半潛式鉆井平臺大型模塊塢墩布置方案研究

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尤為重要。根據大型模塊總組技術的特點，制定了大型模塊進塢后的塢墩布置方案，并運用有限元的方法對模塊的結構強度進行分析，而后對大型模塊總組狀態制定兩種塢墩方案，對比分析兩種方案的特點，最終確定大型模塊總組時采用的塢墩布置方案。

［關鍵詞］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：海洋工程結構設計。

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：海洋工程結構。

引 言

根據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，大型模塊進塢后將首先放置在塢內坐墩，以便安裝提升裝置進行總組；因此，大型模塊的塢墩布置方案能夠合理制定以保證強度的要求就顯得尤為重要［1-4］。本文對大型模塊塢內總組過程中的塢墩布置方案進行研究，首先，對大型模塊進塢后狀態制定了塢墩布置方案，運用有限元的方法對模塊的結構強度進行分析；然后，針對大型模塊總組狀態制定兩種塢墩方案，對比分析兩種方案的特點，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，然后運往上海外高橋造船有限公司進行總組，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。“下船體+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］，每只塢墩設定的位置應在船底縱向和橫向強構架的交叉處。根據大型模塊底部特點，塢墩縱向、橫向均采用直線布置，且塢墩布置應根據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局部破壞，需要結合上船體模塊結構特點與實際施工情況，準確估算上船體模塊的實際質量及其分布；同時考慮作業要求，并根據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強度分析

在上述布置方案的基礎上，運用有限元數值分析技術，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點為簡支約束，對上船體模塊的結構強度進行分析，確定該布墩方案下結構強度滿足要求［5］。

圖2　上船體模塊有限元模型

通過計算可知，上船體模塊結構的最大Von Mises應力為88.9 MPa（如圖3所示），遠小于材料的許用應力，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

根據塢墩布置原則，考慮“下船體+立柱”模塊的結構特點與實際施工情況，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強度分析

在上述布置方案基礎上，運用有限元數值分析技術，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點作為約束點簡支固定（即約束位移，不約束轉角）。載荷為大型模塊自重，不考慮塢墩變形，對“下船體+立柱”模塊的結構強度進行分析，驗證結構強度是否滿足要求。“下船體+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”模塊結構的最大Von Mises應力為22.9 MPa，如圖7所示，遠小于材料的許用應力，故該塢墩布置方案安全可靠。

圖7　“下船體+立柱”模塊Von Mises應力云

2　大型模塊總組狀態塢墩布置方案

上船體模塊和“下船體+立柱”模塊塢內提升總組過程中，整個平臺的質量逐步由“下船體+立柱”模塊塢墩承擔，故該狀態下塢墩的布置及結構設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，必須對立柱下方區域加大水泥塢墩布設的密度，即在每個立柱下方大約18.6 m×15.8 m范圍內布設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，鋼板可采用公司現有的規格為：25×4 000×8 000或25×4 000×12 000的麻點鋼板。

圖8　方案1的塢墩布置示意圖

經過計算，立柱下方塢墩的受力情況基本上都在許用范圍之內，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代表左側浮筒結構的中心線）。

表1　左后立柱區域塢墩支承力t

根據方案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。由計算結果可知，通過重新布置塢墩的數量和位置，可以滿足水泥塢墩的強度要求，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，造成后續施工及塢墩移動困難，可在保持該方案塢墩布置數量和位置的前提下，在受力最大的立柱下方采用鋼塢墩的形式。考慮到鋼塢墩的承載能力較水泥塢墩強，其立柱下方的鋼塢墩布置密度可適當減少，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構型式，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；側板為相應尺度的梯形板。塢墩內部為防止受壓屈曲，設置直徑為200 mm的圓柱，壁厚16 mm。為將壓力均勻傳遞，在塢墩內靠近頂板位置設置肘板以過渡。由于側板不起主要支承作用，在側板距離底部200 mm處開挖800×450人孔，以減輕結構質量并便于施工人員出入。鋼制塢墩有限元模型如圖11所示。對鋼制塢墩進行有限元強度分析，只考慮靜態載荷的作用，即塢墩所承受的最大壓力，獲得最大的Von Mises應力為214 MPa，出現在支柱上，具體位置如圖12所示。計算求得的最大應力小于材料的許用應力，滿足結構強度要求。應力云圖見圖12 -圖14所示。

圖11　塢墩結構示意圖

圖12　支柱Von Mises應力云圖

圖13　底板Von Mises應力云圖

圖14　側板Von Mises應力云圖

2.3兩種方案對比分析

根據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，塢墩的布置和結構型式采用方案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。在各項性能上均優于水泥塢墩密布的布置方案。雖然成本略高，但鑒于其布設的方便性以及今后海洋工程發展的需要，其成本尚屬可控范圍之內；因此該方案可作為一種可行替代方案備用。

3　結 論

本文根據半潛式鉆井平臺大型模塊的結構特點制定了大型模塊塢內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，并對大型模塊的強度進行分析，證明在該塢墩布置方案下大型模塊的結構強度滿足要求，該方案切實可行。

（2）在大型模塊總組狀態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。通過對兩種方案進行對比、分析，方案2的性能優于方案1，但考慮到經濟性等原因，本文則選用方案1的塢墩布置方案。

［參考文獻］

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［2］ 陳剛，吳曉源. 深水半潛式鉆井平臺的設計和建造研究.［J］ 船舶與海洋工程，2012（1）：9-14.

［3］ 周貴斌，王樹青，成斌. 半潛式起重平臺上船體吊裝有限元強度分析［J］. 船舶，2011（1）：54-56.

［4］ 鄧波，陳獻軍，王輝輝. 船舶入浮船塢的塢墩優化布置［J］ .造船技術，2008（6）：22-23.

［5］ 王福花，朱云翔，王維. 大型艦船坐塢強度衡準與計算方法.［J］ 中國造船，2009，49：83-90.

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

［文獻標志碼］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：海洋工程結構、海管。