自升式钻井平台围井区结构设计

2016-09-09关国伟甘作为中国石油渤海装备研究院海工装备分院盘锦124010

船舶 2016年4期

关国伟甘作为（中国石油渤海装备研究院海工装备分院盘锦124010）

自升式钻井平台围井区结构设计

关国伟甘作为
（中国石油渤海装备研究院海工装备分院盘锦124010）

围井区结构是自升式钻井平台最重要的关键部分，在满足规范前提下进行围井区结构的优化设计。以某平台围井区结构设计为例，以提高结构强度为主要目标，同时兼顾建造的工艺及节点的优化设计，从材料选择、结构设计等方面进行论述。最终经有限元计算，分析结果表明：各工况下围井区结构强度均满足规范要求。

自升式钻井平台；围井区结构；有限元计算；强度分析

引　言

随着陆地石油资源的日益减少，世界各国对海洋石油开发利用越来越重视，这就对海洋石油装备的需求越来越大。而在海洋石油钻井平台装备中，自升式钻井平台具有用钢量少、造价低、水上完井、各种工况下几乎都能持续工作且工作效率高等优点，是公认的工作稳定性良好且具有广阔发展潜力的海洋油气开发设备。通过对自升式钻井平台的研究，使我国在海洋石油开发利用领域占据一席之地，对我国海上石油开采有着至关重要的作用，也是提升我国海洋石油钻井设备的重要途径。

整个平台结构方面最为关键部位就是围井区结构，它是平台主体与升降系统及桩腿连接的主要受力区域，是整个平台结构设计的最重要部分。本文通过对某平台围井区的结构设计进行分析，来探讨自升式钻井平台围井区的结构设计。

1　平台概况

某121.92 m（400 ft）钻井平台为钢质全焊接结构，主要由主船体、围井区、桩腿与桩靴、升降与锁紧上下基础、悬臂梁、钻台横向移动轨道、生活楼、直升飞机平台等结构组成。

船体为近似三角形箱型平底结构，带有3个三角形桁架桩腿，桩腿下端为桩靴。站立状态时，船体负荷经围井区结构通过齿条锁紧机构传递到3个下端带桩靴的三角形桁架式桩腿上。该平台主尺度（型长×型宽×型深）为70.27 m×72.0 m×9.5 m，首尾设有3个三角形桁架式桩腿，桩腿下端有桩靴。图1为该自升式平台侧视图。

图1　某自升式平台侧视图

2　围井区结构设计原则

围井区结构是平台主体与桩腿连接的主要受力区域，通过升降和锁紧装置支撑结构与船体纵横向舱壁连接，使载荷合理地传到主体各区域。围井区结构是根据升降、锁紧系统对船体的要求，以保持力的良好传递为原则进行设计。

此平台采用电动齿轮齿条升降系统及锁紧装置，围井区结构应与齿轮箱的结构形式匹配，同时结构强度满足规范要求。根据平台总布置的要求，最终采用在平台主体尾部设置两个围井区，在首部设置一个围井区的方案（如图2所示）。这样呈三角形布置围井区，具有稳固、坚定、耐压的特点，使平台工作过程中更加稳定可靠。

图2　围井区布置图

2.1 舱壁及桁材设计原则

图3　围井区舱壁扶强材布置图

由于围井区结构的重要性，组成围井区的舱壁等强结构更是设计的关键。在主船体结构中，扶强材间距按肋距布置，而围井区舱壁为保证结构强度，舱壁扶强材距离基本上小于肋距，然后取扶强材的剖面模数不小于通过规范［1］中下列公式计算的剖面模数W（如图3所示），扶强材间距均小于肋距600 mm，而且选取扶强材大小时，比计算得出的剖面模数大一些，以保证足够的强度。

式中：s为扶强材间距，m；K为材料系数；h为计算压头，m；由扶强材跨距中点量至甲板边线的垂直距离，且不小于（0.01L+0.7）。其中：L为平台长度，m；l为扶强材的跨距，m。

按照规范要求，底板桁材剖面模数W不小于按式（2）计算所得值：

式中：b为桁材支撑面积宽度，m；K为材料系数；D为型深，m；l为桁材的跨距，m。

舷侧板桁材剖面模数W不小于按式（3）计算所得值：

式中：b为桁材支撑面积宽度，m；K为材料系数；h为计算压头，m；l为桁材的跨距，m。

另外，桁材的腹板高度不小于其支持的舱壁扶强材腹板高度的2.5倍，腹板厚度应不小于舱壁板在桁材平面处的厚度，面板宽度应不大于腹板高度（或面板厚度）的35倍。超过3 m的间距以及在截面形状变化处桁材应设置防倾肘板，面板的无支持宽度超过200 mm时，必须设置防倾肘板。围井区桁材截面形状发生变化之处应设置防倾肘板（如图4所示）。

图4　桁材截面形状变化处设置的防倾肘板

2.2 载荷的有效传递及结构的连续性

当载荷作用在某个结构上时，构件将尽可能多的载荷有效传递给与其相连的其他结构上，而此结构再将载荷传给相连的构件上，从而使尽可能多的构件来共同参与抵抗由于载荷作用所带来的应力、应变，最终降低作用在每个构件上的载荷［2］。

主要构件应避免剖面模数或者尺寸的突变，当构件在壁板或者其他主要构件的两侧对接时，应保证其前后位置在同一直线上，尽量做到不产生偏斜。围井区的主要构件应构成一个连续的支撑，尽可能形成一个完整的封闭框架，使载荷能够有效连续传递。加强筋端部应与另一个加强筋或肘板连接，否则加强筋端部应削斜处理，避免应力集中。

2.3 结构中断时应有适当的过渡区

构件中断时应尽可能采取逐渐均匀过渡方式。由于围井区结构从上部到下部开孔逐渐变大，由三角形变为最底部的圆形，这就需要有中间过渡区域，过渡处应采取受力补偿的方法，将受力均匀传递出去，比如增加板厚或者增加骨材规格等措施。

2.4 施工工艺的考虑

设计时尽可能避免在狭小空间内布置各种密集构件，不可避免时应考虑改变结构形式或者焊接形式。例如，局部加强构件密集布置，内部不适合焊接或焊接不到位，可以将双面焊改为开单面坡口进行单面焊。

围井区本身结构复杂，应根据实际情况，充分考虑现场工艺水平，将船厂的各项工艺方针、计划贯彻在结构设计中。

3　材料选择

本平台结构设计环境温度为：空调温度0℃～ 50℃，钢结构设计大气温度为-10℃，此温度为钢材等级选择的基准温度，它等于日平均气温年最低值在平台设计期限内的平均值，该值是根据平台预期作业海域的气象资料确定的。

围井区结构基本属于平台的主要构件或特殊构件，其结构用钢的化学成分、力学性能、制造和试验应符合规范对船体结构用钢及焊接结构用高强度淬火回火钢的要求［3］。围井区钢材所有小于等于19 mm钢板材质为AH36或等同材质，所有大于19 mm钢板材质为DH36或等同材质。

4　结构设计

由于围井区下部要满足将桩靴缩进去时有足够空间，所以下部只能采用圆形开孔结构，并且该圆孔直径要比桩靴的最大直径大300 mm。以尾部左舷围井区为例，底部围井区结构开孔图见图5（虚线表示桩靴的外缘边界线）。

图5　围井区底部圆形开孔结构

甲板面以上应与升降基础、齿轮箱的结构相匹配，而且要保证平台升降作业时能够有足够的强度支撑此平台，由于三角形具有稳固、坚定、耐压等特点，故采用三角形开孔结构最为合适，将主甲板面围井区设计为三角形，其每个顶点为升降基础位置，通过齿轮箱与桩腿上的齿条相连接（如图6所示），从而实现平台的自由升降。

围井区上部的三角形与下部的圆形过渡。采用在中间甲板处增加一段正六边形开孔，与上部三角形的连接如图7所示，与下部圆形的连接如图8所示。

图6　主甲板面三角形的围井区结构

图7　围井区中间与上部三角形过渡面

图8　围井区中间与下部圆形的过渡面

为详细了解围井区内部结构，将围井区结构剖开，可以清晰看到围井区上下三个面的过渡情况（见图9）。当平台拖航或者移动井位时，需要收进桩靴，此时围井区的侧面图见图10。

图9　部分围井区剖面立体图

图10　桩靴收进时围井区侧面图

5　节点设计

由于围井区结构复杂，结构的间断处很多，此处应力必须得到有效传递和释放，而这些都要靠节点才能完成，因此要求节点设计必须合理到位。节点的合理改进不仅有利于改善结构的力学性能，同时在建造过程中也便于施工。

5.1 肘板的设计

围井区所有部位的肘板均采用刚性连接，即对接方式的肘板，而不采用搭接形式。几种类型的肘板如图11所示。采用此种方式的连接形式其极限强度高于搭接肘板10%左右，而且侧向变形较小［4］，只有这样才能满足升降系统对围井区强度的要求。如果采用搭接肘板会造成肘板与加强筋的偏心较大，易发生屈曲变形。

图11　围井区几种肘板的连接形式

5.2 补板的设计

围井区结构基本都是高应力区，对开孔都有严格的限制，加强筋的穿越孔也需要采用补板进行一定的强度补偿。本平台采用内嵌式的补板（如图12所示）。将一块板厚与母材相同的补板嵌入穿越孔中，与板材采用对接焊接。这种补强形式不仅焊接强度比搭接补板有所提高，而且还节省材料、减轻船体质量。该方式既弥补了因开穿越孔造成的应力集中，又有利于增加结构的强度，从而优化焊接节点并提高围井区整体的结构强度。

图12　围井区补板类型示意图

5.3 围井区结构与升降基础的连接

围井区结构与升降基础连接部分是必须考虑的重点之一，整个平台的力都是通过围井区结构与升降基础的连接最终传递到桩腿上的。升降基础的板厚最低为50 mm，在围井区的不同位置，舱壁与其对接的板厚要求必须经过计算校核，使其强度达到要求，图13为32 mm的围井区结构板厚与50 mm的升降基础板对接。

此处对接板缝必须采用全焊透的焊接工艺，具体需要根据其不同位置采用不同的全焊透形式。本平台上所采用的几种焊接形式（如图14所示），都达到了全焊透的效果，且焊接部位的精度和质量必须达到要求，可采用磁粉探伤及射线探伤检验其焊接质量。

图14　围井区结构与升降基础的焊接形式

5.4 开孔的补偿

根据规范要求，在围井区及附近0.1主桁长度范围内的壳板上原则上不开孔，若必须开孔，则需适当补强，并经船检认可。管系及电缆的布置需要对舱壁开孔时，应尽量避开强结构受力部件，采用小开孔形式，并通过较厚的套管穿过舱壁，以使套管对开孔起到补偿作用。对于在舱壁上开的人孔，由于开孔较大，必须采用其他补偿措施。例如，可采用提高板厚或增设加强筋的方法，使开孔应力损失尽量降至最低；在围井区舱壁上开孔的需采用增设加强筋的补偿方法（如图15所示）。

Leg well structure design of jack-up drilling platform

GUAN Guo-wei GAN Zuo-wei
(Ocean Engineering Equipment Research Institute, CNPC Bohai Equiment Research Institute, Panjin 124010, China)

Leg well structure is the most important part of a jack-up drilling platform, and its design should be optimized according to the relevant regulations. The leg well structure of a jack-up drilling platform is designed aiming at the enhanced structural strength with the consideration of the construction technique and the node optimization design from the aspects of material selection, structural design, etc. Finally, the finite element calculation results show that the structural strength of the leg well structure can meet the regulation requirements under each operation condition.

jack-up drilling platform; leg well structure; finite element calculation; strength analysis