粟 京王鈺涵劉 健袁洪濤

（1. 中國海洋石油總公司 深水鉆井船工程項目組 北京100028；2. 上海外高橋造船有限公司 上海200137；3. 中海油研究總院 北京100028）

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半潛式鉆井平臺大型模塊塢墩布置方案研究

粟 京1王鈺涵2劉 健3袁洪濤2

（1. 中國海洋石油總公司 深水鉆井船工程項目組 北京100028；2. 上海外高橋造船有限公司 上海200137；3. 中海油研究總院 北京100028）

［摘 要］半潛式鉆井平臺大型模塊入塢后的塢墩布置對總組技術(shù)尤為重要。根據(jù)大型模塊總組技術(shù)的特點(diǎn)，制定了大型模塊進(jìn)塢后的塢墩布置方案，并運(yùn)用有限元的方法對模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，而后對大型模塊總組狀態(tài)制定兩種塢墩方案，對比分析兩種方案的特點(diǎn)，最終確定大型模塊總組時采用的塢墩布置方案。

［關(guān)鍵詞］半潛式鉆井平臺；大型模塊；塢墩布置方案；有限元分析

王鈺涵（1986-），女，碩士，助理工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。

劉 健（1973-），男，博士，高級工程師，研究方向：海洋鉆井裝備。

袁洪濤（1979-），男，碩士，高級工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)。

引 言

根據(jù)半潛式鉆井平臺大型模塊化建造方案，將半潛式鉆井平臺分為上船體模塊及“下船體+立柱”模塊，大型模塊進(jìn)塢后將首先放置在塢內(nèi)坐墩，以便安裝提升裝置進(jìn)行總組；因此，大型模塊的塢墩布置方案能夠合理制定以保證強(qiáng)度的要求就顯得尤為重要［1-4］。本文對大型模塊塢內(nèi)總組過程中的塢墩布置方案進(jìn)行研究，首先，對大型模塊進(jìn)塢后狀態(tài)制定了塢墩布置方案，運(yùn)用有限元的方法對模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析；然后，針對大型模塊總組狀態(tài)制定兩種塢墩方案，對比分析兩種方案的特點(diǎn)，確定大型模塊總組時采用的塢墩布置方案。

1　大型模塊塢墩布置方案

根據(jù)新型模塊化總組建造方案，在臨港海工基地建造的3個大型模塊，然后運(yùn)往上海外高橋造船有限公司進(jìn)行總組，3個大型模塊分別為上船體模塊和2個“下船體+立柱”模塊，大型模塊入塢后制定相應(yīng)的塢墩布置方案。上船體模塊分為雙層底、中間甲板、主甲板，共3層，長85.3 m、寬71 m、高8.2 m、總重約19 000 t?！跋麓w+立柱”模塊包括下船體與立柱，下船體總長106 m，寬16 m，高10.5 m，立柱高度20.5 m，左/右舷下船體+立柱的質(zhì)量為6 300 t左右。

1.1上船體模塊塢墩布置

1.1.1塢墩布置方案

塢墩的布置要按照一定的原則［4］，每只塢墩設(shè)定的位置應(yīng)在船底縱向和橫向強(qiáng)構(gòu)架的交叉處。根據(jù)大型模塊底部特點(diǎn)，塢墩縱向、橫向均采用直線布置，且塢墩布置應(yīng)根據(jù)建造計劃顧及一次性移位座墩的新工藝。為防止大型模塊和支墩出現(xiàn)局部破壞，需要結(jié)合上船體模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與實際施工情況，準(zhǔn)確估算上船體模塊的實際質(zhì)量及其分布；同時考慮作業(yè)要求，并根據(jù)力平衡與力矩平衡原理，分析支墩和模塊的受力，制定上船體模塊的布墩方案，如圖1所示。

圖1　上船體模塊塢墩布置圖

1.1.2強(qiáng)度分析

在上述布置方案的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元數(shù)值分析技術(shù)，建立大型模塊有限元模型，如圖2所示，并約束塢墩布置所在的節(jié)點(diǎn)為簡支約束，對上船體模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，確定該布墩方案下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求［5］。

圖2　上船體模塊有限元模型

通過計算可知，上船體模塊結(jié)構(gòu)的最大Von Mises應(yīng)力為88.9 MPa（如圖3所示），遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，故該塢墩布置方案安全可靠。

1.2“下船體+立柱”模塊塢墩布置

1.2.1塢墩布置方案

根據(jù)塢墩布置原則，考慮“下船體+立柱”模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與實際施工情況，制定其布墩方案（如圖4所示）。

圖4　“下船體+立柱”模塊塢墩布置

1.2.2強(qiáng)度分析

在上述布置方案基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元數(shù)值分析技術(shù)，建立“下船體+立柱”模塊有限元模型（圖5），并將塢墩處理為大型模塊的簡支約束，選擇一系列布墩所在的節(jié)點(diǎn)作為約束點(diǎn)簡支固定（即約束位移，不約束轉(zhuǎn)角）。載荷為大型模塊自重，不考慮塢墩變形，對“下船體+立柱”模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，驗證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求?！跋麓w+立柱”模塊塢墩約束示意圖見下頁圖6。

圖5　“下船體+立柱”模塊有限元模

圖6　“下船體+立柱”模塊塢墩約束示意圖

通過計算可知，“下船體+立柱”模塊結(jié)構(gòu)的最大Von Mises應(yīng)力為22.9 MPa，如圖7所示，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，故該塢墩布置方案安全可靠。

圖7　“下船體+立柱”模塊Von Mises應(yīng)力云

2　大型模塊總組狀態(tài)塢墩布置方案

上船體模塊和“下船體+立柱”模塊塢內(nèi)提升總組過程中，整個平臺的質(zhì)量逐步由“下船體+立柱”模塊塢墩承擔(dān)，故該狀態(tài)下塢墩的布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計均按承受整個半潛式鉆井平臺重力作用考慮。

2.1方案1

在全部塢墩都采用水泥塢墩的前提下，必須對立柱下方區(qū)域加大水泥塢墩布設(shè)的密度，即在每個立柱下方大約18.6 m×15.8 m范圍內(nèi)布設(shè)92個水泥塢墩，如圖8所示。為分散塢墩對塢底的壓力，此方案采用塢墩下均布鋼板的形式，鋼板可采用公司現(xiàn)有的規(guī)格為：25×4 000×8 000或25×4 000×12 000的麻點(diǎn)鋼板。

圖8　方案1的塢墩布置示意圖

經(jīng)過計算，立柱下方塢墩的受力情況基本上都在許用范圍之內(nèi)，左浮筒兩立柱下方各塢墩受力情況見表1和下頁表2（P.C.L代表左側(cè)浮筒結(jié)構(gòu)的中心線）。

表1　左后立柱區(qū)域塢墩支承力t

根據(jù)方案1計算出的左浮筒各肋位總受力情況以及各肋位塢墩單位面積受力情況參見圖9。由計算結(jié)果可知，通過重新布置塢墩的數(shù)量和位置，可以滿足水泥塢墩的強(qiáng)度要求，故此方案切實可行。

圖9　左浮筒各肋位所受總壓力情況

表2　左前立柱區(qū)域塢墩支承力

2.2方案2

考慮到方案1因立柱下方水泥塢墩密度過大，造成后續(xù)施工及塢墩移動困難，可在保持該方案塢墩布置數(shù)量和位置的前提下，在受力最大的立柱下方采用鋼塢墩的形式?？紤]到鋼塢墩的承載能力較水泥塢墩強(qiáng)，其立柱下方的鋼塢墩布置密度可適當(dāng)減少，布置方案類似于方案1，如圖10所示。

圖10　方案2的塢墩布置示意圖

鋼制塢墩采用與水泥塢墩相近似的結(jié)構(gòu)型式，為方便建造，塢墩高度定為1 200 mm，采用AH36鋼制作。頂板、底板分別為1 600×300、2 000×500的矩形；側(cè)板為相應(yīng)尺度的梯形板。塢墩內(nèi)部為防止受壓屈曲，設(shè)置直徑為200 mm的圓柱，壁厚16 mm。為將壓力均勻傳遞，在塢墩內(nèi)靠近頂板位置設(shè)置肘板以過渡。由于側(cè)板不起主要支承作用，在側(cè)板距離底部200 mm處開挖800×450人孔，以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量并便于施工人員出入。鋼制塢墩有限元模型如圖11所示。對鋼制塢墩進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，只考慮靜態(tài)載荷的作用，即塢墩所承受的最大壓力，獲得最大的Von Mises應(yīng)力為214 MPa，出現(xiàn)在支柱上，具體位置如圖12所示。計算求得的最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。應(yīng)力云圖見圖12 -圖14所示。

圖11　塢墩結(jié)構(gòu)示意圖

圖12　支柱Von Mises應(yīng)力云圖

圖13　底板Von Mises應(yīng)力云圖

圖14　側(cè)板Von Mises應(yīng)力云圖

2.3兩種方案對比分析

根據(jù)上述兩個塢墩布置方案的計算分析可知，方案1和方案2是可行的，這兩種方案進(jìn)行對比分析見表3。因考慮到成本等因素，半潛式鉆井平臺的提升總裝過程中，塢墩的布置和結(jié)構(gòu)型式采用方案1。

表3　兩種塢墩布置方案的對比

此外，方案2（鋼塢墩方案）是滿足使用要求的，并且具備非常大的可操作性。在各項性能上均優(yōu)于水泥塢墩密布的布置方案。雖然成本略高，但鑒于其布設(shè)的方便性以及今后海洋工程發(fā)展的需要，其成本尚屬可控范圍之內(nèi)；因此該方案可作為一種可行替代方案備用。

3　結(jié) 論

本文根據(jù)半潛式鉆井平臺大型模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定了大型模塊塢內(nèi)總組過程中的塢墩布置方案，取得以下成果：

（1）制定了上船體模塊及“下船體+立柱”模塊入塢后塢墩布置方案，并對大型模塊的強(qiáng)度進(jìn)行分析，證明在該塢墩布置方案下大型模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，該方案切實可行。

（2）在大型模塊總組狀態(tài)下制定了兩種塢墩布置方案：方案1為水泥塢墩，方案2為自制的鋼制塢墩，通過分析獲知兩種方案均可采用。通過對兩種方案進(jìn)行對比、分析，方案2的性能優(yōu)于方案1，但考慮到經(jīng)濟(jì)性等原因，本文則選用方案1的塢墩布置方案。

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Research of blocks arrangement plan of semi-submersible drilling unit large module

SU Jing1WANG Yu-han2LIU Jian3YUAN Hong-tao2
（1. Deepwater Drilling Ship Project Group of China National Offshore Oil Corporation， Beijing 100028， China；2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.， Ltd.， Shanghai 200137， China；3. Cnooc Research Institute， Beijing 100028， China）

Abstract：The arrangement of docking blocks has great significance to final assembly technology after the large modules of the semi-submersible drilling unit have been docked. According to the characteristics of the final assembly technology for large modules， the arrangement plan of docking blocks was made， and the structure strength of the modules was analyzed by the finite element method. Then two arrangement plans of docking blocks were made for large modules in the final assembly phase. Finally， the arrangement plan of docking blocks in the final assembly phase was decided by the comparison of the two plans.

Keywords：semi-submersible drilling unit； large module； arrangement plan of docking blocks； finite element analysis

［中圖分類號］U661.43

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）03-0059-08

［基金項目］國家科技重大專項項目27（2011ZX05027-001-04）。

［收稿日期］2015-10-09；［修回日期］2015-11-17

［作者簡介］粟 京（1956-），男，高級工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)、海管。