深水自升式钻井平台主要结构参数设计方法研究.pdf

2 0 1 3年第 l 1 期 谢建新 深水自升式钻井平台主要结构参数设计方法研究 1 ． 2 参数建模 根据收集到的资料数据 见表 1 ， 绘制了需要 趋势线 线性、 对数 、 多项式 、 乘幂、 指数、 移动平均 值 ， 计算 出方差 ， 取方差值最小 的趋 势线作为此 设计的参数与可能相关 的已知参数的关系图 ， 画出 关系图的规律线 。 表 1 世界主要深水自升式钻井平台 1 ． 2 ． 1 平 台自重一工作水深 平台自重是由桩腿、 桩靴、 升降装置、 船体以及 平台上其他一些 固有构件 的质量所组成 。在平 台 设计时， 应确保平台具有 足够 的强度 ， 除承载设备 及人员外 ， 还能抵御环境 载荷产生 的不利影响 ， 众 多因素使平台 自重随着工作水深 的加深变化很大 ， 如图 2所示。 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 图 2 平 台 自重一 工作 水深 1 ． 2 ． 2 桩腿长度一 工作水深 工作时桩腿下放插人海底 ， 平 台被抬起到离开 海 面的安全工作高度 ， 并对桩腿进行预压 ， 以保证 平 台遇到风暴 时桩腿不致下 陷。桩腿长度 由极 限 波高 、 气 隙高度 、 桩腿入土深度 、 工作水深 、 船体型 深、 桩腿剩余长度等几部分组成 如图 1 所示 ， 其 中工作水深对桩腿长度影 响最大。从 图 3中可 以 看出， 桩腿长度和工作水深成正 比关系 ， 由此可 以 近似地得出两者之间呈线性关系。 1 ． 2 ． 3弦杆 间距一船体 自重 利用麦秆原理 ， 把一些高大的柱子和杆件都设 计成空心的。这样可以大大提高他们的承压能力。 起到“ 重半功倍” 的作用 。为承受特定质量的平 台， 桩腿 中主弦杆 间距相当重要 ， 其 中主弦杆间距 与船体 自重的关系如图4所示 。 2 2 。 5 1 5 曩 0 图 3桩腿 长度一 工作水深 0 】 00 0 0 2 0 o 0 0 3 00 o o 4 O0 0 0 5 00 0 0 船体 自重／ t 图 4弦杆 间距一船体 自重 1 ． 2 ． 4 桩腿横纵间距一工作水深 桩腿的分布位置， 即桩腿之间的纵向间距和横 向间距 ， 直接影响到平台的着底稳性 ， 也影响着环 境力作用的各桩腿所承受的轴向载荷。桩腿之间 的纵向间距和横向间距越大 ， 平 台的抗倾斜稳性也 越好 ， 如图5 所示。 1 ． 2 ． 5 船体体积一 船体 自重 船体体积和船体 自重成正 比关 系 ， 如 图 6所 示 。 3 】 2 0 1 3年第 4 2卷 机械设计与制造工程 2 o o 1 5 0 薹 工作水深／ m 工作 水深， m a 桩腿横间距一工作水深 b 】 桩腿纵间距一工作水深 图5 桩腿横 、 纵 问距一 工作水深 图 6 船体体积一船体 自重 1 ． 2 ． 6 桩靴面积一船体体积 桩靴的主要作用是减少桩腿的人泥深度 ， 使 吊 装船在升起的时候更平稳 ， 减少桩腿的受力等。桩 靴的设计质量直接影响整个平台的性能好坏 ， 因此 平台桩靴的设计至关重要。依据地质调查结果及 平台的设计质量和环境因素， 选择合适的桩腿形 式 J 。桩靴面积与船体体积之 间的关系如图 7所 喧 鬈 筵i 船体体积／ 图 7桩 靴 面 积一 船 体 体 积 2应用实例 以水深为 1 8 0 m的 自升式钻井平台为例 ， 平台 正常工作时的可变载荷为 4 0 0 0 t ， 自存工况下 的可 变载荷 为 2 7 OOt ， 通 过 调 研 得 到 南 海 的波 高 为 1 6 ． 8 m， 气隙高度 1 5 ． 2 m 。结合已经得到的函数关 系 ， 可以计算出该 自升式钻井平台的平 台 自重 、 桩 腿长度 、 弦杆 间距 、 船体体积 和桩靴 面积 ， 详见表 示 。 2 。 表 2 平台主要参数 首先参照 C J 8 0 一x1 7 5 一A 工作 水深 1 7 5 m 的比例， 船体尺寸初定型长 1 1 0 m、 型宽 1 0 0 m、 型深 1 3 m。其次， 由于桩腿材料相同， 即屈服极限一定， 那么桩腿主弦杆外径 D和厚度 h与船体的 自重 呈一定的数学关系， 即D T及 h O C T ， 初定桩腿 主弦杆外径与厚度值为 7 3 5 mm1 3 7 m m。 3 基于有限元的桩腿结构强度校核及优化 桩腿作为 自升式钻井平台的重要组成部分 ， 其 安全性直接关系到整个平台的安全性 ， 因而有必要 对桩腿结构进行强度校核及结构优化， 在保证桩腿 结构安全的前提下， 不断优化桩腿结构型式， 使其 受力更加合理并且经济性更佳。 3 ． 1 桩腿结构参数设计 根据上述方法初取桩腿结构参数 ， 见表 3 。 选取桩腿材料为 M W4 5 0 V 屈服极限应力为 5 2 0 M P a ， 安全系数取 1 ． 6 7 。采用 H e p e r m e s h 软件 对所设计的桩腿进行仿真分析 ， 得到最优的桩腿结 3 2 构形式 。 表 3 桩腿结构参数 m 注 桩腿总重 2 3 6 6 5 t ， 桩腿 的结构形式为逆 K型 。 3 ． 2 计算条件 ● 平台工作水深为 1 8 0 m， 考虑 5 0年一遇的极 限 设计海况 ， 即风暴 自存工况 ， 风速为 5 1 ． 5 m ／ s ， 波高 为 1 5 ． 2 m， 周期为 9 s ， 海 流速度为 1 ． 8 m ／ s ， 海水密 度为 1 0 2 9 k g ／ m ， 可变载荷 2 7 OOt 。 用 He p e r me s h软件对所设计 的桩腿进行仿 真 分析 考虑单桩腿结构， 风载荷是静力作用， 而且相 对较 小 ， 可 以忽 略不计 ， 因而 载荷 组合 为波浪 载 荷 海流载荷 重力载荷 。由于波流同向时产生 的应力和位移最大， 因而考虑波流同向。由已有知 识可知 ， 波流入射角为 8 0 。 时 ， 应力和位移最大。 2 0 1 3年第 4 2卷 机械设计与制造工程 计的深入 ， 会不断地对这些参数进行修正。 参考文献 [ 1 ] 陈宏．自升式钻井平台的最新进展[ J ] ．中国海洋平 台， 2 0 0 8 ， 2 3 5 l一 7 ． [ 2 ] 陆晟． 3 5 0 fi自升式平台站立工况总体分析[ J ] ．船舶设计通 讯 ， 2 0 1 0 ， 2 s 2 7 17 5 ． [ 3 ] 王运龙， 林焰， 纪卓尚．自升式钻井平台方案设计系统分析 和结构模型 [ J ] ．中国造船 ， 2 0 0 9 ， 5 0 4 1 4 91 5 5 ． [ 4 ] T a n gW X， T a n gZx， X i aT ，e t a 1 ．O p t i mu m s t r u c t u r a l d e s i g n o f t h e h u l l o n j a c ku p p l a tf o r m[ J ] ．A d v a n c e d M a t e r i a l s R e 一 [ 5 ] [ 6] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] s e a r c h，2 01 3， 6 319 3 6 9 41 ． 陈宏 ，李春祥．自升式钻井 平 台的发展综述 [ J ] ．中国海 洋 平 台。 2 0 0 7， 2 2 6 1 6 ． 张辰燕 ．翻译 自然 的设 计 [ J ] ．百科知 识 ， 2 0 0 9 3 l 4一 l 6 ． 郭洪 升．“ 中海油 5 ”自升式 钻井平 台总体研究设 计 [ J ] ．船 舶 ， 2 0 0 9， 2 0 3 l 一5 ． 任宪刚 ，李春第 ，杨红敏 ．海洋 自升式 钻井 平 台桩靴 研究 [ J ] ．石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 2 1 82 2 ． 中国船级社．海上移 动平 台人级 与建造 规范 [ s ] ．北京 人 民交通出版社 ， 2 0 0 5 ． S t u d y o n t h e S t r u c t u r a l P a r a me t e r s De s i g n Me t h o d o f De e p wa t e r J a c k - u p Dr i l l i n g Pl a t f o r m X I E J i a n x i n，Z HUANG Ho n g，T A O We i f e n g， Z HO U C h u n h u a， WANG Gu a n g ma o，T A NG We n x i a n，Z HANG J i a n J i a n g s u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， J i a n g s u Z h e n j i a n g ， 2 1 2 0 0 3， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d O 1 1 t h e s t r u c t u r a l p a r a me t e r s a n a l y s i s o f d e e p w a t e r j a c ku p d r i l l i n g p l a tf o r m i n c l u d i n g p l a t f o rm we i g h t ，l e n g t h o f s p u d l e g， c h o r d p i t c h， h o ri z o n t a l a n d v e r t i c al s p a c i n g o f l e g s ， p i l e s h o e s i z e a n d S O o n，i t i l l u s t r a t e s t h e ma i n p ara me t e rs a n d t h e ma i n p e r f o rm a n c e a c c o r d i n g t o r e l e v a n t d e s i g n s p e c i fi c a t i o n s ，e x t r a c t s r e l e v a n t d i me n s i o n s ，e s t a b l i s h e s t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l ，a n d b u i l d s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e p a r a me t e r s o f t h e p l a t f o rm ．Ba s e d o n a b o v e r e s u l t ，i t c a n e s t i ma t e t h e p a r a me t e r s o f t h e c o r r e s p o n d i n g d e p t h p l a tf o r m． Ke y wo r d s J a c k - u p D ril l i n g P l a t f o r m；P a r a me t e r D e s i g n；F i t t i n g F u n c t i o n 3 4