周 佳任 鐵龔 詩

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.上海外高橋船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200137）

自升式鉆井平臺設(shè)計規(guī)范與技術(shù)研究

周 佳1任 鐵1龔 詩2

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.上海外高橋船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200137）

自升式鉆井平臺廣泛應(yīng)用于近海油氣資源開發(fā)。隨著設(shè)計開發(fā)和研究的不斷深入，其應(yīng)用已逐步向中等水深過渡。與此同時，船級社的規(guī)范要求也伴隨著審查和檢驗經(jīng)驗的豐富，不斷貼合實際并增補(bǔ)內(nèi)容。此外，設(shè)計技術(shù)和計算能力的發(fā)展，也為自升式鉆井平臺的開發(fā)提供了有力保證。以往通過經(jīng)驗性或估算的設(shè)計值，現(xiàn)在可以通過數(shù)值分析取得更準(zhǔn)確合理的評估結(jié)果。文中跟蹤主流船級社自升式平臺規(guī)范的發(fā)展和更新，結(jié)合JU2000E和CJ50型平臺設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗，對自升式鉆井平臺的設(shè)計開發(fā)技術(shù)進(jìn)行對比討論。相關(guān)結(jié)論可供海洋工程設(shè)計者參考。

自升式鉆井平臺；設(shè)計；規(guī)范

引 言

自升式鉆井平臺最先出現(xiàn)在美國。其作業(yè)區(qū)已由淺灘發(fā)展至淺水，目前正不斷向深水甚至極地等環(huán)境條件惡劣的區(qū)域拓展。當(dāng)今，主流新開發(fā)的自升式平臺作業(yè)水深已超百米，甚至某些高等級平臺稱其作業(yè)水深已達(dá)到約200 m［1］。

自升式鉆井平臺通常為方形（四樁腿）或三角形（三樁腿）主船體，通過升降及鎖緊機(jī)構(gòu)與樁腿相連。樁腿通常分為殼體式和桁架式兩類，殼體式樁腿（圓柱或方柱）一般只用于60～70 m以下的水深，而深水自升式平臺一般都使用桁架式樁腿。平臺就位后，樁腿從圍井區(qū)下放，樁靴（或沉墊）插入海底，主船體抬升離開水面并預(yù)留一定氣隙。平臺工作時，懸臂梁結(jié)構(gòu)外伸配合鉆臺就位，實施鉆探作業(yè)。懸臂梁主體一般為框架結(jié)構(gòu)，井架和鉆臺均安裝于懸臂梁，懸臂梁通過軌道及滑動裝置與主甲板連接。

在各類離岸鉆采裝備中，由于自升式平臺的大型結(jié)構(gòu)部件之間經(jīng)常發(fā)生相對移動，需各部分協(xié)同配合，因此設(shè)計難度很大，建造精度要求也最高。隨著作業(yè)水深和鉆井深度不斷加大，自升式平臺主船體及鉆臺的所需設(shè)備也越來越多，進(jìn)一步加大了設(shè)計和建造的難度，同時也提出了更高的安全與可靠性要求。

目前，國際知名的自升式鉆井平臺設(shè)計公司及其主要設(shè)計船型有：美國F&G公司的L780/JU2000E等；荷蘭MSC公司的CJ46/CJ50等；新加坡Keppel FELS公司的A-Class/B-Class等。我國各大船廠在近幾年也承接了大量自升式鉆井平臺的建造訂單，積累了一定經(jīng)驗，正逐步由純建造向設(shè)計領(lǐng)域開拓，并陸續(xù)開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自升式鉆井平臺船型，提升了我國在自升式平臺領(lǐng)域的國際競爭力。

1 船級社規(guī)范研究

從目前主流的自升式平臺來看，主要的入級審查都集中于ABS和DNV-GL。近年來，隨著大量中國船廠進(jìn)入建造市場，CCS也在審查領(lǐng)域積累了較多經(jīng)驗和案例，逐步開發(fā)并完善了相應(yīng)入級審查規(guī)范規(guī)則?，F(xiàn)就近年新增的一些設(shè)計及審查要求進(jìn)行介紹和討論。

隨著自升式平臺的作業(yè)水深不斷加大，其桁架式樁腿設(shè)計由于整體剛性偏弱，在受到環(huán)境載荷作用下時，平臺會產(chǎn)生不可低估的動態(tài)響應(yīng)和附加載荷作用。因此，各大船級社規(guī)范均對平臺設(shè)計提出增加動態(tài)響應(yīng)和P-Δ效應(yīng)計算的要求，并給出幾種推薦做法。從目前已開展的項目分析情況來看，以400 ft（121.92 m）樁腿的JU2000E/CJ50自升式平臺為例，按照規(guī)范推薦的保守方法計算，平臺動態(tài)響應(yīng)和P-Δ效應(yīng)所帶來的附加載荷可達(dá)平臺樁腿設(shè)計總載荷的30%左右。從載荷作用模式分析，樁腿越長則剛度越弱，樁腿結(jié)構(gòu)固有頻率如果接近波浪載荷周期，則易受激振力影響。此外，平臺水平偏移量增加以及平臺主船體自重增加，均會增加P-Δ效應(yīng)。由此可見，該項內(nèi)容的增加，對平臺樁腿設(shè)計提出了相當(dāng)高的要求，能確保自升式平臺在惡劣海況下工作和生存的安全。

DNV-GL在自升式平臺規(guī)范和指南［2-4］（OSC104 2012、OSS-C104 2012、RP-C104 2012）中，根據(jù)平臺設(shè)計的發(fā)展，補(bǔ)充了甚高強(qiáng)度鋼的使用說明；同時結(jié)合其審核及研究經(jīng)驗，給出P-Δ效應(yīng)、樁腿特性等一系列簡化估算方法介紹，便于設(shè)計者在設(shè)計初期應(yīng)用。

針對自升式平臺就位后需移動平臺上較多大型結(jié)構(gòu)以滿足作業(yè)要求的情況，ABS特別增加章節(jié)（ABS MODU 2012 3-1-2）［5］，提出關(guān)鍵區(qū)域圖紙（Critical Structural Area）的審查和檢驗要求。在圖紙和計算審查方面以及現(xiàn)場建造和檢驗環(huán)節(jié)，均對重點區(qū)域（諸如升降機(jī)構(gòu)室及其加強(qiáng)、懸臂梁軌道及其加強(qiáng)、樁腿及樁靴連接區(qū)域、樁腿上的管節(jié)點、樁腿齒條板對接位置等）加以關(guān)注和跟蹤，確保平臺安全可靠。

CCS根據(jù)自升式平臺的使用情況，在最新的入級規(guī)范中，無論是遠(yuǎn)洋干拖或者濕拖，都增加了平臺遠(yuǎn)洋遷移后進(jìn)行拖航后檢查的技術(shù)要求，并根據(jù)最新公約要求，將直升機(jī)甲板和救生艇平臺主要支撐結(jié)構(gòu)提升為主要構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計和審查［6］。

美國艦船工程師協(xié)會組織開發(fā)的“SNAME指南”，針對自升式平臺提出一套完整的評價體系和指導(dǎo)方法，其中包括建模、結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)、樁腿強(qiáng)度分析、樁基剛度、抗傾穩(wěn)性和波浪載荷等。

2 計算分析技術(shù)研究

2.1 建模與模型簡化技術(shù)

自升式平臺主體結(jié)構(gòu)通常主要包括主船體、升樁機(jī)構(gòu)室、樁腿和樁靴共四個部分，每個部分在不同的分析階段可以采用不同的建模方法，模型簡化的基本原則是保證質(zhì)量、質(zhì)心和剛度一致。

整體分析階段主要分析校核樁腿桿件和節(jié)點的強(qiáng)度，同時也校核主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。建模及簡化方法如下：

（1）樁腿結(jié)構(gòu)需要根據(jù)實際尺寸和位置等參數(shù)采用梁單元詳細(xì)建模，節(jié)點需要根據(jù)圖紙來詳細(xì)定義。自升式平臺樁腿通常為三角桁架結(jié)構(gòu)。弦桿由于承擔(dān)彎矩與剪力，因此為主要受力構(gòu)件，而腹桿通常僅承受拉力和壓力。弦桿截面為兩個半圓加齒條的不規(guī)則截面，整體建模時，通常可簡化為等截面慣性矩的方形或橢圓截面。截面最大寬度保守考慮可取齒條最小寬度，但在計算波浪載荷時，應(yīng)適當(dāng)增加約10%的截面寬度。

（2）主船體采用板加筋形式建模。由于DNVGL/SESAM-WAJAC模塊等對單元和網(wǎng)格數(shù)有限制，若主要校核樁腿結(jié)構(gòu)，可將主船體簡化為等剛度梁來模擬。同樣，校核主船體時，可簡化樁腿模型單元數(shù)量或者直接將樁腿最大反力作為載荷。

（3）升樁機(jī)構(gòu)室同樣可簡化為等剛度梁。根據(jù)升降機(jī)構(gòu)室的設(shè)計要求，相應(yīng)約束水平或垂向位移，以達(dá)到模擬升降機(jī)構(gòu)室連接的目的。對于連接處的具體定義，不同軟件有不同的方法，基本原則是在模擬實際約束狀態(tài)的同時，不影響管節(jié)點的校核及整體動力計算。

（4）樁靴可簡化為彈簧剛度的約束，彈簧剛度的取值依據(jù)SNAME規(guī)范和實際土壤參數(shù)進(jìn)行計算。

局部分析階段主要校核升樁機(jī)構(gòu)室和樁靴的局部強(qiáng)度，需要建立詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析模型，載荷主要來自于整體分析中所讀取的最大節(jié)點反力與設(shè)備極限載荷。

2.2 動態(tài)響應(yīng)分析技術(shù)

自升式鉆井平臺在位狀態(tài)時，波浪慣性載荷的周期與自升平臺的固有周期可能發(fā)生共振，共振會大幅增加波浪慣性載荷。所以，自升平臺需要進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析，簡而言之就是計算平臺的固有頻率，用于為平臺在位分析提供波浪慣性載荷動力放大系數(shù)（DAF）的計算依據(jù)。

采用隨機(jī)波浪理論直接計算平臺的動態(tài)波浪慣性載荷效率較低。當(dāng)Ω（平臺固有周期/波浪周期）為0.8～1.2時，工程分析中一般采用一種保守的簡化方法：即先假設(shè)平臺固定，計算得到波浪載荷，再乘以動力放大系數(shù)DAF，其結(jié)果便可認(rèn)為是平臺的動態(tài)波浪慣性載荷。DAF可根據(jù)規(guī)范推薦的公式來計算，見式（1）：

式中：Ω是平臺固有周期與波浪周期的比值；ζ為阻尼系數(shù)。

自升式平臺的固有周期計算需要考慮以下兩個關(guān)鍵點：一是平臺的P-Δ效應(yīng)（重力的二階效應(yīng)）；二是平臺底部約束剛度的定義。

通常在平臺的靜態(tài)分析時需要考慮P-Δ效應(yīng)，而將其引入到平臺的動態(tài)響應(yīng)分析中，則可更準(zhǔn)確地計算平臺的固有周期。在進(jìn)行動態(tài)分析前先進(jìn)行一次浮力分析，并綜合考慮海洋生物等因素，計算得出平臺在海水中的靜力，再將結(jié)果作為動態(tài)分析中的力載荷來分析平臺的固有頻率。

平臺底部約束剛度對平臺固有頻率的影響很大，其剛度模擬的是樁靴與海底土壤的相互作用，可根據(jù)SNAME［7］規(guī)范推薦的公式計算。承載面的抗剪切模量 G和樁靴入泥有效直徑B以及影響深度因子的入泥深度與樁靴有效直徑的比值是影響樁基剛度的直接因素［8］。在實際工程應(yīng)用中，保守做法的簡支約束，其實際剛度應(yīng)處于簡支和規(guī)范計算剛度值之間。在缺乏海底土壤實測數(shù)據(jù)的情況下，具體剛度取值一般取決于經(jīng)驗。

以某自升式平臺為例，其固有頻率與底部約束剛度關(guān)系曲線如圖3所示?？梢姡脚_固有周期隨剛度增加而降低。剛度較低時，改變剛度對平臺固有周期影響更大。

2.3 風(fēng)力計算與修正

風(fēng)載荷是自升式平臺的主要控制載荷，其計算評估方法主要有規(guī)范計算、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗。

現(xiàn)行規(guī)范在計算風(fēng)載荷時主要采用面積投影法，不考慮空氣動力學(xué)干擾的影響，結(jié)果偏于保守［9］，通常比風(fēng)洞試驗結(jié)果大10%～30%。相對而言，風(fēng)洞試驗?zāi)芨玫胤从晨諝鈩恿W(xué)干擾（即不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的風(fēng)場干擾引起的風(fēng)載荷變化以及結(jié)構(gòu)的遮蔽效應(yīng)等），其結(jié)果更為可靠，尤其對于直升機(jī)平臺等側(cè)向投影面積較小但實際對總體風(fēng)載荷影響較大的結(jié)構(gòu)，只有經(jīng)過風(fēng)洞試驗才能更真實反映其對風(fēng)載荷的影響。數(shù)值模擬需要豐富的經(jīng)驗才能保證一定的精度，其精度受湍流模型的選取影響較大，通常需要與試驗或?qū)崪y結(jié)果對比調(diào)整后才能保證結(jié)果的可靠性。

在自升式平臺的初期設(shè)計階段，一般可先采用船級社規(guī)范估算風(fēng)載荷；進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計階段后，需進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬（數(shù)值模擬可作為對風(fēng)洞試驗結(jié)果的補(bǔ)充）；最后，再以風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬結(jié)果對風(fēng)載荷進(jìn)行修正，優(yōu)化設(shè)計自升平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 結(jié) 論

本文基于實際工程經(jīng)驗研究，總結(jié)了自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)形式以及主要設(shè)計單位、相關(guān)船級社規(guī)范和計算分析技術(shù)關(guān)鍵點等。隨著自升式平臺應(yīng)用逐漸向中等水深發(fā)展以及基于更先進(jìn)的計算分析技術(shù)和設(shè)計理念，船級社相關(guān)規(guī)范也在逐步更新，因此設(shè)計單位需要不斷提升設(shè)計與計算分析能力，采用更高效的建模方法，深入研究自升式平臺的動態(tài)分析技術(shù)和風(fēng)載荷評估技術(shù)，并進(jìn)一步結(jié)合模型試驗、流體計算、甚至現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)等，進(jìn)行平臺設(shè)計優(yōu)化。

［1］陳宏、李春祥．自升式鉆井平臺的發(fā)展綜述［J］．中國海洋平臺，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］中國船級社．海上移動平臺入級與建造規(guī)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］孫雪榮，聞靜．自升式平臺的樁基剛度對自由振動影響的研究［J］．船舶，2013（5）：36-38．

［9］林一，胡安康，孫建．自升式平臺風(fēng)載荷的空氣動力學(xué)干擾研究［J］.船舶與海洋工程，2013（2）：5-10.

信息動態(tài)

3 000噸級新銳出口護(hù)衛(wèi)艦交付入選“2016年度國防科工十大新聞”

2016年12月28日，國防科工局發(fā)布“2016年度國防科技工業(yè)十大新聞和十大創(chuàng)新人物（團(tuán)隊）”。評選結(jié)果突出反映了國防科技工業(yè)2016年工作的重大成果、重大突破和重大進(jìn)展，展示了國防科技工業(yè)全行業(yè)廣大干部職工忠實履職、奉獻(xiàn)國防，改革創(chuàng)新、攻堅克難的時代風(fēng)采。由中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司自主設(shè)計、建造的“新銳出口戰(zhàn)艦3 000噸級護(hù)衛(wèi)艦圓滿交付，創(chuàng)我國出口水面艦船裝備先進(jìn)性、綜合作戰(zhàn)性能新紀(jì)錄”入選“2016年度國防科技工業(yè)十大新聞”。

新銳出口戰(zhàn)艦3 000噸級護(hù)衛(wèi)艦由中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院（MARIC）設(shè)計，中船集團(tuán)所屬滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司建造，中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院提供艦上作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。該型護(hù)衛(wèi)艦是我國最新對外出口的最大噸位新型水面作戰(zhàn)艦船，創(chuàng)造了我國出口水面艦船裝備最先進(jìn)、火力最猛、綜合作戰(zhàn)性能最強(qiáng)的新紀(jì)錄，體現(xiàn)出20多年來我國艦載武器電子系統(tǒng)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。該型艦船代表著當(dāng)今我國軍貿(mào)艦船產(chǎn)品的最高技術(shù)水平，其成功建造，顯示出中國已在該型艦船領(lǐng)域具備了雄厚的實力，對進(jìn)一步開拓國際市場、擴(kuò)大我國軍貿(mào)艦船產(chǎn)品影響力、全面提升我國軍貿(mào)艦船國際競爭力具有重要意義。

國防科技工業(yè)十大新聞評選活動自2003年起至今已連續(xù)舉辦14屆。2016年度十大新聞由12家軍工集團(tuán)、中國工程物理研究院及有關(guān)院校等單位推薦，經(jīng)層層遴選、專家評審和最終審議評出。

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，高級工程師。研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與優(yōu)化。任 鐵（1985-），男，碩士，工程師。研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。龔 詩（1984-），男，工程師。研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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