自升式钻井平台结构设计规范规则研究

近些年，海洋工程市场异常活跃，国内各大船厂相继承接各种海洋工程项目，也逐步将海洋工程作为各大船企发展的一个主要方向。自升式钻井平台作为海洋工程项目中的主力船型之一，也是国内建造数量较多的海洋工程项目，但由于国内船厂涉足自升式钻井平台的时间较短，现在国内船厂建造的绝大部分自升式钻井平台的基本设计都是由美国和欧洲设计公司完成。本文希望通过对自升式钻井平台结构设计需满足的规范规则研究，进一步提高我们自升式钻井平台结构设计的能力，以达到自主完成自升式钻井平台结构设计的水平。
1.自升式钻井平台简介
自升式钻井平台是一种用于海上石油和天然气勘探、开采工程作业的钻井装置，其可以依靠自身的升降系统完成主体结构的上下升降作业，以达到在不同深度的海域作业的要求。自升式钻井平台主要由主船体、上层建筑、桩靴、桩腿、升降系统结构、悬臂梁、钻台、和直升机平台几大部分组成。
2自升式钻井平台结构设计需要满足的规范规则研究
在自升式钻井平台结构设计中，主要包括结构强度计算、材料选取、焊接设计三大方面。下面我们就按照上述三大方面内容进行相关研究。
2.1结构强度计算
下面我们就按照自升式钻井平台的几大组成部分的结构设计需要满足的规范规则分别进行研究。
2.1.1主船体结构及上层建筑结构设计
自升式钻井平台的主船体结构与上层建筑结构与船舶产品基本类似，这两个部位的结构强度计算主要被分为：有限元强度分析、结构疲劳及屈曲校核以及结构规范计算。
（１）有限元强度分析
该项分析利用专业的有限元软件，依据初步结构图纸，建立主船体和上层建筑的模型，在模型中加载主船体各种工况下受到的不同载荷，确定结构强度是否满足要求。这些载荷主要包括设计载荷、环境载荷和重力载荷。设计载荷主要是主要依据说明书中对各种工况的要求确定，重力载荷中的平台重量等可以按照平台实际重量确定；环境载荷及重力载荷中的甲板载荷则需要按照相关的规范规则来确定，具体涉及如下规范规则：
● 船级社规范
对于环境载荷，包括风载荷、波浪载荷和海流载荷，各大船级的平台规范中都有明确的计算公式，载荷选取可以按照公式进行计算，只不过每个船级社的公式和系数选取可能有些不同，得出的结果可能稍微有些差别，因此，我们在载荷选取时，应按照平台入级船级社的规范进行计算。
对于甲板载荷，各大船级社的规范中也都根据不同部位给出了明确的载荷大小，但该载荷一般是最小要求，当规范中的载荷大小与技术规格书或甲板载荷图有冲突时，一般以后者为准。
最后，在有限元计算得到的结果需要根据船级社规范规定的强度衡准校核强度。
● IMO MODU(国际海事组织可移动海上钻井平台建造和装备法则)
该法则关于环境载荷及甲板载荷也有相关规定，但根据对于，其规定与船级社规范基本一致，因此，在计算过程中，仅需作为参考。
● ASIC（建筑用钢结构设计、制造、装配规范）
在有限元计算得到的结果除了按照规范规定的强度衡准校核外，还应该参考ASIC进行校核。
（２）疲劳及屈曲校核
结构疲劳及屈曲校核只能根据船级社规范进行相应的校核。
（３）结构规范计算
对于主船体和上层建筑内部的一般构件来说，仅需要按照船级社规范来计算构件的规格。通过研究各大船级社的规范，发现大部分船级社的海上移动平台入级与建造规范中关于构件尺寸计算的公式都与船舶建造规范一致，而从自升式钻井平台自身的特点来看，其受力情况与船舶存在一些不同，因此，部分构件的规格选取应该区别于船舶产品。这个问题在我们已经建造的平台中经常出现，部分构件规格如果按照船级社规范计算是无法满足要求的，但船级社审图方面也认可我们的图纸，但偶尔也存在双方对于规范计算意见的不统一，因此，也希望船级社方面在重新编写海上移动平台入级与建造规范时，对于构件规格的计算公式可以进行修改。
2.1.2桩靴、桩腿、升降系统结构、悬臂梁、钻台设计
由于桩靴、桩腿、升降系统结构、悬臂梁、钻台结构都是自升式钻井平台所独有的结构，这些结构的受力完全取决于平台的各种工况，因此，每条平台的上述结构可能都不尽相同，因此，无法利用经验公式进行强度校核，只能根据前一节提到的各种载荷，进行有限元强度分析，并做相应的疲劳及屈曲校核。因此，在进行这些结构设计时，需要参考的规范规则主要有：船级社规范、IMO MODU (国际海事组织可移动海上钻井平台建造和装备法则)、ASIC（建筑用钢结构设计、制造、装配规范）。
2.1.3 直升机平台结构
在计算直升机平台结构强度时，除了需要考虑上节提到的各种规范、规则外，还需要考虑船旗国海上飞行安全规定。如业主有特殊要求，还需要满足英国民用航空手册CAP437等一些特定的规则要求，这些要求都有可能对于直升机平台尺寸、载荷选取产生影响。
2.1.4 其他附属结构
由于自升式钻井平台上设备众多，一些大型设备的基座及加强也需要考虑，这些设备加强结构的设计除需要满足前面所说的规范、规则外，还需要考虑各个设备的一些特殊规定。
●吊机基座，设计时需要按照美国石油协会（API）海上起重设备规范进行设计。
●救生艇架加强结构，设计时需要按照IMO《国际救生设备规则》选取设计载荷。
●系泊设备加强结构，OCIMF（石油公司国际海上论坛出版物）关于系泊设备的相关规定。

2.2 材料选取
结构材料的选取是自升式钻井平台设计的重要环节之一，由于平台对重量的要求比较严格，为了降低重量，要求尽可能选择高强度的钢材，以减小构件规格，因此，在自升式钻井平台的结构中，我们可能使用到钢材级别非常高的钢板。
通过研究不同船级社规范中对于材料选取的相关要求，在自升式钻井平台结构钢材选取的思路基本一致。具体如下：
首先，根据构件所承受的载荷、应力水平及模式、关键载荷传递和应力集中以及失效后果，所有平台结构构件可分为：
（1） 次要构件：其失效不可能影响平台结构整体完整性的不重要的构件；
（2） 主要构件：对平台结构整体完整性有重要作用的构件；
（3） 特殊构件；在关键载荷传递点和应力集中处的主要构件。
对于自升式平台来说，其内部结构构件划分如下：
（1） 次要构件：
① 柱形桩腿内部骨架，包括隔壁和桁材；
② 平台主体内部舱壁和骨架（作为主要构件者除外）；
③ 桩靴或沉垫支承结构的内部舱壁和骨架（作为主要或特殊构件者除外）；
④ 平台主体甲板板、舷侧板和底板（作为主要构件者除外）；
⑤ 直升机甲板和甲板室；
⑥ 救生艇平台。
（2） 主要构件：
① 柱形桩腿的外板；
② 桁架式桩腿的全部骨材；
③ 平台主体中组成箱型或工字型主支承结构的舱壁板、甲板板、舷侧板及底板；
④ 升降机座的支撑结构；
⑤ 桩靴或沉垫的外板，以及最初传递桩腿载荷的构件；
⑥ 将主要集中载荷或均布载荷分散到结构中去的桩靴或沉垫支承结构的内部舱壁和骨架；
⑦ 悬臂式直升机甲板和救生艇平台；
⑧ 重型底座和设备支撑，如钻台基座，钻井悬臂梁和起重机座。
（3） 特殊构件：
① 与沉垫或桩靴相连接部分的桩腿垂直结构；
② 含有新颖构造桁架式桩腿结构中的连接部位，包括使用的铸钢件。
然后，根据技术规格书确定结构设计温度。考虑桩靴结构在实际作业中始终处于海水中，其设计温度可以考虑为0摄氏度，而不需要按照技术规格书规定的设计温度执行。
最后，根据构件类别、最低设计温度和厚度按照相应的表格选用合适等级的钢材。但每个船级社提供的板厚与材料等级的关系不尽相同，因此，平台入级船级社的选取对于平台材料的订货还是有一定影响的，在材料级别选取时，应特别注意。下面就简单列举CCS、ABS和DNV船级社的材料选取表格。
●CCS船级社
构件类别和最低设计温度下的各钢材级别对应的材料厚度限制（mm）
构件类别 最低设计温度
钢材等级 0℃ -10℃ -20℃ -30℃ -40℃ -50℃
A 30 20 10 × × ×
B 40 30 20 10 × ×
D 50 50 45 35 25 15
E 50 50 50 50 45 35
AH 40 30 20 10 × ×
次要 DH 50 50 45 35 25 15
构件 EH 50 50 50 50 45 35
FH 50 50 50 50 50 50
AQ DQ
EQ FQ 40 50 50 50 25 45 50 50 10 35 50 50 × 25 45 50 × 15 35 50 × × 25 45
A 20 10 × × × ×
B 25 20 10 × × ×
D 45 40 30 20 10 ×
E 50 50 50 40 30 20
AH 25 20 10 × × ×
主要 DH 45 40 30 20 10 ×
构件 EH 50 50 50 40 30 20
FH 50 50 50 50 50 40
AQ DQ
EQ FQ 20 45 50 50 × 35 50 50 × 25 45 50 × 15 35 50 × × 25 45 × × 15 35
A × × × × × ×
B 15 × × × × ×
D 30 20 10 × × ×
E 50 45 35 25 15 ×
AH 15 × × × × ×
特殊 DH 30 20 10 × × ×
构件 EH 50 45 35 25 15 ×
FH 50 50 50 50 40 30
AQ DQ

另外，由于船级社规范中对于自升式平台钻井平台结构使用的钢管没有做明确规定，因此，结合以往我们建造的平台经验，平台结构使用的钢管一般按照美国石油协会API 5L标准选取，需要特别注意的是，API 5L标准对于钢管的低温冲击试验要求无法达到船级社规范对于材料低温冲击试验的要求，所以，一般在使用钢管及订货时，需要额外注明材料低温试验要求。
2.3 焊接
自升式钻井平台结构焊接设计主要是依据船级社规范以及AWS D1.1（美国焊接协会结构焊接标准）执行，通过研究两个规范的差异发现，两者要求基本一致，因此，结构焊接设计一般按照船级社规范执行即可。但有如下注意事项：
1、由于自升式钻井平台结构的特殊性，对于受力较大或应力集中的部位需要全焊透，而船级社规范中对于需要全焊透的区域的描述不是很全面，因此，在设计中需要结合以往经验和结构受力情况，适当增加全焊透区域范围。
2、对于角接焊接焊脚尺寸的选择，各船级社规范中的要求基本一致——焊喉尺寸尺寸=焊接系数*母材板厚。但焊接系数的选取在每个船级社规范中是不一致的，需要特别注意。
3、自升式钻井平台使用的钢管桁架结构相对于船舶产品来说比较多，各大船级社对于钢管焊接节点的描述不是非常全面，因此，一般应参照AWS D1.1中相关内容的描述。
2.４ 小结
从前面的研究内容可以看出，自升式钻井平台结构设计与船舶产品结构设计所需要满足的规范规则基本一致，唯独需要增加API（美国石油协会）规范中部分章节的一些规定；另外，在设计过程，还应该充分征求业主的意见，满足业主使用要求。