自升式钻井平台设计规范与技术研究

周 佳任 铁龚 诗

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.上海外高桥船舶及海洋工程设计研究院 上海200137）

自升式钻井平台设计规范与技术研究

周 佳1任 铁1龚 诗2

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.上海外高桥船舶及海洋工程设计研究院 上海200137）

自升式钻井平台广泛应用于近海油气资源开发。随着设计开发和研究的不断深入，其应用已逐步向中等水深过渡。与此同时，船级社的规范要求也伴随着审查和检验经验的丰富，不断贴合实际并增补内容。此外，设计技术和计算能力的发展，也为自升式钻井平台的开发提供了有力保证。以往通过经验性或估算的设计值，现在可以通过数值分析取得更准确合理的评估结果。文中跟踪主流船级社自升式平台规范的发展和更新，结合JU2000E和CJ50型平台设计开发经验，对自升式钻井平台的设计开发技术进行对比讨论。相关结论可供海洋工程设计者参考。

自升式钻井平台；设计；规范

引 言

自升式钻井平台最先出现在美国。其作业区已由浅滩发展至浅水，目前正不断向深水甚至极地等环境条件恶劣的区域拓展。当今，主流新开发的自升式平台作业水深已超百米，甚至某些高等级平台称其作业水深已达到约200 m［1］。

自升式钻井平台通常为方形（四桩腿）或三角形（三桩腿）主船体，通过升降及锁紧机构与桩腿相连。桩腿通常分为壳体式和桁架式两类，壳体式桩腿（圆柱或方柱）一般只用于60～70 m以下的水深，而深水自升式平台一般都使用桁架式桩腿。平台就位后，桩腿从围井区下放，桩靴（或沉垫）插入海底，主船体抬升离开水面并预留一定气隙。平台工作时，悬臂梁结构外伸配合钻台就位，实施钻探作业。悬臂梁主体一般为框架结构，井架和钻台均安装于悬臂梁，悬臂梁通过轨道及滑动装置与主甲板连接。

在各类离岸钻采装备中，由于自升式平台的大型结构部件之间经常发生相对移动，需各部分协同配合，因此设计难度很大，建造精度要求也最高。随着作业水深和钻井深度不断加大，自升式平台主船体及钻台的所需设备也越来越多，进一步加大了设计和建造的难度，同时也提出了更高的安全与可靠性要求。

目前，国际知名的自升式钻井平台设计公司及其主要设计船型有：美国F&G公司的L780/JU2000E等；荷兰MSC公司的CJ46/CJ50等；新加坡Keppel FELS公司的A-Class/B-Class等。我国各大船厂在近几年也承接了大量自升式钻井平台的建造订单，积累了一定经验，正逐步由纯建造向设计领域开拓，并陆续开发出具有自主知识产权的自升式钻井平台船型，提升了我国在自升式平台领域的国际竞争力。

1 船级社规范研究

从目前主流的自升式平台来看，主要的入级审查都集中于ABS和DNV-GL。近年来，随着大量中国船厂进入建造市场，CCS也在审查领域积累了较多经验和案例，逐步开发并完善了相应入级审查规范规则。现就近年新增的一些设计及审查要求进行介绍和讨论。

随着自升式平台的作业水深不断加大，其桁架式桩腿设计由于整体刚性偏弱，在受到环境载荷作用下时，平台会产生不可低估的动态响应和附加载荷作用。因此，各大船级社规范均对平台设计提出增加动态响应和P-Δ效应计算的要求，并给出几种推荐做法。从目前已开展的项目分析情况来看，以400 ft（121.92 m）桩腿的JU2000E/CJ50自升式平台为例，按照规范推荐的保守方法计算，平台动态响应和P-Δ效应所带来的附加载荷可达平台桩腿设计总载荷的30%左右。从载荷作用模式分析，桩腿越长则刚度越弱，桩腿结构固有频率如果接近波浪载荷周期，则易受激振力影响。此外，平台水平偏移量增加以及平台主船体自重增加，均会增加P-Δ效应。由此可见，该项内容的增加，对平台桩腿设计提出了相当高的要求，能确保自升式平台在恶劣海况下工作和生存的安全。

DNV-GL在自升式平台规范和指南［2-4］（OSC104 2012、OSS-C104 2012、RP-C104 2012）中，根据平台设计的发展，补充了甚高强度钢的使用说明；同时结合其审核及研究经验，给出P-Δ效应、桩腿特性等一系列简化估算方法介绍，便于设计者在设计初期应用。

针对自升式平台就位后需移动平台上较多大型结构以满足作业要求的情况，ABS特别增加章节（ABS MODU 2012 3-1-2）［5］，提出关键区域图纸（Critical Structural Area）的审查和检验要求。在图纸和计算审查方面以及现场建造和检验环节，均对重点区域（诸如升降机构室及其加强、悬臂梁轨道及其加强、桩腿及桩靴连接区域、桩腿上的管节点、桩腿齿条板对接位置等）加以关注和跟踪，确保平台安全可靠。

CCS根据自升式平台的使用情况，在最新的入级规范中，无论是远洋干拖或者湿拖，都增加了平台远洋迁移后进行拖航后检查的技术要求，并根据最新公约要求，将直升机甲板和救生艇平台主要支撑结构提升为主要构件进行设计和审查［6］。

美国舰船工程师协会组织开发的“SNAME指南”，针对自升式平台提出一套完整的评价体系和指导方法，其中包括建模、结构动力响应、桩腿强度分析、桩基刚度、抗倾稳性和波浪载荷等。

2 计算分析技术研究

2.1 建模与模型简化技术

自升式平台主体结构通常主要包括主船体、升桩机构室、桩腿和桩靴共四个部分，每个部分在不同的分析阶段可以采用不同的建模方法，模型简化的基本原则是保证质量、质心和刚度一致。

整体分析阶段主要分析校核桩腿杆件和节点的强度，同时也校核主船体结构强度。建模及简化方法如下：

（1）桩腿结构需要根据实际尺寸和位置等参数采用梁单元详细建模，节点需要根据图纸来详细定义。自升式平台桩腿通常为三角桁架结构。弦杆由于承担弯矩与剪力，因此为主要受力构件，而腹杆通常仅承受拉力和压力。弦杆截面为两个半圆加齿条的不规则截面，整体建模时，通常可简化为等截面惯性矩的方形或椭圆截面。截面最大宽度保守考虑可取齿条最小宽度，但在计算波浪载荷时，应适当增加约10%的截面宽度。

（2）主船体采用板加筋形式建模。由于DNVGL/SESAM-WAJAC模块等对单元和网格数有限制，若主要校核桩腿结构，可将主船体简化为等刚度梁来模拟。同样，校核主船体时，可简化桩腿模型单元数量或者直接将桩腿最大反力作为载荷。

（3）升桩机构室同样可简化为等刚度梁。根据升降机构室的设计要求，相应约束水平或垂向位移，以达到模拟升降机构室连接的目的。对于连接处的具体定义，不同软件有不同的方法，基本原则是在模拟实际约束状态的同时，不影响管节点的校核及整体动力计算。

（4）桩靴可简化为弹簧刚度的约束，弹簧刚度的取值依据SNAME规范和实际土壤参数进行计算。

局部分析阶段主要校核升桩机构室和桩靴的局部强度，需要建立详细的结构分析模型，载荷主要来自于整体分析中所读取的最大节点反力与设备极限载荷。

2.2 动态响应分析技术

自升式钻井平台在位状态时，波浪惯性载荷的周期与自升平台的固有周期可能发生共振，共振会大幅增加波浪惯性载荷。所以，自升平台需要进行动态响应分析，简而言之就是计算平台的固有频率，用于为平台在位分析提供波浪惯性载荷动力放大系数（DAF）的计算依据。

采用随机波浪理论直接计算平台的动态波浪惯性载荷效率较低。当Ω（平台固有周期/波浪周期）为0.8～1.2时，工程分析中一般采用一种保守的简化方法：即先假设平台固定，计算得到波浪载荷，再乘以动力放大系数DAF，其结果便可认为是平台的动态波浪惯性载荷。DAF可根据规范推荐的公式来计算，见式（1）：

式中：Ω是平台固有周期与波浪周期的比值；ζ为阻尼系数。

自升式平台的固有周期计算需要考虑以下两个关键点：一是平台的P-Δ效应（重力的二阶效应）；二是平台底部约束刚度的定义。

通常在平台的静态分析时需要考虑P-Δ效应，而将其引入到平台的动态响应分析中，则可更准确地计算平台的固有周期。在进行动态分析前先进行一次浮力分析，并综合考虑海洋生物等因素，计算得出平台在海水中的静力，再将结果作为动态分析中的力载荷来分析平台的固有频率。

平台底部约束刚度对平台固有频率的影响很大，其刚度模拟的是桩靴与海底土壤的相互作用，可根据SNAME［7］规范推荐的公式计算。承载面的抗剪切模量 G和桩靴入泥有效直径B以及影响深度因子的入泥深度与桩靴有效直径的比值是影响桩基刚度的直接因素［8］。在实际工程应用中，保守做法的简支约束，其实际刚度应处于简支和规范计算刚度值之间。在缺乏海底土壤实测数据的情况下，具体刚度取值一般取决于经验。

以某自升式平台为例，其固有频率与底部约束刚度关系曲线如图3所示。可见，平台固有周期随刚度增加而降低。刚度较低时，改变刚度对平台固有周期影响更大。

2.3 风力计算与修正

风载荷是自升式平台的主要控制载荷，其计算评估方法主要有规范计算、数值模拟和风洞试验。

现行规范在计算风载荷时主要采用面积投影法，不考虑空气动力学干扰的影响，结果偏于保守［9］，通常比风洞试验结果大10%～30%。相对而言，风洞试验能更好地反映空气动力学干扰（即不同结构构件之间的风场干扰引起的风载荷变化以及结构的遮蔽效应等），其结果更为可靠，尤其对于直升机平台等侧向投影面积较小但实际对总体风载荷影响较大的结构，只有经过风洞试验才能更真实反映其对风载荷的影响。数值模拟需要丰富的经验才能保证一定的精度，其精度受湍流模型的选取影响较大，通常需要与试验或实测结果对比调整后才能保证结果的可靠性。

在自升式平台的初期设计阶段，一般可先采用船级社规范估算风载荷；进入详细设计阶段后，需进行详细的风洞试验和数值模拟（数值模拟可作为对风洞试验结果的补充）；最后，再以风洞试验和数值模拟结果对风载荷进行修正，优化设计自升平台结构设计。

3 结 论

本文基于实际工程经验研究，总结了自升式钻井平台的结构形式以及主要设计单位、相关船级社规范和计算分析技术关键点等。随着自升式平台应用逐渐向中等水深发展以及基于更先进的计算分析技术和设计理念，船级社相关规范也在逐步更新，因此设计单位需要不断提升设计与计算分析能力，采用更高效的建模方法，深入研究自升式平台的动态分析技术和风载荷评估技术，并进一步结合模型试验、流体计算、甚至现场实测数据等，进行平台设计优化。

［1］陈宏、李春祥．自升式钻井平台的发展综述［J］．中国海洋平台，2007（6）： 1-6．

［2］DNV. Offshore Standard DNV-OS-C104， Structural Design of Self-Elevating Units （Lrfd Method） ［S］．2012．

［3］DNV. Offshore Service Specification DNV-OSS-104， Rules for Classification of Self-Elevating Units ［S］．2012．

［4］DNV. Recommeded Practice DNV-RP-C104， Self-Elevating Units［S］．2012．

［5］ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units ［S］．2014．

［6］中国船级社．海上移动平台入级与建造规范［M］．北京：人民交通出版社， 2016．

［7］SNAME. Technical & Research Bulletin 5-5A Guidelines for the Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units［R］. New Jersy：SNAME，2002．

［8］孙雪荣，闻静．自升式平台的桩基刚度对自由振动影响的研究［J］．船舶，2013（5）：36-38．

［9］林一，胡安康，孙建．自升式平台风载荷的空气动力学干扰研究［J］.船舶与海洋工程，2013（2）：5-10.

信息动态

3 000吨级新锐出口护卫舰交付入选“2016年度国防科工十大新闻”

2016年12月28日，国防科工局发布“2016年度国防科技工业十大新闻和十大创新人物（团队）”。评选结果突出反映了国防科技工业2016年工作的重大成果、重大突破和重大进展，展示了国防科技工业全行业广大干部职工忠实履职、奉献国防，改革创新、攻坚克难的时代风采。由中国船舶工业集团公司自主设计、建造的“新锐出口战舰3 000吨级护卫舰圆满交付，创我国出口水面舰船装备先进性、综合作战性能新纪录”入选“2016年度国防科技工业十大新闻”。

新锐出口战舰3 000吨级护卫舰由中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）设计，中船集团所属沪东中华造船（集团）有限公司建造，中国船舶工业系统工程研究院提供舰上作战指挥系统。该型护卫舰是我国最新对外出口的最大吨位新型水面作战舰船，创造了我国出口水面舰船装备最先进、火力最猛、综合作战性能最强的新纪录，体现出20多年来我国舰载武器电子系统已达到国际先进水平。该型舰船代表着当今我国军贸舰船产品的最高技术水平，其成功建造，显示出中国已在该型舰船领域具备了雄厚的实力，对进一步开拓国际市场、扩大我国军贸舰船产品影响力、全面提升我国军贸舰船国际竞争力具有重要意义。

国防科技工业十大新闻评选活动自2003年起至今已连续举办14届。2016年度十大新闻由12家军工集团、中国工程物理研究院及有关院校等单位推荐，经层层遴选、专家评审和最终审议评出。

Design rules and technology study of jack-up drilling platform

ZHOU Jia1REN Tie1GONG Shi2
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. Shanghai Waigaoqiao Marine Design & Research Institute, Shanghai 200137, China)

Jack-up drilling platforms are widely used in the exploitation of o ff shore oil and gas recourses, and undergo gradual transition to middle water depth application with deeper design, development and investigation. Classi fi cation Societies are updating their speci fi cation requirements and supplementary contents to be more practicable with increasing experience in review and inspection. With the development of design technology and calculation capability, more reasonable evaluation results can be obtained by numerical analysis instead of empirical or estimated design values, which can provide assurance for the development of the jack-up drilling platform. This paper traces the development and renewal of the rules for the jack-up drilling platform, and compares and analyzes the design technologies based on the design experience of JU2000E and CJ50 jack-up drilling platform. The relevant conclusions can provide references for the o ff shore engineering designers.

jack-up drilling platform; design; rules

U674.38+1

A

1001-9855（2017）01-0016-05

2016-09-18；

2016-10-21

周 佳（1981-），男，博士，高级工程师。研究方向：海洋工程结构设计分析与优化。任 铁（1985-），男，硕士，工程师。研究方向：海洋工程结构设计分析。龚 诗（1984-），男，工程师。研究方向：海洋工程结构设计。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.016