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(北京高泰深海技術有限公司，北京 100029)

0 引 言

半潛式平臺已經廣泛運用于海上油田的勘探、開發(fā)中，其經濟性、適用性已經得到廣泛的認可，是目前水深200 m以上油氣田開發(fā)主要的平臺型式之一[1]。由于該類平臺主要依靠立柱的水線面提供穩(wěn)性，所以也被稱為立柱穩(wěn)性平臺。其特點是相同的排水量下，水線面比其他形式的海洋結構物小，平臺的自然周期遠離波浪的主能量區(qū)，因此可以在極其惡劣的環(huán)境下依然保持良好的運動性能，特別適合在較惡劣的海況下作業(yè)[2]。因此，大量的深水鉆井平臺、深水生產平臺采用立柱穩(wěn)性平臺形式。

除去功能性的設備，半潛式平臺主要結構由以下幾部分構成:(1)浮箱。浮箱在平臺最底部，主要作用是提供浮力，充壓載水并參與平臺總體強度。(2)立柱。立柱是浮箱與甲板之間最主要的連接、支撐結構，并且提供整個平臺的穩(wěn)性。(3)甲板。甲板為整個平臺提供工作平面，使平臺可以布置功能性設備，完成一定的工作，如鉆井、生產等，并且也是平臺整體強度的重要組成部分。(4)撐桿。撐桿的結構形式多樣，主要位于甲板下部和浮箱之間，用于減少甲板主梁跨度或提高平臺的總體強度。

目前在海洋平臺設計中，淺水運用較多的自升式鉆井平臺是三角形結構，依靠可升降的3個樁腿/立柱支撐整個平臺。三腿/立柱平臺具有良好的經濟性，所以80%以上的自升式鉆井平臺采用三腿/立柱設計。對深水油氣田開發(fā)中常用的浮式平臺而言，采用三立柱的半潛式平臺同樣具有很好的經濟性。在當前低油價的環(huán)境下，開發(fā)多功能低成本的新型三立柱半潛式平臺可為國內外石油公司的深水開發(fā)降本增效。在通常情況下，在同等排水量級別的基礎上，為了滿足穩(wěn)性要求，三立柱半潛式平臺的立柱間距要比常規(guī)四立柱半潛式平臺大。半潛式平臺的甲板結構主要依靠平臺立柱和斜撐的有效支撐，大立柱間距給平臺甲板的布置和甲板結構設計帶來相當大的挑戰(zhàn)，設計一種高效、經濟的甲板結構形式以適應大跨度三立柱半潛式平臺的要求十分必要。

1 人字形甲板設計思路

為了克服現(xiàn)有技術的不足，本文設計一種半潛式平臺人字形大跨度甲板型式。在設計上綜合桁架式、優(yōu)化布置及大跨度梁解決方案，以適合三立柱半潛式平臺的結構形式，克服了三立柱半潛式平臺的最大難點：大跨度的甲板設計及設備布置。配合該甲板的設計，使三立柱半潛式平臺低成本設計建造成為可行。

針對大跨度平臺的結構強度和結構變形的問題，可以從2方面著手解決：(1)不斷增加結構尺寸，以滿足其相關強度和變形要求。但過高的結構重量會使三立柱半潛平臺影響冗余度不高的儲備浮力和穩(wěn)性，無法滿足經濟型半潛平臺的需要。(2)減少組塊結構的有效跨度?？蓮钠脚_立柱上引出斜撐以支撐組塊結構，選擇合理的斜撐支撐點，使其與立柱支撐形成框架式結構，可承受較大工作載荷，既能有效降低平臺型材尺寸，降低結構重量，又能滿足立柱的承載要求。

傳統(tǒng)的半潛平臺多采用箱型甲板結構，但三立柱半潛平臺若采用箱型甲板結構，由于三角形形狀的限制，盡管立柱跨度增加，但所能提供的甲板面積仍很有限。本文設計的上部組塊甲板結構采用雙層桁架式結構，雙層的甲板將提供雙倍的甲板面積，并在上層甲板處立柱上方位置將甲板向外延伸，使其俯視時看上去像“人”字形。這樣不但有效地增加了甲板面積，還可充分利用立柱自身結構強度大的優(yōu)勢，把主要設備布置在立柱上方和立柱與斜撐形成的強框架之間。將主要荷載布置在這些已有的強結構上方，可提高結構的利用效率，使半潛式平臺的立柱不但為平臺提供浮力，還為整個平臺的上部模塊提供支撐。

為實現(xiàn)人字形甲板設計的技術驗證和對比，本文以“南海挑戰(zhàn)”號FPS為設計對比，使人字形甲板在與FPS相同的工作環(huán)境條件下，滿足全部組塊的功能需求，計算校核人字形甲板結構的強度，以驗證人字形甲板的結構優(yōu)勢特點。流花11-1“南海挑戰(zhàn)”號FPS如圖1所示。三立柱半潛式平臺及人字形甲板設計示意圖如圖2所示。

圖1 流花11-1“南海挑戰(zhàn)”號FPS 圖2 三立柱半潛式平臺示意圖

2 人字形甲板的設計參數(shù)

2.1 三立柱半潛式平臺主尺度

人字形甲板的設計依托是研發(fā)一種與“南海挑戰(zhàn)”號FPS功能及工作荷載相似，具有濕樹采油和鉆井功能的新型三立柱半潛式生產平臺，三立柱半潛式生產平臺的總體性能研究和結構設計研究已完成相關工作，其上部組塊的甲板結構設計也將滿足相關功能需求，并且最大限度地降低組塊結構的重量，優(yōu)化結構性能，降低建造成本。

三立柱半潛式平臺的設計目標海域是中國南海，其設計水深范圍為300～1 000 m，屬中深水浮式結構范圍。平臺的主尺度通常根據上部設施功能要求確定，典型參數(shù)見表1。

表1 三立柱半潛式平臺主尺度 m

2.2 環(huán)境條件

三立柱半潛式平臺的目標作業(yè)海域是中國南海，環(huán)境條件較為惡劣，表2給出其作業(yè)海域風、浪、流的環(huán)境條件，其中操作工況應考慮一年一遇的環(huán)境條件，極端工況應考慮百年一遇的環(huán)境條件，生存工況應考慮千年一遇的環(huán)境條件。

表2 三立柱半潛式平臺環(huán)境條件

3 人字形甲板的結構形式

三立柱半潛式平臺整個上部組塊結構共包含2層主甲板，上層甲板采用人字形結構，下層甲板由于剩余空間較大，采用三角形結構即可，也可采用人字形結構。

3.1 平臺的坐標系統(tǒng)

人字形甲板的模型坐標原點為平臺3個立柱構成的等邊三角形的中心點，高度方向上以平臺基線為O點，x軸正向指向為平臺東，y軸正向指向為平臺北，z軸正向指向上。

3.2 人字形甲板的設備布置

人字形甲板為整個平臺提供工作平面，使平臺可以布置功能性設備，完成一定的工作，如鉆井、生產等。上部組塊的甲板布置主要包括：主機、配電間、泥漿處理模塊、油氣處理模塊等設備，生活樓、平臺控制室、倉庫、水下機器人工作間、直升機甲板等區(qū)域。平臺中間為月池區(qū)域，安裝布置鉆修井設備。人字形甲板的布置圖如圖3和圖4所示。

圖3 主甲板布置圖 圖4 生產甲板布置圖

主甲板北側為生活樓區(qū)域，中部為鉆井設備區(qū)域，西南角為鉆井配套設施區(qū)域及焊工房、油漆間區(qū)域，東南角為氮氣、壓縮氣體處理設施及遙控無人潛水器(Remotely Operated Vehicle, ROV)系統(tǒng)區(qū)域。該甲板根據需求布置了3臺吊機，火炬臂布置在了西南角區(qū)域。生產甲板北側主要布置生活污水處理設施、消防泵及二層電儀房間等,中部為中空區(qū)域，不設置甲板，西南角為主工藝處理設備區(qū)域，東南角為公用設備處理區(qū)域，3個區(qū)域通過環(huán)形通道連接。

通過優(yōu)化布置方式，將甲板分為3個區(qū)域，每個區(qū)域均為常規(guī)的四邊形框架結構，方便布置設備。中間通過人字形主梁連接，并充分利用已有結構的強度，把撐桿與立柱之間的區(qū)域作為主要設備的布置區(qū)域，減少了負載對甲板跨度中段的壓力。整個上部模塊分為2層桁架式甲板：第1層主甲板中部為鉆井區(qū)，3個角為主要的設備布置區(qū)域。第2層甲板中部不放置設備，主要目的是為桁架結構提高甲板的強度，減少甲板跨度中段的載荷，第2層生產甲板的3個角為設備布置區(qū)域。這樣的布置可以充分利用已有的3個立柱結構，使其不但可以提供浮力，還兼做上部模塊的結構基礎，提高了立柱結構的利用效率。

3.3 人字形甲板的結構模型

本文采用SACS軟件對人字形甲板結構進行建模并計算校核。人字形甲板結構將采用1個三維空間桁架模型進行模擬，模型如圖5所示。

圖5 人字形甲板三維模型視圖

計算中模擬了甲板的主要結構和次要結構。所有的節(jié)點采用剛性連接，每根桿件的兩端也采用剛性連接。所有的甲板板采用板單元模擬，桿件的偏移已在模型中加以考慮。甲板與船體的連接處設置了約束點，便于計算中單獨考慮甲板結構。所有的甲板設備、鉆機等設置為荷載直接加載于甲板的桿件或節(jié)點上。

4 人字形甲板結構強度校核

4.1 人字形甲板的載荷

人字形甲板的載荷主要包括結構和設備重量(含重力方向的操作重)，半潛平臺受波浪作用傳遞的運動加速度，吊機設備操作產生的方向性荷載，以及風對甲板結構的作用。三立柱半潛平臺在運抵作業(yè)海域后可認為存在5種作業(yè)狀態(tài)：生產作業(yè)狀態(tài)、鉆井作業(yè)狀態(tài)、生產鉆井狀態(tài)、極端工況停產狀態(tài)、生存工況自保狀態(tài)。文中取水平方向每30°定義一個載荷方向，這樣吊機的操作重量和風載荷一起共計算12個方向載荷(0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°)，每個方向組合1種作業(yè)狀態(tài)，再考慮垂向加速度的上下2種運動狀態(tài)，本文共計算120個工況校核人字形甲板結構。

4.2 人字形甲板的分析結果

人字形甲板桿件的校核根據API RP 2A-WSD 和 AISC 2005 ASD兩本規(guī)范進行校核，在考慮百年一遇臺風極端工況和千年一遇自存工況2種作業(yè)狀態(tài)時，許用應力可分別放大1.33倍和1.67倍。人字形甲板結構計算結果如圖6～圖9所示。

圖6 人字形甲板主結構的應力云圖 圖7 人字形甲板主甲板的應力云圖

圖8 人字形甲板生產甲板的應力云圖 圖9 人字形甲板立柱、斜撐、吊機底座的應力云圖

經計算驗證，目前設計的主結構最大桿件應力超過許用應力，但其屬于節(jié)點環(huán)板范圍內，修正截面計算可保證桿件應力小于許用應力，人字形甲板結構形式滿足規(guī)范要求[3]。

5 結 論

(1) 人字形甲板在設計上綜合了桁架式、優(yōu)化布置、大跨度梁解決方案，以適合三立柱半潛式平臺，克服了三立柱半潛式平臺的最大困難：大跨度的甲板設計及設備布置。配合該甲板的設計，三立柱半潛式平臺可實現(xiàn)低成本設計建造。

(2) 人字形甲板的雙層桁架式結構，可以在70 m以上的跨度實現(xiàn)甲板強度滿足要求。與箱型結構的甲板相比，桁架式結構具備很好的空間優(yōu)勢、結構強度優(yōu)勢和結構冗余度，使其應用于大跨度三柱半潛式平臺時，有更好的結構強度和更輕的結構重量等優(yōu)勢。

(3) 人字形甲板在甲板的下部，利用6個斜向支撐，將甲板的懸空跨度減少一半，并在立柱上方與斜撐之間，形成一個四點支撐的強框架，可承受較大的工作荷載，為重型設備的布置提供了很好的結構基礎。

[1] 姜哲, 謝彬, 謝文會. 新型深水半潛式生產平臺發(fā)展綜述[J]. 海洋工程,2011, 29(03): 132-138.

[2] BYBEE K. State of the Art of Ultra Deep Water Production Technologies[J]. Journal of Petroleum Technology, 2005,57(08):54-70.

[3] Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design [S]. 2007.