础，进行具体结构和局部设计的变更，适应不断变化的时代需求。具体的设计模式没有固定要求，可以针对子系统功能进行具体改进，整个研究过程可以实现分散处理。

首先，进行平台设计系统分析，衡量自升式钻井平台方案设计系统的适用性并进行科学的步骤分析，根据三维结构模型结构平台设计的任务特性，建立整体的三维结构模型，具体指导方案的设计标准；引用专业的安全评估技术进行可行性论证，进行具体方案执行的操作指导；进行理论和统计回归处理，建立整个系统平台的预测模型，同时进行优化处理，结合先进的系统评价，按照设计建成的平台进行水平等级的实际考察，针对具体先进性和问题进行明确划分，这种考察方法可以保证系统设备对于预期效果的满足程度，对后期的大范围设计与推广有一定的指导作用。其次，加强危险识别处理技术的可靠性，将具体的危险清单注明，实现进一步的分析与控制方案的提出，其中的内部定义主要借助标准技术的探究与事后结果的科学预测，分析整个可能引起事故过程的前因后果，并进行危险排序和综合评定。通常运用头脑风暴法进行识别，可以避免材料记录的局限性，利于找出事故的具体原因。我国在长期的自升式平台安装作业过程中步骤比较简易，并且对于具体的风险评估与资料发表很少，整体数据资料积累严重不足，需要进行全面的整合。

三、自升式钻井平台的总体设计

自升式钻井平台方案设计阶段包括平台主尺度及船型要素优选，总布置及性能计算，结构设计这三个部分。

（1）主尺度及船型要素优化部分。依据船东提出的技术要求或设计者调研的市场需求初步拟定设计平台的总体性能及主要的技术指标，包括平台最大作业水深，最大钻井深度，最大可变载荷，大沟载荷，悬臂梁移动范围及作业区域等。利用优秀母型船的船型资料以及已建立的自升式钻井平台主尺度要素的统计数据，利用回归数学模型和神经网络数学模型初步确定平台的主尺度及船型要素。对自升式钻井平台的主要设备如主机、泥浆泵、升降装置、振动筛等要根据平台的作业环境和使用要求进行选型。

（2）总布置及性能计算部分。总布置包括生活区布置、钻台布置、悬臂梁布置、主要設备布置等。最佳分舱方案研究涉及各分舱的仓容校核，包含压载舱、钻井水舱、泥浆池、泥浆泵舱、主机舱、泵舱、污水处理舱等。设计载荷计算包含由平台重量、使用及作业引起的重力载荷和由风载荷、波浪载荷及海流载荷等组成的环境载荷。性能计算包括完整稳性、破舱稳性、坐底稳性（抗倾、抗滑稳性）、沉浮稳性及静水力计算和干舷校核等。

（3）结构设计部分。初步确定方案的基本结构形式、典型横剖面的结构形式、升降系统的结构形式、悬臂梁的结构形式，进行强度校核以及检验结构设计是否满足总布置优化和工程实际需要等。自升式钻井平台的方案设计是一个复杂的过程，其设计流程如图 2 所示。在方案设计流程中，能通过经济评价被确认为优秀适用船型的往往不只是一个方案，而是一个可行方案集。这就存在对可行方案的优劣进行评价的问题。要根据市场的实际需求，技术经济性，船东的偏好等从可行方案中选出最佳方案。

结论

我国在海洋钻井平台的设计、建造、检验和科研方面都迫切需要发展，特别是在海洋钻井平台的基本设计上，、独立设计能力尚有一定的差距，大多依靠外国设计技术。开展相关的研究工作，是提高我国海洋结构物设计制造能力的需要，也是提高海洋平台设计国际竞争力的需要，它对于我国海洋资源的开发和我国海洋工程事业的发展具有重要意义。

参考文献：

[1] 王庆来，孙玉海，王娜，王波. 自升式钻井平台强迫振动响应分析[J]. 船海工程，2013，03：158-160.

[2] 高学静，张洪欣. 自升式钻井平台中钻台结构强度分析研究[J]. 船海工程，2013，03：174-176+181.

[3] 于明阳. 自升式钻井平台拖航设备研究与设计[J]. 电子制作，2013，14：215.