导管架平台受力和结构特点_海洋工程结构设计

时间:2020-01-28  栏目:理论教育  

导管架平台受力和结构特点_海洋工程结构设计

第2章 海洋平台的受力与结构特点

本章内容:

▶各种平台结构受力状态与结构特点

▶平台实例

海洋平台与船体从结构上进行对比,既有很多相似的地方,又有各种平台特有的结构。相似的结构主要体现在平台和船体都有很多由甲板组成的空心水密箱体结构,这些结构不仅受力很相似,同时也要求水密,以便提供平台或船体所需的浮力。因此这些结构的形式基本相似,只是构件的尺寸分布与变化规律由于其结构受力的不完全相同而不同。在平台中,这些结构可能是平台的主体,也可能是平台的支撑结构,因此它们是平台结构中的重要组成部分。

除了这些相似的结构之外,海上平台由于所处的环境不同,根据用途和受力情况的不同,应设计不同的平台样式。不同的平台种类会有不同的受力状态和结构特点。

图2-1 某坐底式平台结构示意图

2.1 坐底式平台和半潜式平台的受力状态和结构特点

半潜式与坐底式平台都属于立柱稳定式平台。这种平台在各种漂浮工况下的稳性主要是靠立柱(包括下船体)的稳性,利用排水和灌水可适当地将平台升起、下沉或坐在海底。

连接在立柱顶端的是上层平台。为了有足够的储备浮力和在坐底时底部有足够的支承面积,立柱底部可以设置下船体(沉垫)或下浮靴。用撑杆与立柱下船体(或下浮靴)连接,以支承上层平台。

(1)在漂浮状态下进行作业的平台称为半潜式平台。

(2)支承在海底作业的平台称为坐底式平台(见图2-1)。

1.半潜式与坐底式平台的设计工况

根据规范的强度校核要求,设计工况必须包括两类工况,即静水工况和包括风、浪、流作用的风浪工况(或叫组合荷载工况)。

1)静水工况

静水工况应考虑下列几点。

(1)供应品、燃料等满载的情况。

(2)由于钻井装置或重量突然改变而引起的动力荷载。

(3)井架大钩的集中荷载与竖立钻杆重量的情况。

2)风浪工况

风浪工况的选择较为复杂。

平台的波浪荷载不但与平台的结构特征、构件形状和尺寸大小等有关,而且与波高、波浪周期、波浪方向角、波峰与平台的相对位置等因素紧密相关。常见的平台工况有以下几种。

(1)工况Ⅰ:平台满载、静水、半潜吃水,如图2-2所示。

此种工况主要分析平台结构在重力、浮力作用下的强度,平台这时无任何运动,不钻井、无波浪,在平台每一构件上的荷载只有均布荷载和集中荷载。

图2-2 工况Ⅰ

图2-3 工况Ⅱ

(2)工况Ⅱ:平台满载、静水、半潜吃水,但平台整体有一定的升沉运动,如图2-3所示。

在种种因素引起的海面上升时(如涌浪、地震、海啸等等),平台将产生升沉运动,此时平台向上运动从而使平台受到与自重方向一致的惯性力作用,使结构处于不利状态。

(3)工况Ⅲ:平台满载、静水、半潜吃水,整体有一定的升沉运动,且平台处于井架大钩有集中荷载时的钻井作业状态,如图2-4所示。

本工况在于考虑平台的静水作业时的结构强度,此时平台的受力除工况Ⅱ外,还应加上井架大钩所吊有的集中荷载(如钻杆、套管等)或者在钻井卡钻时大钩因突然提钻而承受的动力荷载。

图2-4 工况Ⅲ

图2-5 工况Ⅳ

(4)工况Ⅳ:平台满载、设计风暴、半潜吃水、横浪,且设计波长等于2倍平台宽度,波峰位于平台的中心线上,如图2-5所示。

(5)工况Ⅴ:平台满载、设计风暴、半潜吃水、波长也等于2倍平台宽度,横浪,但波谷位于平台中心线上,如图2-6所示。

图2-6 工况Ⅴ

图2-7 工况Ⅵ

(6)工况Ⅵ:平台满载、拖航吃水,受设计波长作用,波浪从接近于平台对角线的斜向入射,波长接近平台对角线长,如图2-7所示。

此工况在于分析立柱、下浮体在斜浪作用下的结构强度。这时将会出现平台一边处于波峰,一边处于波谷,整个平台将会受到不均匀的浮力和波浪力的作用而产生扭转变形。

(7)工况Ⅶ:平台坐沉海底。

2.半潜式与坐底式平台的基本结构组成

半潜式平台和坐底式平台的基本结构如下:

(1)上层平台:提供作业场地、生产和生活设施。

(2)立柱结构:提供浮力,保证平台的浮性和稳性,立柱内可设置锚链舱等。

(3)撑杆结构:它连接立柱、下船体和上层平台,使整个平台形成空间结构,把各种荷载传到平台主要结构上。

(4)下船体(或浮靴):提供浮力,设置压载水舱,通过排水上浮,灌水下沉,完成平台起浮、下沉或坐底。坐底式平台下船体常采用整体沉垫(下浮体)或沉箱。

(5)锚泊系统:靠锚泊定位的平台,设有锚泊系统。

半潜式平台基本结构如图2-8和图2-9所示。

图2-8 半潜式平台结构示意图

(a)正视图 (b)右侧视图 (c)立柱剖面及沉垫图 (d)上甲板图 (e)主甲板图

图2-9 半潜式平台结构

3.半潜式平台的结构形式

1)平台平面形状为三角形

由三个立柱、三个浮箱、三角形上层平台以及若干撑杆组成,如图2-10所示。

图2-10 三角形半潜式平台

图2-11 五角形半潜式平台

2)平台平面形状为五角形

由五个立柱、五个浮箱、五角形上层平台及若干撑杆组成,如图2-11所示。

3)平台平面形状为矩形

由2个或多个平行下浮体、4~8个立柱、矩形上层平台及撑杆组成,如图2-12所示。

图2-12 矩形半潜式平台

图2-13 矩形半潜式平台

4)平台平面形状为矩形

由四个垂直浮箱及多个纵横相交水平浮箱、矩形平台及若干撑杆组成,如图2-13所示。

5)平台平面形状为V形

图2-14 V形半潜式平台

由水平圆柱组成V形下浮体、多个立柱、V形平台及撑杆组成,如图2-14所示。

4.平台上层结构的功能和结构形式

1)功能

上层平台布置着全部钻井机械、平台操作设备、物资贮备和生活设施。

2)受力

上层平台承受的甲板荷载包括各种设备的重量以及设备发生移动产生的附加荷载,加上水平风、浪、流作用力,立柱之间相互作用力。因此平台结构须设计成一个较强的承载结构。

3)组成

一般的上层平台是由平台甲板、围壁和若干个纵横舱壁等平面板架组成的三维空间结构。

这些平面板架由钢板与型材组成,与一般的 船体、甲板、舱壁结构的结构形式相似。根据布置与使用要求,它可以分为若干层,如主甲板、中间甲板、下底甲板等;由于半潜式平台在海上工作的危险性,上层平台要求水密或一定的水密性。上层平台可以设计成一个整体箱形结构,也可以设计成若干个其他形状的整体强承载结构。这些强承载结构有箱形结构、板桁材结构和桁架结构。箱形结构由两层或多层平台甲板,两个或多个舱壁或围壁组成(见图2-15)。

图2-15 某矩形半潜式平台的某甲板面结构图

5.平台的下部结构

下部结构(也叫下船体结构)有浮箱与下浮体两种形式。

1)浮箱结构

它是一个水密的圆台或其他形状的大小箱体,放置在立柱下面,彼此互不相连,三角形半潜式平台及五角形半潜式平台采用浮箱结构较多。

浮箱主要考虑周围海水静水压力及承受立柱传来的平台的重力,以及风浪流作用下的弯矩。浮箱结构形式一般根据外形形状及强度确定。底部结构有单底及双底结构两种。

浮箱与立柱间的连接部位需要承受较大的荷载,因此该处结构需要特别加强,一般将立柱延伸到浮箱的底部,浮箱与立柱延伸部分之间用正交的纵横舱壁或桁架坚固连接,立柱也可与甲板相交,甲板与立柱间设肘板,立柱下部需用板或型材加强(见图2-16)。

图2-16 浮箱类型

2)下浮体结构

下浮体结构一般有平行浮体与组合浮体两种形式,平行浮体多为两个平行浮体,也有四个或多个平行浮体。平行下浮体形状常见多为矩形或圆角矩形横剖面纵骨架式壳体结构。下浮体结构就是由若干个纵横舱壁及外壳板架组成水密壳体。结构设计需保证其结构水密性和强度。由于浮体纵向弯矩较大,因此一般采用纵骨架式结构。由矩形平台、两个下浮体、两排立柱组成的半潜式平台由于结构简单,因此普遍被采用(见图2-17)。

图2-17 下浮体类型

6.平台的支撑结构

坐底式平台的支撑结构有桁架式、立柱式、桁架立柱结合式。而半潜式平台的支撑结构大都为立柱式。

1)立柱结构型式

(1)立柱的直径。

从立柱的粗细可分为起稳定作用的粗立柱和只起支撑作用的细立柱。

(2)立柱外形。

从外形可以分为圆立柱和方立柱;从截面积分布可分为等截面立柱和变截面立柱。

坐底式平台常采用锥形钢瓶式立柱,上部截面小,以减小波浪力。为使主柱与沉垫结构连成一体,立柱上部为圆形,到沉垫甲板处变成方形,再与沉垫舱壁形成一体。立柱对沉垫的作用力直接传递给舱壁。立柱大多数是等截面圆立柱,有少数为方柱。

(3)立柱骨架。

从立柱有无骨架可分为有骨架壳体立柱和无骨架壳体立柱。

当立柱及柱靴设计成无骨架壳体时,其构件尺寸应在壳体理论分析方法基础上确定。

无骨架是指仅无纵向骨架,而仍有环形加强筋、平板和隔舱构件等。

图2-18 普通构架结构

2)立柱构造

半潜式平台的立柱一般由外壳板、垂向扶强材、水平桁材、水密平台、非水密平台、水密通道围壁和水密舱所组成。一般结构形式如下所述。

(1)普通构架结构。

这种构件一般由纵筋与环筋组成,由于纵向力较大,一般纵筋与环筋相交处纵筋连续,如图2-18所示。

(2)交替构架结构。

①纵向交替式:

这种构架形式特点是几档小尺寸的普通纵筋布置1档大截面尺寸的强纵筋、强环筋(肋骨),这样强纵筋与强环筋互相支持组成强构件,作为与之相交的弱构件的支座,可以使弱构件的尺寸减小。

图2-19 纵横隔板式结构

②横向交替式:

横向环筋布置中,每隔3~5档普通环筋布置1档强环筋,以增加横向刚度。

(3)纵横隔板式结构。

这种结构特点用纵横向隔板,纵向隔板一般是两块正交布置或布置成一个封闭通道,隔板一般开有减轻孔,或者用横向隔板代替横向加强筋,横向隔板有水密的或非水密的,隔板也需布置加强筋,如图2-19所示。

2.2 导管架平台受力和结构特点

1.导管架平台的受力特点

活动式平台一般用于勘探或浅海区采油。生产平台大多采用固定式平台。其中导管架平台具有适应性强、安全可靠、结构简单、造价低的优点,应用较多。如图2-20所示。导管架平台固定在海洋中,受到以下各种荷载的影响。

图2-20 海上的导管架平台

1)环境荷载

由风、波浪、海流、海冰、水温及气温、潮汐、地震等自然环境引起的荷载。主要有风荷载、波浪荷载、流冰荷载、地震荷载等。

2)使用荷载

使用荷载包括固定荷载、活荷载及动力荷载,应根据平台的类型和使用要求,对可能影响结构或构件的荷载加以考虑。

(1)固定荷载。

固定荷载是指作用在平台上的不变荷载,当水位一定时它为一定值,包括平台结构在空气中的重量、导管架、桩、灌浆等;永久安装在平台上的设备和附属结构重量,包括机械设备、管线、防腐阳极块等;水线下作用在结构上的静水力,包括外压力与浮力。

(2)活荷载。

活荷载为平台使用期间加在平台上的荷载,它随平台作业类型的不同而变化,按其时间变化与作用可分为可变荷载与动力荷载。

由于可变荷载的数值及作用位置变化缓慢,可作为静荷载处理。

导管架平台的静荷载包括:

①钻井和生产设备的重量,这些设备可以移上或移下平台,并在平台上移动;

②生活区、直升机平台的重量,生活供给设备、救生设备、潜水设备及公用设备的重量,这些设备也可以移上或移下平台;

③贮藏舱中消耗性的供给物品及液体重量;

④海洋生物附着和冰聚积所增加的重量。

(3)动力荷载。

当荷载对平台结构或构件的动力作用显著时,就考虑为动力荷载。

①周期性荷载:

当各种动力机械和设备的运转频率接近结构的自振频率时,就应该考虑荷载的动力放大。

②冲击性荷载:

包括钻井、材料的搬运,船舶系泊及碰撞,直升机的降落等。

3)施工荷载

施工荷载发生在平台的建造、装船、运输、下水、安装等阶段,为临时性荷载,对于受环境条件影响的各个施工阶段,平台的施工荷载应与环境荷载进行相应的最不利的组合。

2.导管架平台的结构组成

1)经济性决定了对平台类型的选择

深水区:采用所有功能齐全的整体式多层自给式平台。

浅水域:采用多个分离的不同功能的平台,例如:供应平台、钻井平台、生产平台、生活平台、辅助平台、火炬塔等(见图2-21)。

2)导管架平台的结构组成

导管架平台可分为两个主要组成部分,即上部结构和导管架。

(1)上部结构。包括平台甲板、舱壁、围壁、甲板支柱以及桁架结构。

甲板结构的主要作用是在海上为钻井或采油提供足够的场地,以便在其上布置钻井或采油设备、辅助设备、各种生活设备以及供直升机升降。

(2)导管架。是由导管(桩腿)和连接导管的纵横撑杆所组成的空间刚(桁)架,并包含桩结构。

各管状构件相交处形成了管状节点结构。其主要作用是支撑上部结构,平台进行海上安装施工时,导管架的桩腿则作为打桩定位和导向用。在使用上,导管架还可以用来系靠船舶,以便于供应船靠离平台。

桩的作用是把平台固定于海底并承受横向荷载和垂直荷载。桩通过导管架打入海底土中,由单桩组成或群桩形成桩基础,上部结构和导管架的荷载通过桩基础传入地基(见图2-22和图2-23)。

图2-22 导管架平台上部结构

图2-23 导管架平台导管架结构

图2-24 某导管架平台上部结构剖视图

3.导管架平台上部结构的结构形式

上部结构也称甲板结构,上部结构有整体式与组块式两种结构形式。

所有甲板结构原则上都是由三维钢构件组成。主要承载构件可分为板桁材、箱形桁材和桁架三种形式(见图2-24)。

4.导管架结构的组成

导管架是导管架式平台的支撑结构。导管架结构是由钢管或型钢焊接的构架,实际是由三个方向的平面板架或平面桁架组成的一个三维空间桁架结构,这些桁架主要由大直径管材的桩(弦杆)及小直径的管材、小尺寸的型材和横向、纵向及斜向的撑杆组成(见图2-25)。

图2-25 导管架形式

1)桩腿

导管架桩腿主要承受重力、风浪流力及横向弯矩。

2)撑杆

导管架腿是由三种撑杆牢固地支撑和连接在一起的:有垂直面的斜撑、水平面的水平撑和斜撑。

撑杆的基本作用:

(1)帮助把水平荷载传至基础。

(2)在建造和安装期间保持结构的完整性。

(3)防止安装导管架桩系统时的扭曲运动。

(4)支撑牺牲阳极和油井导管,把这些构件产生的波浪力传至基础。

5.管节点结构

导管架平台上出现最多的就是管节点。管节点是指两个或多个管材间的连接处结构。例如,撑杆与弦杆的连接,其中截面尺寸大者为弦杆;空心结构构件的横截面可以是圆的、方的或者矩形的。有时采用管状撑杆与宽带板的型材弦杆,或采用宽带板型材撑杆与管状弦杆混合连接,或宽带板的型材与型材连接,如图2-26所示。

图2-26 管节点样式

管节点应力,如同大多数的结构单元一样,是简单应力诸如张力、压力、弯曲或剪切的复合。在一般管节点中的应力状态的理论表达,由于问题的复杂性还未被确证。然而,用经验方法来确定应力可以获得令人满意的精度。

节点的破坏原因有:达到材料的弹性极限,达到材料的屈服极限,张力引起节点中的初始裂纹以及节点在压缩状态下的极限状态。

基于节点的类型、节点参数和荷载条件,结构管节点呈几种破坏形式:

(1)弦管壁的破坏(冲剪)。

(2)初始裂纹在张力作用下使撑杆从弦管处分离。

(3)压力荷载使撑杆附近弦管壁的局部屈曲。

(4)弦管整个横断面的剪切破坏。

(5)张力作用下撑杆附近弦管壁的层状撕裂。

在管节点的合理设计中应使节点具有足够承受变形和转动的能力,以允许节点内部的作用荷载越来越大时产生应力的再分配。节点刚度过大,同样会在某些部位产生应力集中的现象。

2.3 自升式平台的受力状态和结构特点

图2-27 自升式平台受力图

自升式平台由一个平台主体(船体)和若干个起支撑作用的桩腿组成。自升式平台各个构件在海洋环境下可能受到的作用力如图2-27所示。

1.自升式平台的工作状态

由于自升式平台属于移动式平台的一种,所以会有和固定式平台不一样的工况,各种工况下的受力完全不同,因此在计算自升式平台结构强度时必须考虑各种不同的工况,才能保证计算结果的完整性和正确性。自升式平台常用的工作状态有以下几种。

1)拖航状态

拖航是指整个平台从一个地点转移到另一个地点(井位)的航行状态,这时船体漂浮在海面上,桩腿升到船体之上,由于受 到风浪的作用,船体也将如船舶一样产生摇摆运动。这时船体受到重力、浮力、波浪力和惯性力的作用。

同时在桩腿部的固桩处有很大的动弯矩作用,对于深水自升式平台,由于桩腿很长,桩腿根部的固桩处就将受到很大的作用力,当船体的纵摇或横摇角度较大时,桩腿因倾斜又对根部产生很大的桩腿重力力矩。

2)放桩和提桩状态

放桩是指桩腿向海底下放,提桩是指桩腿拔出海底之后向上提升,这时船体仍浮在海面上,在放桩和提桩的过程中,当桩腿未与海底接触但船体在风浪作用下发生摇摆时,桩腿也随着摇摆使桩腿上部(接近船体底部)受到较大的动弯矩;当船体在风浪作用下产生升沉运动而使桩腿和海底发生碰撞时,桩腿根部也将产生很大的动应力。

3)插桩和拔桩状态

插桩式平台在插桩时桩腿将承受升降机构的下降力、桩腿土壤支反力和桩周摩擦力的作用。拔桩时桩腿承受升降机构提升力、桩端黏结力以及桩周摩擦力的作用,若在淤泥中还有桩端淤泥吸附力的作用。在拔桩过程中,当桩腿拔出海底的速度过快也可能出现桩腿端部与海底碰撞的现象。

4)桩腿预压状态

桩腿预压是将桩腿下面地基的承载力预先压到暴风状态时所要求的地基承载力,以防止桩腿出现不均匀下沉,造成平台倾斜和倾覆事故发生。

5)着底状态

着底状态包括满载风暴自存和满载作业两种状态。一般情况下,满载风暴自存时桩腿所受的外力要比满载作业状态时大,所以通常平台就以满载风暴自存状态进行设计。平台船体被桩腿支撑在海面之上时,船体上的甲板荷载和风力将通过桩腿传递到海底,这时的桩腿将受到风力、波浪力、潮流力、平台重力和地基反力的作用。由于桩腿比较长,平台结构在荷载的作用下产生的侧向位移还将使桩腿受到不可忽视的重量偏心力矩。

2.自升式平台的结构组成

自升式平台由平台主体和桩腿组成,平台主体和桩腿由升降装置衔接。

平台主体:位于平台上部的平台主体主要提供生产和生活场所,并能在拖航时提供浮力。

1)平台主体

平台主体的平面形状,常用的有三角形、矩形、五角形。如图2-28所示。

图2-28 平台主体形状

(a)三角形 (b)矩形 (c)五角形

自升式平台主体是一个单甲板箱形结构,这个箱形结构可以是单底结构,也可以是双底结构。其主体是一个三角形、矩形或五角形的船体结构。根据作业、生活、布置及强度需要,设有纵、横舱壁(见图2-29)。

由于自升式平台主体结构是一个船体结构,因此其主要结构形式与船体结构很相似,船体各层甲板、底部与舱壁都由板架组成。板架中的桁材布置一般要与强承载构件的布置方向一致,以增加其强度,即与桩腿的连线方向一致,例如四桩腿的矩形平台,其桁材沿横向、纵向正交布置。

图2-29 自升式平台主体结构

除矩形方驳船体外,亦广泛使用三角形船体。建造三角形船体,不能采用上述的布置形式(即纵式、横式或者纵横混合式)。因一般的纵横结构系统,会使主隔壁、桁材和加强骨材都在一个方向上,与装置中心线平行,或者横对中心线。这样,就使得大多数结构构件的长度和尺寸不一,而导致构件端部节点变化不一。在三桩腿的三角形平台中剪力和弯矩实际上大部分是沿着三条桩腿连线作用的。

2)桩腿结构

桩腿结构实际上也分为两部分,一般常说的桩腿指的是桩腿的上部,即桩身,下部结构为桩靴,也叫桩脚。

(1)桩身。

桩身的作用是支撑平台在海上作业,并将平台所承受的全部荷载传递给海底。桩腿一般要承担及传递轴向及水平荷载,弯曲力矩及升降过程中的局部荷载。

①桩腿的形式:

早期自升式平台的桩腿数目很多,有的多达14条。由于现代技术的采用,升降结构的能力增大,高强度钢的采用,桩腿以4条、3条居多,发展趋势是3条桩腿。

桩腿数量影响自升式平台的造价和工作性能。桩腿数目越多,受到的波浪力越大,升降机构、固桩装置和桩靴的数目增加,成本增高。三条腿是支撑平台最少的数目,这种平台还有一个特点,就是桩腿的反力在没有固桩时能够较准确地算出。这对操作人员很重要,因为每次变动荷载之前,必须算出桩腿的反力,以保证升降机构不至于超负荷。

建造时对于带沉垫的桩腿调整一致,要求很严格,而三条腿的调整工作量最小。这种平台的缺点是不能像四条腿那样对角预压,只能用压载水舱进行预压,因而需增加压载舱。另外,如遇地形、地质情况复杂等原因导致一条腿损坏时,则易造成整个平台的事故。

②桩腿的种类:

每种桩腿都布置有传动装置所需要的齿块或销孔或齿条,这些分别由升降机构的不同情况决定。桩腿形式主要根据工作水深、海底地基、升降机构的不同情况决定。

独立式桩腿有壳体式与桁架式两种。

a.壳体式桩腿。

壳体式桩腿一般用于工作水深在60~70m以下,再深则需增大桩腿尺寸,导致更大波浪荷载使结构重量加大。因此,深度再增加,一般采用桁架式桩腿。

壳体式桩腿包括有骨架式和无骨架式两种形式:

有骨架式结构是由壳板与纵向、环向加强筋组成封闭式结构,其横剖面多为圆形与方形,加强筋为内部布置,主要考虑纵向(垂向)强度,因此纵向(垂向)骨架较强。加强筋的尺寸与数量由强度条件决定。无骨架式仅用于尺寸较小的桩腿(见图2-30)。

图2-30 圆形壳体桩腿结构(www.guayunfan.com)

由于升降方式的不同,壳体式桩腿分别布置与升降装置相配合的销孔、齿块、齿条。这些结构一般布置在纵筋处,或特别加强,以保证其局部强度。桩腿带销孔,以备升降时销子插入。齿块与旋转销配合,齿条则与升降装置的齿轮配合,完成平台升降。

b.桁架式桩腿结构。

桁架式桩腿结构由弦杆、水平撑杆、斜撑杆组成。组成桁架的杆件可以是管材,也可以是各种型材。桁架的横截面形状一般是三角形、正方形,也可以是其他形状(见图2-31)。

桁架式桩腿一般采用齿条式传动,因此桁架的弦杆上都装有齿条。弦杆有圆形、方形、三角形。齿条有外齿条、内齿条两种布置形式。

图2-31 桁架式桩腿结构

(2)桩靴。

主要根据海底地貌、土质情况设计各种形状的结构形式:

对较硬的海底,桩靴设计成较小支撑面,甚至略带锥形;

对较软的海底,脚箱设计成较大的支撑面,其原则是即使桩腿支撑稳固,又不要下陷太深而使拔桩困难;

桩脚平面形状多为圆形、矩形、三角形、多边形等(见图2-32)。

图2-32 桩靴

2.4 潜器结构特点

1.潜器的类型及受力

水下运载器被称为潜器或潜艇,这些运载器可分为载人潜器与无人操纵潜器。人们称大的潜器为潜艇(见图2-33)。

图2-33 潜艇

1)潜器的类型

潜器的外形分为常规型、过渡型、水滴形。

潜器的结构形式有单艇体、个半艇体、双艇体,如图2-34所示。

图2-34 潜器的结构形式

(a)单艇体 (b)个半艇体 (c)双艇体

2)潜器的受力

潜器主要活动在水下,有时在水面航行,因此受力情况复杂。

潜器在水面状态有静水与波浪两种情况,作用在潜器上的主要外力有重力与浮力,从而对结构产生弯矩和剪力。潜器下潜到较大深度后,作用在艇体上的主要外力是深水压力。由于潜器的横向强度很大,且潜器一般不会过长,所以潜器一般不计算总纵强度。

其他情况下的受力:修理;打捞;抓重物;内部振动。

2.潜器结构的组成

由于潜器活动于水面,又活动于水下,所以潜器结构有耐压结构和非耐压结构之分。耐压结构承受深水静压力,它包括耐压壳体、耐压指挥台、耐压水舱、耐压舱壁等。非耐压结构是指不承受深水压力的结构,它包括水密结构与非水密结构。

(1)水密结构主要包括艏艉端及舷间的压载水舱、燃油舱、燃油压载水舱以及耐压体内的非耐压液舱结构。

(2)非水密结构主要有上层建筑、指挥台围壳及艏艉端结构。

3.潜器结构的破坏形式

结构破坏形式有:应力集中、壳体屈曲、总体失稳、振动破坏、锥壳失稳、锥柱结合处破坏等。

圆柱形耐压壳体失稳:由于荷载和结构的轴对称,圆周上的变形也是轴对称的,即出现压缩变形而不产生弯曲。

保证耐压壳体的稳定性的方法:

(1)环向肋骨。

(2)中间环向支骨。

(3)纵骨。

4.耐压壳体

当潜器下潜到一定深度时,其密闭壳体受到相应的静水压力,压力大小与下潜深度成比例,为使潜器在静水压力下不遭到破坏,潜器的密闭壳体必须能承受规定的极限深度的水压力。因此,该壳体是耐压的,称为耐压壳体或耐压船体。

耐压壳体的形状由受力、舱室设备布置、建造工艺及外形等因素所决定。有圆形、椭圆形、矩形、半圆形及它们的组合形状,如图2-35所示。

5.耐压壳体的构造

耐压壳体由壳板及骨架组成,在较长的舱段,还设置特大肋骨。通常柱形壳体上的骨架是环向肋骨,这种结构称为普通环肋壳体。为了提高壳板的稳定性,在环向肋骨中间加设中间支骨,称为带中间支骨的环肋壳体。

各构造的作用:

(1)壳体:水密、空间、强度和稳性。

(2)骨架:壳体的稳定性和正确形状,抗震、抗爆及承受局部荷载。

(3)环向肋骨和纵骨:抵抗壳体均匀收缩(纵向与圆周),弯曲壳体;提高壳体稳定性。

图2-35 耐压壳体的结构形式

6.耐压水舱

潜器如何下潜或上升的原理是众所周知的,潜器在水下状态时,需要通过调节水舱调整重心位置保持艇体浮态,调节水舱必须与舷外水隔离,因此调节水舱必须是耐压结构。

1)耐压水舱的结构组成

耐压水舱由耐压壳板、骨架、托板、横向隔壁及中央龙骨等组成。

2)各组成的作用

水密:壳体和横向隔壁;

强度及稳性:壳体、骨架、托板、横向舱壁;

分隔水舱:横向舱壁;中央龙骨分隔左右舷水舱。

3)耐压水舱的结构形式

耐压水舱结构有托板式、实肋板式和纵骨式。

2.5 海洋平台实例

在本章的前面内容中,我们介绍了多种平台的受力状态和结构特点,现在通过一些实际的例子来对平台结构加深了解。本节给出5个海洋活动式平台的实例,其目的是在前几节理论学习的基础上,对活动式平台具体工程有全面的了解。

在中等水深海域,常用圆柱形桩腿的插桩自升式平台和带沉垫的自升式平台。圆柱形桩腿的平台,我国拥有“渤海1号”、“渤海5号”和“渤海7号”等;带沉垫的自升式平台,我国拥有“渤海6号”和“渤海8号”等;桁架型桩腿自升式平台,我国拥有“南海1号”、“南海2号”、“南海3号”、“渤海4号”、“勘探2号”等。介绍其中的“渤海5号”和“南海3号”。

在深水海域,主要使用半潜式平台,我国拥有“勘探3号”、“南海2号”和“南海5号”等,以下介绍“勘探3号”。

在极浅水(0~5.0m)海域,以坐底式平台为多,我国拥有“胜利1号”、“胜利2号”、“胜利3号”和“胜利4号”等。以下介绍“胜利1号”和“胜利2号”。

以上平台各有其特点,具有典型性和代表性,同时也是当前世界上海洋开发中常用的活动式平台,在介绍中主要突出平台的设计依据,环境条件,主尺度,结构形式和主要性能参数。

1.自升式钻井平台实例

1)“渤海5号”自升式钻井平台

图2-36 自升式平台总布置图

“渤海5号”为中国渤海石油公司设计,1983年由大连造船厂建造。它是一艘圆柱形桩腿、液压升降、非自航的自升式石油钻井平台,其船体为矩形驳船式,共有4条桩腿,由于它是针对我国渤海海域设计的,最大工作水深为40m,所以也称为40型,与该平台同型的尚有“渤海7号”,也为大连造船厂建造。该平台由我国和挪威船级社监造、检验,并具有上述两船级社的双重船级(见图2-36)。

(1)设计环境条件。

平台工作水深为5.5~40m。

极限风浪条件:风速45m/s。波高11m,潮流速度4kn。

升船风浪条件:风速8~9m/s,波高<1m。

拖航风浪条件:风速17m/s,波高<6m。

设计最低大气温度为-15℃,水温为-2℃。

以下介绍请参阅图2-35。

①主尺度。

平台:总长×总宽=76m×46.6m。

船体:长×宽×型深=57.6m×34m× 5.5m。

桩腿直径3m,总长78m,桩腿中心横向间距27.4m,纵向间距34.8m。

直升机平台尺寸为17.2m×21.0m,非口槽尺寸为11.0m×8.4m。

②平台结构。

船体结构是一个矩形驳船型船体(见图2-37),首端以悬臂形式伸出一个直升机平台,尾端开有凹形井口槽。左右舷共设4个桩腿布置区,布置桩孔和升降装置。在船体主甲板上,沿井口槽边缘的两条纵向轨道,安放一个能够纵向移动的下井架底座,其上安放一个能够横向移动的上井架底座,上井架底座上安装有井架和钻井设备。主甲板的中间部分是管子堆放场,测井设备摆放区。靠左右舷各有起重吊车一台。船艉部左舷有试油平台。右舷有泥浆振动筛、除砂器、除气器。船艏是三层生活区,其顶部是中央控制室,机械甲板布置有柴油机-发电机组、配电室、锅炉、空压机、冷冻装置、泥浆泵、固井泵、水泥罐、泥浆池、土粉罐、机修设备等(见图2-38)。

图2-37 平台上甲板布置图

图2-38 机舱布置图

整个驳船船体为一箱型结构,连接4条桩腿的箱型主桁为主要受力结构,基本构件沿主桁布置,其余部分之甲板、底板均为纵向结构,主桁部分及泥浆舱部分设有双底层。

桩腿为圆柱形结构,共有4排销孔。桩腿横向布置各种环筋,在上、下固桩段较为密集;桩腿外板最大厚度为50mm,最小厚度为30mm,全部桩腿用902高强筋;桩腿下部设有一倒锅底封底结构,其球形内径为1.83m,球面与柱面相交点离桩腿底面5.5m。

(2)主要性能和参数。

①正常作业工况最大钻井深度6 000m,平台结构及设备重量为46 047.6kN,最大可变荷载为19 500kN(包括钻井大钩荷载4 500kN)。

舱室容积和储存能力:淡水391.7m3,钻井用水170.3m3,泥浆175~270m3,燃油365.4m3,润滑油20.4m3,液压油44.7m3,水泥87~111m3,重晶石、土粉111~120m3,定员86人,粮食200kN,自持能力为20天,钻井满载作业重量约54 000kN。

②风暴自存工况平台结构及设备重46 047.6kN,可变荷载10 000kN,人员及粮食200kN,大钩及立根盒无荷载。

③拖航工况:

一般拖航:风速为45m/s,满载排水量约6 385t,满载拖航吃水3.5m,重心允许高度19m,桩腿端部与船体基线齐平。

风暴拖航:风速为51.4m/s,拖航排水量5 640t,远距离拖航吃水3.9m,重心允许高度21.2m,桩腿端部与船体基线齐平。

④平台升、降工况:

海况条件:风速≤8m/s,波高≤1m,潮流流速≤2kn。

桩腿在下放过程中,为避免与海底冲撞,限制平台最大横摇角为1.04°,摇摆周期为9.35s。

平台预压时吃水为0.5~0.6m;预压荷载每个桩腿为21 000kN;预压后要求桩腿入泥深度加上水深不超过52m;桩腿设计最大入土深度为12m。平台升船能力50 000kN;最大升船高度为8m,一般作业时根据波高、天文潮、风暴潮潮高确定。

降船时升降装置的操作与升船时相同,降船时最大可变荷载不得大于6 900kN。

拔桩前必须冲桩30~45min,冲桩压力不能大于640kN/cm2。桩腿已确认松动后,先提起两个节距,待4个桩腿都松动后,同时提桩至最高位置,即桩端与船体基线平。

2)“南海3号”自升式钻井平台

“南海3号”、“南海1号”、“南海4号”和“渤海4号”等,同属于Robinloh-300型非自航深水自升式钻井平台,其特征是三角形船体,有三根三角形桁架式桩腿,电动齿条升降。“南海3号”于1979年由中国海洋石油公司南海西部公司引进,并取得美国船级社的证书。

设计环境条件如下所述:

对于深水桁架桩腿自升式平台,工作水深一般采用60m,75m,90m,115m分级,在每个级别中,设计水深又根据风速、波高给出两种状态:第Ⅰ风暴状态最大工作水深条件,第Ⅱ风暴状态工作水深条件,它们都对应有自己的风速和波高。

“南海3号”环境条件为:

工作水深91.5m,风速56.1m,波高15.3m,周期10s,潮流流速3kn。

工作水深76.2m,风速49.38m/s,波高16.9m,周期11s,潮流流速3kn。

工作水深范围:10~91.5m。

(1)平台主尺度。

平台船体尺寸:长×宽×型深=65.0m×64.62m×7.9m

桩腿尺寸:总长127m(包括桩靴),桩腿截面为三角形,边长10.6m,弦杆直径0.762m,水平主拉筋直径0.324m,斜撑直径0.298m,根部桩靴直径16.46m。

井口槽尺寸为15.84m×15m×28m,直升机平台为22.3m×22.7m。

(2)平台结构。

由于船体为三角形,其结构不可能采用简单的纵横式结构,而是一个特殊的综合式结构。船体由几种类似的模块组成,主隔壁、水密舱壁、桁材和加强筋基本平行于某几个方向,同时节点数量最少,模块组件围绕中心三角形逐渐向外安装,使受力、布建造达到较好的效果。

桁架型桩腿对深水(60m以上)自升式平台是最适合的形式,“南海3号”采用三角形桁架桩腿。桁架桩腿由弦杆和斜拉撑组成。弦杆采用两块近半圆的钢管焊接而成,升降齿条被夹焊在半圆管的中间。桁架水平节距为5.5m,管与管之间采用铸钢接头,可减少节点应力集中,改善焊缝受力情况,而且采用了双齿条式,它平衡了齿轮与齿条啮合的水平推力。平台的轴向力和弯矩主要靠弦杆承受。水平力则由横向、斜向拉筋承受。

“南海3号”采用圆锥形桩靴,直径较大,高度较小(4.7m);桩靴上、下均呈锥形。上部锥形坡度为1∶3,有利于覆盖土的自动下滑,以减少拔力。下部锥形有利于在较硬土层上的插入,并保证插深较浅时反力仍通过桩腿中心,桩靴单位面积承载力为220~240kN/m2。桩靴底部设有12~16个孔径50mm的喷冲口,冲水压力为60~70N/cm2。在平台拖航时,桩靴被收回到船体内。

为了传递桩腿应力,桩靴底板上设3根互成120°布置的径向强梁,两强梁间设3根间距为30°的径向次梁,沿周向每隔60cm设一个“T”形环梁,形成蜘蛛网状结构。下底尖部钢板厚7.5cm。

(3)平台主要性能和参数。

最大钻井深度:6 000m。平台总吨位7 070t,其中三条桩腿21 516kN(每根桩腿的桩靴重1 949kN,桁架重5 223kN)。

可变荷载:升降状态为10 750kN,钻井状态为16 250kN,风暴自存为11 750kN。

其他:燃油861.5m3,淡水513.4m3,定员108人。

平台漂浮工况:设计最大风速为100kn(51.5m/s),远距离拖航风速为70kn(36m/s),近距离拖航风速为50kn(26.8m/s),平台拖航在风速中的运动数值如表2-1所示。

表2-1 平台拖航在风速中的运动数值

平台拖航吃水(包括桩靴):

①正常拖航状态,吃水9.41m。

②满载拖航状态,吃水9.90m。

③油田内拖航状态,吃水9.91m。

平台着底时性能参数:

①预压荷载为47 000kN,单位面积承压力220kN/m2

②风暴状态垂直荷载42 500kN,单位面积承受压力280kN/m2

③平台抗衡稳性指标如表2-2所示。

表2-2 平台抗衡稳性指标

2.半潜式钻井平台实例

“勘探3号”为中国海洋地质调查局所拥有,由中国船舶总公司708研究所负责设计,上海造船厂建造。它是一艘六立柱,双下船体。量矩形的非自航半潜式钻井平台。该平台由我国和美国船级社检验入级(见图2-39)。

1)设计环境条件

“勘探3号”针对我国东海和南海海域设计,设计最大水深为200m,坐底作业时最小工作水深为35m。

设计极限海况:风速为51.6m/s,波高5m,潮流流速3kn,最大潮差6m。

拖航条件与正常钻井条件相同。

工作环境温度:最高气温35℃,最低气温-20℃,水温为0~30℃。

平台基本情况如图2-38所示。

2)平台主尺度

平台总长×总宽×总高=91m×71m×100m(总高是自沉垫基线至井架顶端)。

上部平台为矩形田字箱型结构,其长×宽×型深=72.0m×63.7m×5.2m,主甲板高(距基线)30.0m,上甲板高(距基线)35.2m。

平台共有6根圆形立柱,分布于平台两侧,每侧有一个中立柱和两个端立柱,立柱顶端与上平台连接,两个中立柱下端过渡成方形与沉垫连接,四个端立柱下端插入沉垫内部。

立柱直径:φ9.0m;

立柱高度:24.0m;

图2-39 勘探3号

立柱中心横向间距:50.0m;

立柱中心纵向间距:2×31.0m。

沉垫为带小圆角的矩形剖面,前后端为半圆形的两艘驳船。每个沉垫的尺寸:长×宽×型深=99.0m×14.0m×6.0m。

平台共有18根圆管形剖面的桁撑,分别与上部平台,立柱与沉垫相连接。其中,水平桁撑直径为φ2.0m,壁厚为10mm;垂向桁撑直径为φ1.5m,壁厚8mm。

3)平台结构

(1)上部平台。

上部平台开有5个大孔,其中一个在平台中央为井口,其余4个开孔铺有网格板,根据部位的不同采用纵、横骨架式,相应设有横、纵连接。上部平台由主甲板、上甲板以及前后、左右横壁和侧壁组成田字箱型结构。所有主要舱壁均为水平骨架式:一般内围壁为垂向骨架式。主甲板上除为钻井服务的工作舱室外,还设有餐厨冷冻机室、空调机间以及生活舱室等。中间甲板有生活舱室,艏艉救生平台有4只40人封闭式救生艇以及一只30人机动工作艇。上甲板有钻台、50吨液压桁车、井场、起重机、地质楼、设备堆放场和电测平台等。此外,上甲板艏部的三层上层建筑作为工作和生活舱室、会议室和娱乐室。上层建筑的顶甲板向船艏延伸、由5道纵向桁架支撑,形成18.6m×21.1m的直升机平台。在上甲板的其余处所,还有锚机操纵室及消音器室等。

(2)立柱。

立柱为垂向骨架式。其内有两层水密平台,将立柱分为三个水密空间(端立柱下面两个空间作为调节压载水舱),每隔一定高度还设有圈桁。中立柱内部有一个大通道,供维修泵舱设备时人员上下使用。端立柱内部有一个小通道通向液位仪舱;中下部设有两个圆形锚链舱;外侧下端设有导链轮和锚架。

(3)沉垫。

沉垫为纵骨架式,每隔2m左右设横框架,沉垫甲板设有纵向水密舱壁。在中部的压载泵舱则以纵向强框架代替。横向设置6道水密横舱壁。所有隔壁均为水平骨架式。除中立柱下面为泵舱、钻井水舱,艏艉立柱下为液位仪舱以及左沉垫有两个淡水舱,右沉垫有两个燃油舱外,左右沉垫还各有10个压载舱。

(4)桁撑。

10根水平横、斜撑直径为2m,其端部直接插入立柱内部,8根垂向及中间斜撑直径为1.5m。端斜撑下端以及中间斜撑上、下端均由圆形过渡到方形。桁撑内部每隔一定距离设加强圈梁。

(5)重要节点。

沉垫、立柱、平台和桁撑之间的接头构成重要的节点。本平台共有8种类型26个节点,大部分节点均有所创新,结构新颖,形式独特,坚固实用,特别是水平十字撑杆的交点为扁球形节点,既可以减少应力集中,又可以减少波浪撞击力和波浪阻力。

4)主要性能和参数

平台最大钻井深度为6 000m,定员为120人。在钻井作业海况下,平台的运动不超过如下数值:升沉为±1.0m,摇摆为±2°,漂移为水深的5%。不同工况下平台排水量、吃水等数据如表2-3所示。

表2-3 不同工况下平台性能参数

平台结构各部分重量如表2-4所示。

表2-4 平台各部分结构的重量

平台满载拖航重量如表2-5所示。

表2-5 平台重量汇总

3.坐底式钻井平台实例

1)“胜利1号”坐底式钻井平台

在20世纪60年代末,我国渤海沿岸相继发现了胜利油田、大港油田和辽河油田,勘探表明,有层构造均由海中延伸,而当时拥有的海上钻井平台最小工作水深皆大于6.0m,为此在1975年由天津大学和胜利油田共同研制出我国第一艘极浅海坐底式钻井平台,由烟台造船厂建造,经中国船舶检验局青岛分局检验合格,于1979年正式投产。

“胜利1号”是针对莱州湾极浅海的吃水浅、海床坡度缓、淤泥层厚、承载力低的特点,以及浅水破碎波的海洋环境和胜利油田的实际情况要求,选用了大沉垫、细支柱、轻型梁板式上层平台,带抗滑桩的结构形式。“胜利1号”坐底式平台在多年的使用中经受了考验,已完成了18口勘探井的钻井工作,证明其性能和结构良好,平台在莱州湾极浅海的海域中,能进得去,坐得稳,浮得起,出得来,达到了原设计的目的要求。

(1)设计环境条件。

平台工作水深:1.5~5.0m(包括高潮)。

风浪条件:

①坐底状态:当满载风暴时,设计风速为31.0m/s,波高为3.0m,潮流流速为2.0kn。当计算整体抗倾稳定时,风速为60.6m/s。当正常钻井时,设计风速为19.0m/s(8级风),波高为2.0m,潮流流速为2.0kn。

②拖航状态:风速不大于6级。

③沉浮状态:风速不大于4级。

海底土壤:海底以下0.5~3m为淤泥层,淤泥层下面为粉砂,海床坡度为1/1 000。

地震:8级烈度。

(2)平台主尺度。

主体尺度:长×宽×高=56.5m×24m×9.5m。

上层平台:长×宽=56.5m×24.0m。

沉垫尺寸:长×宽×型深=45m×24m×2.5m。

井口槽尺寸:上层平台为4.0m×2.0m,沉垫为13.5m×6m。

支柱尺寸:全部为φ426mm×7mm。

抗滑桩共4根,每根长×宽×高=1.88m×0.9m×20.26m,设计入土深度7.0m。

(3)平台结构。

“胜利1号”是固定甲板高度、沉浮坐底式钻井平台,非自航,无冰期钻井,主体结构由上层平台、支柱、沉垫和抗滑桩组成。

①上层平台。

由于本平台要求在极浅海域工作,上部重量应尽量轻,所以上层平台采用单层甲板,设有600mm×200mm的矩形主梁,纵向主梁间设次梁,小梁横向排列。重载区采用局部加强,井口为4m×2m的矩形,并设有井口操作平台。船艏有锚机平台,船艉悬出沉垫之外。在井架底座下有两条工字梁,上面放置井架液压调平装置。

②支撑结构。

支撑结构由立柱和斜撑组成,它们采用φ426mm×7mm的螺线钢管。管的两端采用节点箱与沉垫甲板和平台甲板相连接。立柱57根。斜撑28根。立柱纵向间距为6m,横向间距中间为6m,两侧为7.5m。船艏、艉各有悬臂三角支架。

③沉垫。

沉垫为矩形,沉垫内有4道全通纵舱壁、5道全通横舱壁、2道半通舱壁把沉垫分隔成18个舱室,其中泵舱1个、淡水舱4个、柴油舱2个。其余为海水压载舱。沉垫甲板设1%B(平台宽)的梁拱。船中开有φ1.0m的翻泥孔,泵舱有φ1.6m的通道与平台甲板相连。

④抗滑桩。

抗滑桩为一矩形截面的短粗桩。桩体分上、下两部分,下部桩体长9.6m,为一完整的1.88m×0.9m的矩形截面;上部桩体长10.75m,由两个分桩组成,每个分桩截面为0.45m× 0.9m。两分桩中间留有0.9m×0.9m的空隙,以便升降桩时通过升降装置,分桩内侧设有圆形销孔,直径φ130mm,间距1.0m。

(4)主要性能和参数。

该平台最大钻井深度3 200m,定员90人,自持能力为20天,坐底一次可钻两口井,具有钻井、测井、固井等生产能力。

平台漂浮时主要性能如表2-6所示。

表2-6 平台漂浮时主要性能

平台坐底稳性指标:抗倾安全系数4.5,地基承载力安全系数1.44,抗滑安全系数2.24。

本平台压载舱净容积为1 375m3,可得最大海水压载量14 100kN,平台沉浮历时约4小时,整个平台重量如表2-7所示。

表2-7 平台重量汇总 (单位:kN)

2)“胜利2号”坐底式钻井平台

“胜利2号”是1982年由胜利油田和上海交通大学联合设计,青岛北海船厂建造,于1988 年10月投产。

该平台是一艘水陆两栖步行坐底式钻井平台,也可以说是具有内体和外体的特殊形式的双体船。平台内、外体内锁紧装置相联结,脱开锁紧装置,内、外体可借助一套步行机械和液压系统实现步行的各种动作。内、外体都由沉垫、支撑结构和甲板组成。沉垫为箱式浮体,为漂浮时提供浮力,并为步行和坐底时提供足够大的支承面积。通过压载系统可将舷外海水注入沉垫中的压载舱,或从其中排出,以实现沉浮作业。平台甲板由立柱等支撑结构托出水面一定高度。钻井设备、作业现场、生活设施、柴油发电机、液压站等均设在内体甲板上,为保证外体的强度与刚度,其甲板采用箱形结构。甲板上布置有步行轨道和各种船舶设备(锚、救生艇、起重机等)。

(1)设计环境条件。

最大作业水深6.8m(包括潮高),最小工作水深为0m(海滩)。

最大设计风速45m/s,最大波高3.5m,最大潮流流速2kn。

海床地基要求平坦,海底坡度较缓。

(2)平台主尺度。

外体:沉垫72m×42.5m×2.5m(内部开口62m×2.81m);甲板72m×42.5m×2.5m(内部开口62m×2.81m);箱形甲板72m×34.1m×2.5m,内部开口62m×2.81m,甲板至沉垫基线高12.6m。

内体:沉垫51.78m×27.6m×2.5m(梁拱0.3m;甲板51.78m×27.5m),甲板边线至基线高10.8m。

内外体间隙:0.3m。

沉垫钻井槽口宽度:3m。

峰隙高度:当最大作业水深为6.8m时,峰隙高度为0.56m。

(3)平台结构。

平台分内、外体,其外体为一中空结构。船艉开有钻井槽口,设有悬臂支架和步行结构。内体为箱形结构,内、外体平台和沉垫之间设有立柱、纵斜撑、横斜撑及部分水平撑。外体步行区立柱的纵向间距为4.34m,非步行区6.2m。内体立柱的纵向间距最大为6.2m,横向间距最大为6.6m。

外体左、右纵向的中央各设一道水密纵壁。步行区设强横舱壁左右各10道,水密舱壁左右各6道。内体沉垫设3道纵舱壁及6道纵桁材,4道自左舷通到右舷水密横舱壁以及若干局部水密舱壁。

在内体的船艏、船艉两侧共设4个抗滑桩,每个抗滑桩的长度为21.5m,横截面为矩形,沿船长方向的边长为2m,沿船宽方向的边长为1.2m。每个抗滑桩的重量为265kN,4个桩共1 060kN。桩机系统重量为4×74=296kN。当抗滑桩插桩深度为8.4m时,4个抗滑桩所提供的抗滑力满足抗滑要求。

(4)主要性能及参数。

最大钻井深度4 500m。

排水量及平均吃水:空船排水量4 144t,平均吃水1.5m;远距离拖航排水量5 014t,平均吃水1.81m。

可变荷载:近距离拖航为4 640kN,远距离拖航为1 940kN,步行时(不包括备用锚、救生艇及其艇架、防喷器、橡胶护舷、试油燃烧架等)为1 938kN,坐底钻井时为11 000kN(不包括大钩负荷)。风暴自存时为11 000kN。

步行参数:步行步长10.0m,步行速度60~100m/h。顶升油缸举升能力4×12 000kN或4×10 000kN。步行区海床坡度不大于2.5°,海沟宽度不大于3.0m,沉垫对海床地基压力不大于55kN/m。

平台其他性能如漂浮稳性、坐底稳性(抗倾、抗滑和地基承载能力等)均满足要求。

思 考 题

1.半潜式平台的组合工况有哪些?

2.半潜式平台的上层结构、下部结构和支撑结构分别起到什么作用?其结构型式有哪些?

3.导管架平台的受力荷载有哪些?

4.导管架平台的结构组成有哪些?

5.导管架平台桩的作用是什么?

6.自升式平台的工作状态有哪些?

7.自升式平台的桩腿有哪些型式?各种型式的特点是什么?