（机械工程专业论文）海洋钻井平台稳定性分析研究.pdf

中文摘要 论文题目：海洋钻井平台稳定性分秽r 研究 专业：机械工程 批，上 硕士生：蔡宏( 签名) 堡丝。： 指导教师：鲍泽富( 签名) 囱逊匣 马广蛇( 签名) 当士蝴 川删删j j j i | 舢删删 y 2 2 6 4 9 17 摘要 陆上油气资源经过长期、大规模开发之后，世界范围内的油气勘探与开发已转向了 广袤的海洋，并逐渐形成了投资高、风险大、高新技术密集的能源工业领域。海洋平台 是海洋油气田开发的主要装备之一。无论是在施工过程中，还是在服役期间，都要经受 来自海洋环境中的风、波浪、海流、海冰，甚至于地震、海啸等的载荷作用。这些海洋 环境载荷有时会产生巨大的破坏力，以至影响海上正常作业和海上油气的正常生产，因 此海上作业安全尤为重要。海洋钻井平台作为海上油气勘探和开采的重要工具，其稳定 性至关重要。本文根据中国船级社对海洋钻井平台的标准和要求，针对作业于渤海湾的 中油海6 2 平台做稳定性分析研究。应用a n s y s 软件直接对海洋环境载荷作用下的平台进 行有限元分析，建模简单、计算精度高。可以方便地考虑载荷的随机性，是进行平台设 计和校核的有效工具。从完整稳性、破舱稳性和坐底稳性三个方面分析了海洋钻井平台 的稳定性。通过这三个方面的分析，可知该平台稳定性满足中国船级社要求，平台的稳 定性良好。并掌握海洋钻井平台稳定性的分析方法。 关键词：钻井平台，环境载荷，稳定性 英文摘要 s u b j e c t：a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho t h es t a b i l i t ) ，o fs e ad r i l h gp l a t f o r m s p e c i a h 锣：m e c h a n i c a le n g i n e i n n a m e ：c a ih o n g ( s i g n a t u r e ) i n s t n c t o r ：b a oz e f u ( s i g n a t l l l l e ) m ag u a n g c h a n ( s i 酗 a b s t r a c t 以洲 w i mo n s h o r eo i lr e s o l l r c e s g o 吐l r o u g h1 0 n g - t e r n la n dt h e1 a 唱e s c a l ed e v e l o p m e n t ， w o r l d 、i d eo i le x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n th a l st u m e dt om ev a s to c e a n ，a n d 伊a d u a l l yf o n i l e d a e n e 玛yi n d u s 仃y n e wf i e l d s 、杭t l l r i s k y a n d l l i 曲 i n v e s t r l l e n t ，i l i 曲 t e c l l i l o l o g y i n t e n s i v e o f r s h o r ep l a t f o mi so n eo ft h em a i l le q u i p m e n t 。b o t l li nt h ec o n s 协l c t i o np r o c e s so r d u r i n gs e i c e ，t l l ep l a t f o mm u s tw i m s 切n dt h em 撕n ee n v i r o i l l i l e n tf r o mw i n d ，w a v e s ， c u e n t s ，s e ai c e ，a n de v e ne a r t h q j l a k e s ，t s u n a m i sa n do t l l e rl o a d s t h ed e s t r i l c t i v ec a u s e db y t l l ee n v i r o m e n tl o a di ss ol a r g et h a tt h e ya f r e c tt h en o m l a lo p e r a t i o n sa ts e aa i l dt 1 1 en o m l a l p r o d u c t i o n0 fo 凰h o r eo i la i l dg a l s h e n c em es a f e t yo fo 凰h o r e0 p e r a t i o n si sp a r t i c u l 砌y i m p o i r t 趾t o 瓠h o r eo i la n dg a so 凰h o r e “l l i n gp l a t f o n na sa j li m p o r t a n tt 0 0 lf o re x p l o r a t i o n a i l de x p l o i t a t i o n ，i t ss 诎i l 时i se s s e n t i a l b a s e do nm ea n a l y s i so fe n v i r 0 1 ：l i i l e n t a ll o a d ，t l l e a u _ t l l o rc h e c k st l l eb o t t o ms t a b i l i t ) ra i l dv e r i 丘e si tt h r o u g h 彳朋y t h e s ew i up r o v i d es o m e u s e 6 j li n f 0 咖a t i o nf o rt h ed e e ps e ap l a t f o 1 1r e s e a r c hi nb o h a js e ad e 印- w a t e ro i la 1 1 dg a s d e v e l o p m e m ，w t l i c ha c l l i e v e sl l i 曲e rs e c u r i t ya n de c o n o m i ce f f i c i e n c y k e y w o r d s ：w o r i 的v e rp l a t f o 珊；e n v i r o n m e n tl o a d ， s t a b 丑i 锣； 第一章绪论 1 1 课题的由来 第一章绪论 海洋钻井平台作为海上油气勘探开发的重要装备之一，在建造、下水、停泊、拖航 及检修等全部过程中，受到各种外力的作用。海洋平台要在海洋环境十分复杂和恶劣的 情况下进行生产作业和生活，重力、浮力、风、波浪和海流作用于其结构，同时还会受 到地震的威胁。我们主要研究中油海6 2 钻井平台在搭建完成后受到的各种力作用时的稳 定性，研究平台稳定性的目的就是使钻井平台在这些外力的作用下，能保证平台有足够 的强度和刚性，要求达到最小的结构重量，降低建造成本和提高其使用的经济性。针对 我国渤海海况，对手糟海卯平台进行结构稳定性分析，为我国渤海油气田开发中的平台研 究提供依据。 1 2 国内外现状 1 2 1 自升式钻井平台的简述 自升式平台是五十年代中期发展起来的海上活动式钻井平台。它由驳船型船体、桩 腿、升降机构、钻井设备、动力装置及有关附属设施所组成。靠平台的动力和升降设备， 桩腿可以下放到海底并插入地层，或靠整体沉垫支持平台升离水面，独立完成钻井作业。 钻完后平台又可降至水面，提起桩腿，靠拖轮或本身动力移到新的井位再次进行钻井。 因此，它在漂浮状态具有船舶的特性，在钻井状态又好似一个固定的建筑物，具有固定 式平台的性质，它与浮式钻井装置相比具有下述优点： ( 1 ) 可以使用固定平台或陆地钻井的设备与工艺，不需采用海中导管、柔性接头、 自动连接器、海底防喷器、地盘及海底套管头等水下工具，简化了钻井操作，易损设备 少，钻井时效率高，安全较有保障。 ( 2 ) 钻井时，平台与井底没有相对运动，不需要立管张力器、升沉补偿器、导向绳 张紧器等补偿装置和大钩导轨，钻井时也不要锚或其他定位系统。锚系只用于升船定位， 因此，锚机拉力小，数量少。新设计的平台一般用三个锚，有的仅用一个锚，因此，设 备简单，投资相应减少。 ( 3 ) 平台钻井作业时，移动储备材料，如钻杆、套管、油、泥浆及水泥等，不会引 起平台倾斜，不需要进行专门的调平操作。 ( 4 ) 它还具有较大的灵活性和可移性，同时在升级过程中又不存在稳性问题。另外， 它的造价也很低，维修也很方便并且还能完善地转作临时性生产平台用。 西安石油大学硕十学位论文 鉴于上述优点自升式平台使用仍然广泛，且逐步向深水发展。但是，自升式平台也 有其固有的缺点，即受桩腿长度的限制，因桩腿的长度要随水深增加而线形的加长，则 作用于桩腿的波力和流力增大，外力作用点离桩腿支点的距离也加大，总的作用力矩是 成几何级数增长。其作用力矩的增大，导致桩腿尺寸的相应加大，这样又反过来使波力 和流力增大。这种恶性循环的结果使自升式平台的作业深度受到很大的限制，多年来基 本上限于1 0 0 米之内。因此，它的最大缺陷是工作水深有限。另外，海底的冲刷和基础 的破坏对它也是一个很大的威胁。再有一个缺点就是在移位时，长的支柱升起，矗立在 甲板之上，容易受风浪影响。在拖航途中天气突然变坏时就很不利，拖航速度也不能提 高。因此，它只适合在一个海域内打井，短距离拖航，不适合要求经常从一个海域移至 另一个海域打井。 自升式钻井平台移动灵活、稳定性好，可以进行钻井、修井、试油、试采等作业； 相比钻井船、半潜式钻井平台，日租金较低。因此，自升式钻井平台在海洋石油开发中 得到了广泛的应用。 1 2 2 国外技术发展现状 世界上主要的自升式钻井平台设计公司有美国的l e t o u m e a u ，f & gb a s s 与b m c ， 荷兰的m s c ，日本的三井海洋开发 7 与h i t a c h iz o s e n 以及法国的c f e m 。每个公司已经 形成多种型号的系列产品。当前占技术领先地位的是l e t o 啪e a u ，m s c 和f & g 。美国 的l e t o u m e a u 公司是自升式钻井半台设计的先驱，全世界1 3 的自升式平台是 l e t o 啪e a u 的型号，“1 1 6 一c 型号共建造了3 9 艘。荷兰的m s c 公司设计了一系列自升 式钻井平台，工作于超恶劣海况的海域，例如挪威北海与加拿大东海岸。2 0 世纪8 0 年代初， 美国的f & g 公司首次申请了齿条锁定系统( r a c kc h o c kf i x a t i o ns y s t e m ) 专利。这一创新 使得自升式钻井平台能够进入更深与更恶劣海况的海域工作。f & g 从8 0 年代初推出了 l 一7 8 0 系列自升式钻井平台取得了很大的成功，共建造了3 9 艘。三井海洋开发、h i t a c m z o s e n 和c f e m 在最近2 0 多年，既没有新型号平台推出，也没有老型号平台的再建。 1 2 3 国内技术发展现状 1 9 6 6 年1 2 月底，我国第一座固定式平台被成功地安装在渤海湾水深6 m 处的油田上， 这是一座导管架型平台，它是作为海上钻井装置载入我国海洋油气田开发史册的。从这 一平台算起，我国固定式平台发展已有4 0 年的历史。这期间，我国先后在渤海湾水深6 2 5 m 范围设计和安装了1 0 0 多座固定式平台。1 9 8 6 年3 月，渤海石油公司平台制造厂为南 海涸1 0 - 3 油田成功地制造了井口导管架平台，标志着我国导管架平台制造己达到了世界 先进水平。2 0 0 6 年4 月由我国自主设计建造的亚洲最大的海上平台导管架运抵广州番禺 3 0 - 1 气田。番禺3 0 1 气田导管架高2 1 3 米，自重1 9 2 0 0 吨，加上钢桩总重达2 5 2 0 0 吨，设计 水深2 0 0 米。标志着我国向海洋深水工程迈出重要的一步。 近几年我国的海洋平台建设更是得到了迅速发展，研制并建造了- 些如采修一体化 平台、桶形基础平台等新型平台，2 0 0 2 年1 0 月，胜利油田与美国e d c 公司合作建造的 2 第一章绪论 大型集采油、注水、油气处理、油气集输、修井于一体的综合性平台顺利安装成功。该 平台是胜利油田海域所建造的最大的一座固定式平台。2 0 0 2 年1 0 月，大港油田与美国 a p a c h e 公司合作的中国最大的海上平台下水。这两座平台的建造标志着我国具有了按 照国际标准建造大型平台的能力。2 0 0 6 年4 月由我国自主设计建造的亚洲最大的海上平台 导管架番禺3 0 1 的建设标志着我国向海洋深水工程迈出重要的一步。尽管我国在导管架 平台设计和建造方面积累了整4 0 年的经验，但是由于受技术发展水平和设计思想的制约， 我国海洋平台设计建造能力与国际先进水平还有一定的差距。目前，我国现有的海域勘 探钻井和油气开发装备，尚不具备超过5 0 0 米深水作业的能力。就全球而言，目前，深水 ( 4 0 0 米1 5 0 0 米) 和超深水( 超过1 5 0 0 米) 海域的油气开发，正成为美国、英国、挪威、巴 西等国竟相开发的热点，我国南海深水海域迫切需要我国加大对深海勘探开发技术研究， 尽早进行勘探开发。尽管我国海洋平台的技术整体水平与世界前沿有一定的差距，但我 国在导管架平台设计和建造方面积累了丰富的经验，培养和锻炼了一大批海洋工程的技 术骨干，已经建立了一支可观的海洋石油开发的技术队伍，在国家政策的引导下，随着 我国近海石油工业的迅速发展，海洋平台的设计和制造必然会出现一个兴旺的景象。 1 2 4 自升式钻井平台发展趋势 1 ) 平台工作水深不断增加，现最深已达1 6 8m ； 2 ) 配备悬臂梁系统，悬臂梁移动范围更大，一次就位钻井口数更多； 3 ) 发展高强度三角形桁架三桩腿结构，采用电动齿轮齿条升降系统，并配有锁紧机 构； 4 ) 采用高强度钢和更高强度钢，以降低平台白重； 5 ) 增大平台可变载荷及甲板空间、全天候的工作能力和白持能力； 6 ) 配备钻井能力更强、自动化程度更高的先进钻井设备； 7 ) 更加注重健康、安全、环保。 关于平台稳定性分析国内外都有一套成熟的理论。关于平台稳定性分析上海交通大 学开发了移动式平台稳性计算程序进行计算。该程序通过上海船舶检验局检验，并多次 用于国内平台的稳性计算和校核。 1 3 “中油海6 2 ”平台的主要尺寸和参数 中油海6 2 平台是由中国石油集团海洋工程公司委托中国船舶工业集团公司第七零 八研究所设计的一艘自升式修井作业平台，钢质非自航，平台主体为平面呈三角形的箱 体结构，设三根直径3 拥的圆柱形桩腿，带有8 6 脚8 6 聊正方形桩靴。拖航时桩靴收进 基线以内。平台配备钩载1 5 8 0 圳海洋修井机，能独立完成海上油井的大修和小修作业 任务。修井作业时，悬臂梁伸出平台尾部，井架中心至尾部边沿最大距离可达9 5 聊，横 3 西安石油大学硕士学位论文 向可移动士3 5 朋。平台安装3 台8 0 0 千瓦c a t 3 5 0 8 发电机组，作业系统采用先进的变频 控制技术，井架钩载1 5 8 0 剧，配备两台2 0 r 吊机，预留有宽阔的安装撬装设备的甲板 面积。 其主要尺度和参数： 平台型长 4 5 1 0 朋 平台型宽 4 0 7 0 m 平台型深4 8 帆 轻载拖航吃水 3 0 聊 重载拖航吃水 3 2 朋 重载排水量 4 5 5 5 f 定员6 5 人 自持力2 0 天 设计使用年限2 0 年 作业水深4 5 聊4 0 聊( 包括潮高) 其三维图如图1 1 1 4 本文的思路及研究内容 图1 1“中油海6 2 ”平台三维外形图 对于自升式平台，稳定性是至关重要的。与常规船舶相比，自升式平台的结构型式 比较特殊，由于它的使用特点，平台一般不能像船那样可以避开恶劣的海洋环境，尤其 在作业期间，平台不能轻易撤离井位。因此它们必须具有抵抗风暴的能力。由于平台的 长度和宽度比较接近，而且在海上将受到各种的风浪作用。所以平台稳性不能常规船那 样只校核横向稳性，而应考虑平台在不同风向时的稳性。平台稳定性内容概括起来包括： 完整稳性、破舱稳性、坐底稳性。 本文的主要工作是根据渤海海域海况对海洋钻井平台进行结构总体强度分析。主要 包括如下工作： ( 1 ) 查阅文献和资料，对自升式平台的特点及类型、自升式平台的发展概况进行介 绍。提出了论文的主要内容 ( 2 ) 根据自升式平台的特点，以渤海海域海况条件为基准，介绍了环境载荷的理论 基础为下文的实际应用打下坚实的基础 ( 3 ) 对中油海6 2 平台的完整稳性、破舱稳性和坐底稳性的计算来判断该平台的稳定 性，并掌握平台稳定性的计算方法； ( 4 ) 建立平台结构的有限元模型，设定模型荷载和边界条件。选择平台结构总体强 度分析的计算工况； 应用a n s y s 软件对结构进行静力验证，根据行业标准中国船级社 4 第一章绪论 海上移动平台入级与建造规范对结构在静力作用下的稳定性进行验证。 第二章海洋环境载荷理论基础 风 “ 湾 情 不 第二章海洋环境载荷理论基础 风是由于气压在水平方向上的分布不均匀 图2 1 平台载荷图 性而引起空气从高压区向低压区的运动。气压在 水平方向上的分布的不均匀性一般是由于气温的 水平差异导致空气密度变化以及某一地区空气的流入大于流出等原因造成。 2 1 1 设计风速 风速是指空气在单位时间内所流过的距离，一般以觚或勋砌为单位。设计风速可 以这样描述：按照规定的设计规范标准，而得到的观测风速值。通常有以下几种观测标 准： 1 ) 标准规定的观测处的高度 在海洋工程中，通常设计风速的观测处的高度均规定为海平面以上1 0 聊的高度。因 此，若观测处为距海平面任意高度z 时，则应将观测所得平均风速云换算成距海平面 1 0 聊处的平均风速。换算时，一般可应用下列两个公式之一。 ( 1 ) 对数换算公式： 厂 1 i = 瓦ih 警h 吾l 沼d l- j ( 2 ) 指数换算公式： 云= 云斟 ( 2 2 ) 式中：k 一参数，一般取肛o 4 ； c ，厂系数，通常取0 0 = ( o 8 0 + o 11 4 瓦) 1 0 一； 口指数，对于开阔的海平面可取口= 0 1 6 ； z g 一所观测的平均风速接近为一个常数时，观测处距海平面的高度，一般可取 6 第二章海洋环境载荷理论基础 么g = 3 0 0 m o 2 ) 标准规定的观测的时距 ( 1 ) 时距 所谓时距即所指观测一次的时间长短，在规范中对于海洋石油工程有下列两种标准： 时距1 川加，主要在设计海洋石油工程的局部构件时采用，观测的平均风速以巩表 示。 时距1 0 聊拥，主要在设计海洋石油工程的总体时采用，观测的平均风速以。表示。 ( 2 ) 平均风速 由于观测风速是在一定的时距内进行的，而在次时距内，风速的大小是变化的，故 所测得无论是还是。都是平均值，设此平均值统称为“，则： 1r 云：土f 。砌 ( 2 3 ) “= 一if 甜口r k z 。j ， 2 _ o 一专 式中卜时距； f 厂时距之半； z 广某一瞬时防时的风速。 3 ) 标准规定的最大平均j x l 速 按照规定的观测时距及观测次数，取不同次数的风速平均值的最大者，则为最大平 均风速。显然，若规定的观测次数越多，规定时观测所得的最大平均风速值越接近自动 记录观测所得的最大风速值。 4 ) 标准规定的最大持续风速 对于海洋石油工程中得海洋石油平台结构，按照中国船级社的技术规范，规定设计 风速采用一定时距的最大持续风速，即某一风速持续的时间达到时距的规定者，且在长 期自动记录观测中为最大值，则取为最大设计风速。通常若缺乏长期自动记录风速观测 数据时，则需将较长时问的每日定时观测4 次的2 聊加的最大持续风速值，换算成为年自 动记录观测的1 0 掰加最大风速观测值，再经数理统计而求得设计风速。 2 1 2 风压和风载荷 对于某一风速( 平均风速) 垂直于该风向平面上所受到的压强( m 矿) ，即为相应于 该风速的风压，风压是海洋石油工程设计中的基本概念之一。设计中必须考虑包括风压 在内的水平面推移力以及对固定端产生的倾覆力矩。 1 ) 稳定风压与脉动风压 由于海面上大范围内空气运动的本身十分复杂，因而作用于海洋石油工程表面的风 压随着风向、风速和风的紊动结构的变化而不停地改变着，这就给设计中采用的风压值 造成了困难。为了解决此类问题，工程上采取了将上述复杂的过程简化的方法，即将风 的长期变化部分看成准静态载荷，将其能量很少的短周期变化部分，看成准动态载荷， 并将前者的风压称为稳定风压，后者称为脉动风压。 7 西安石油大学硕士学位论文 风载荷即风压作用在工程结构上的水平推移力，还包括其对固定端产生的倾覆力矩。 风载荷对平台的稳性和结构强度有很大影响。在计算平台风载荷时要根据总布置图，确 定平台在不同风向时的受风面积( 即垂直于风向的结构轮廓的投影面积) ，按受风结构的 形状和距水高度可求的风力其公式如下： ( 2 4 ) 式中：w 一空气的质量密度( 重度) ，可取w = 1 2 0 1 5 m 3 ； 蜓一风压高度变化系数，其值可根据构件高度由表2 - 1 选取： k 一结构形状系数，其值可根据构件形状由表2 2 选取，也可根据风洞试验确定； 4 一结构物在垂直于风向的平面上的投影面积； “：一设计风速( 觚) 。 中国海上钻井船设计规范给 出的中国主要海区的设计风速建议 值如图2 2 所示，( a ) 为海区的序号， ( b ) 为极端条件的设计风速，其时 距为1 历勘，( c ) 为一般条件下的设计 风速，其时距为l o 用抽，他们均是指 海平面上1 0 用处地平均最大风速，重 现期为3 0 年。 图2 2 中国主要海区设计风速的建议值 表2 1 海上风压高度变化系数 海平面以上的高度，mq 51 01 52 03 04 0 k g o 6 40 8 4 1 0 0 1 1 0 1 1 81 2 91 3 7 海平面以上的高度，m 5 06 07 08 09 01 0 01 5 0 k g 1 4 31 4 91 5 41 5 81 6 2 1 6 41 7 9 表2 2 风压的系数k 值 构件形状k 球形 0 4 圆柱形 0 5 大的平面( 船体、甲板、甲板下的平滑面) 1 o 甲板室群或类似结构 1 1 钢索 1 2 钻机的井架 1 2 5 甲板下面积( 裸露的梁和桁架) 1 3 0 独立的结构形状( 起重机、粱等)1 5 0 8 第二章海洋环境载荷理论基础 2 2 海流力 在海洋中，海水水平的或垂直的从一个海区流向另一个海区的大规模的质量转移称 为海流。由于海流流速随时间变化不大，故可将海流看作是是稳定的流动，这样，即将 他们作用于结构或其基础上的力看做是拖曳力( 阻力) ，现具体分析如下。 1 ) 只考虑海流或潮流的作用时 按照中国船级社的规范规定，按以下方法计算。 ( 1 ) 作用于圆形构件单位长度上的海流力矗： 允= c d 硝“。2 ( 2 5 ) 式中届广仅与海流或潮流的动能成正比的拖曳力，； p 海水的质量密度，培锄3 ； 4 一单位长度构件垂直于海流或潮流方向的投影面积，掰：若为圆形截面构件，则 彳= d x = d ，聊2 ： d 一圆形构件的直径，脚： c ：d _ 阻力系数，应根据试验测定，缺乏试验数据时，对圆形构件表面光滑者可取 0 6 5 ，而表面粗糙者可取1 0 5 。 ( 2 ) 作用于圆形构件整个构件上的海流力： 如= r 与c d “。忽 ( 2 - 6 ) 式中卜海水深度，聊： “。厂自海底以上高度为z 处的海流速度，可由下式得出，觚， 71 甜。= “。( 三) 7 ( 2 7 ) 式中z f 。广海面的海流流速，矶。 2 ) 海流与波浪联合作用下海流力的计算 波浪的存在会影响海水质点的速度，因此计算海流力时要考虑波浪引起的水质点的 速度变化。计算公式为： = 广丢c d o 一) 2 嬲 ( 2 8 ) 式中一作用于整个构件上的合成拖曳力，n ； w 一海水的重度： d 一圆柱桩的直径，m ； 7 7 一波浪的波面，即其距净水面的高度，m ； 西安石油大学硕士学位论文 c d 一海水阻力系数，应通过试验取得，根据雷诺数的不同，一般在0 3 1 2 之间； ”。一海流的最大可能流速，一般考虑风海流按式计算，1 1 1 s ： ”。= k ，“。 ( 2 9 ) 式中k 一风因子，对于渤海湾取0 0 2 5 k 0 0 3 0 ； 甜。一风速，州s ； 2 3 波浪力 海浪是海洋中海水的波动现 d0 5 象，它主要是由风引起的。 波浪载荷是环境载荷中的重 要组成部分，对平台的极限强度、 o 叭 疲劳强度、振动等方面均有很大的 d 口口5 影响。是海洋结构物设计的主要工 作之一。同时也是最困难的任务之 “。 一，所以一直以来都是海洋工程领 o ：o 叭 域研究的重点。确定作用于海洋工 o0 0 0 5 程结构物上的波浪载荷，可以采用 设计波法与随机分析方法。常见的 波浪理论有：微幅波、斯托克斯波、 玑叩0 1 椭圆余弦波、孤立波等。不同的波 o o 咖 浪理论都有各自的适用范围，见图 2 3 。在设计中应根据具体的波高、 波浪周期、水深进行选取。 深水缚菠极限 而l 一，= 01 4 、- 屈：_ 砷 一捌：浪艇“：0 刈1 三】j 迸， r 形 i l 彭 x ， 泼水碎波掇障 弱钐i s r o k e 5 瓦。，cb 0 7 8 硝：流两耋( 厂 徽秆 ， ， ml| 两， ， ffj1， ， 流请数 一 ! i ! ! i ：il 线嘎波线流函数(虱i ，1。 ， 。，一等水溶 l 厂i 图2 3 中国船级社给出的各种波浪理论的适用范围 波浪力计算中常根据结构物的尺度与波长的比值分成小尺度波浪力计算和大尺度波 浪力计算。当比值妣三0 2 时，称为小尺度物体( 其中刃是物体的特征长度，对于圆柱 体刃为直径，是波长) ；当砒 0 2 时，称为大尺度物体，它必须考虑物体自由表面 效应和相对尺度效应，被合起来称为绕射效应。 ( 1 ) 当砒 0 2 时的波浪力的计算。 目前采用两种方法进行分析。第一种方法，考虑绕射效应的理论分析，即绕射理论。 它有马哥卡姆和富克等在1 9 5 4 年提出。认为结构的存在将改变结构附近的波浪场。第二 种方法，采用弗汝德一克雷洛夫假定，利用入射波压力在结构表面受压面积上积分计算波 浪力。 ( 2 ) 当耽三o 2 时的波浪力的计算。 1 0 第二章海洋环境载荷理论基础 对于相对尺度较小的细长柱体的波浪力的计算， 上人仍然广泛采用著名的莫里森( m o r i s o n ) 公式： 设有一个直径为口的孤立的直立圆柱形桩柱， 在工程 直立于水深d 的海浪中，如图2 4 所示。先在桩柱的 任一高度z 处，取一小段出，则作用在该段上的波浪 力识，以莫里森方程即可表示为 珉= 去w c d 观i “。i 出+ 言删c 吖鲁出 ( 2 加) 式中d 一横断面直径或垂直于波向的边长；图2 4 孤立直立圆柱上作用的波浪力 碥一柱体轴线上水质点的速度； q 一惯性力系数，取c 卅= 2 ； q 一海水阻力系数，取巴= 1 2 ； 彳一水平断面的面积。 式( 2 1 0 ) 是莫里森等人与1 9 5 0 年在模拟试验的基础上经过大量的计算提出的垂直于 海底的刚性柱体上的波浪载荷公式该理论假定作用于柱体任意高度z ( 离海底以上的高度 z ) 处的水平波力分成两项：一是波浪水质点的水平运动的水平速度成正比的水平拖曳力 项；二是波浪水质点运动的水平加速度成正比的水平惯性力项。 第三章完整稳性的计算 第三章完整稳性的计算 完整稳性指漂浮状态平台抵抗来自任何方向1 0 0 节o ( 5 1 5 ，矶) 稳定风力所产生的 倾覆效应的回复能力。 3 1 规范对完整稳性的要求 世界上各主要船级社对完整稳性的要求并不一致，本文参考中国船级社( c c s ) 2 0 0 5 年颁布的海上平台入级与建造规范对完整稳性的要求。 3 1 1初稳性 平台在其吃水范围内的各种作业情况下，经过自由液面修正后的初稳性高均应不小 于0 1 5 m 。 3 1 2 大角稳性 钻井平台的复原力矩曲线至第二交点角或进水角( 取较小者) 以下的面积，至少比 风压侧倾力矩曲线至同一限定角以下的面积大，自升式平台大4 0 。如图3 一l ： k = 臼+ b ) 佃+ q ( 3 1 ) 力矩 横倾角 图3 1面积比k 节( ) 以前是船员测船速的，每走1 海里，船员就在放下的绳子上打一个节， 以后就用节做船速的单位。1 节( 砌) = 1 海里小时= ( 1 8 5 2 3 6 0 0 ) 觚是速度单位。 至第二交点或进水角。处的复原力矩曲线下的面积中的较小者，至少应比至同一限定 角处风倾力矩曲线下面积大4 0 ，即4 0 。 3 2 完整稳性的计算 3 2 1 坐标系 稳性计算的坐标系可以沿用船舶稳性计算的坐标系。如图3 2 ： 1 2 第三章完整稳性的计算 图3 2 平台的坐标系 从上图可以看出，坐标原点d 在平台纵中剖面、横中剖面及基面的交点上。x 轴指 向首部为正，】，轴指向左舷为正，z 轴指向上为正。为了计算平台在不同风向角的稳性， 图中也表示了另一坐标系，原点在d ，但与风向一致，它与x 轴夹角即风向角。两 种坐标系的关系为： x 。= x c o s w + 】，s i i l w ( 3 - 2 ) z = 一js i n 矿+ yc o s i f ， ( 3 - 3 ) 3 2 2 静水力要素的计算 有关公式如下： 水线面积 4 = 2 i 乙啦 ( 3 4 ) - i 漂心纵坐标 壬 2i zx y 出t ，o 兄= j 一 ( 3 5 ) 进水角( a n g l e0 f n 0 0 d i n g ) 指船体、上层建筑或甲板室的不能关闭成风雨密的开口浸 没时的横倾角。 浮心纵坐标 ：毕 俘6 ， 浮心竖坐标 张一毕 7 ， 水线面积对x 轴的惯性矩 西安石油大学硕士学位论文 l = 普丘y 3 出 ( 3 - 8 ) - ， 2 水线面积对y 轴的惯性矩 l = 2 丘x 2 地 ( 3 - 9 ) 2 型排水体积 矿2j ：胧( 3 - 1 0 ) 型排水量 d = d d 6 矿( 3 1 1 ) 表3 1 和表3 2 为静水力要素表，其中符号说明如下：d ：序号：丁：吃水；彳：吃 水丁时水线面面积；q ：每厘米吃水吨数；阢排水体积；d ：排水质量；廊、昂分别 为吃水丁时水线面漂心( 水线面积中心) 纵、横坐标；、历分别为浮心( 浮体的 几何中心，即被排开流体的重心的位置) 纵、横、垂向坐标；从y 分别为纵向惯 性矩、横向惯性矩对y 比值。 表3 1 静水力要素表 丁4 g yd x f巧 n o ( m )( )( m 3 )( m 3 )( d ( 聊) ( 聊) 10 1 2 013 0 8 9 7 41 3 4 1 71 5 7 0 7 71 6 1 0 0 42 9 6 0o 0 1 4 2o 2 4 01 3 0 8 9 7 41 3 4 1 73 1 4 1 5 42 2 0 0 82 9 6 00 0 1 4 3 0 3 6 0 1 3 0 8 9 7 41 3 4 1 7 4 7 1 2 3 1 8 3 0 1 2 2 9 6 0 o 0 1 4 40 4 8 01 3 7 2 0 6 61 4 0 6 46 3 1 0 8 46 4 6 8 6 13 5 0 70 0 1 4 50 6 0 01 3 7 2 0 6 61 4 0 6 47 9 5 7 3 21 5 6 2 53 5 0 70 0 1 4 60 7 2 01 3 7 2 0 6 61 4 0 6 49 6 0 3 7 98 4 3 8 93 5 0 70 0 1 4 7 0 8 4 01 3 7 2 0 6 61 4 0 6 41 1 2 5 0 2 71 1 5 3 1 5 33 5 0 70 0 1 4 80 9 6 01 3 7 2 0 6 61 4 0 6 412 8 9 6 7 51 3 2 1 9 1 73 5 0 7o 0 1 4 9 1 0 8 01 3 7 2 0 6 6 1 4 0 6 4 1 4 5 4 3 2 3 1 4 9 0 6 8 1 3 5 0 7 o 0 1 4 1 01 2 0 013 0 8 9 7 41 3 4 1 71 6 1 6 7 0 01 6 5 7 1 1 72 9 6 00 0 1 4 1 1 1 _ 3 2 013 0 8 9 7 41 3 4 1 717 7 3 7 7 61 8 1 8 1 2 12 9 6 0o 0 1 4 1 21 4 4 013 0 8 9 7 41 3 4 1 719 3 0 8 5 31 9 7 9 1 2 52 9 6 00 0 1 4 1 31 5 6 013 0 8 9 7 41 3 4 1 72 0 8 7 9 312 1 4 0 1 2 92 9 6 00 0 1 4 1 41 6 8 01 4 0 7 2 6 31 4 4 2 42 2 5 2 8 7 12 3 0 9 1 9 23 2 0 8o 0 1 3 1 51 8 0 014 0 7 2 6 31 4 4 2 42 4 2 1 7 4 22 4 8 2 2 8 53 2 0 8o 0 1 3 1 4 第三章完整稳性的计算 1 61 9 2 014 0 7 2 6 31 4 4 2 42 5 9 0 6 1 42 6 5 5 3 7 93 2 0 80 0 1 3 1 72 0 4 014 0 7 2 6 31 4 4 2 42 7 5 9 4 8 52 8 2 8 4 7 23 2 0 80 0 1 3 1 82 1 6 014 0 7 2 6 31 4 4 2 42 9 2 8 3 5 63 0 0 1 5 6 53 2 0 8o 0 1 3 1 92 2 8 014 0 7 2 6 31 4 4 2 430 9 7 2 2 83 1 7 4 6 5 83 2 0 80 0 1 3 2 0 2 4 0 0l4 0 7 2 6 3 1 4 4 2 43 2 6 6 0 9 93 3 4 7 7 513 2 0 80 0 1 3 2 12 5 2 014 0 7 2 6 31 4 4 2 43 4 3 4 9 7 13 5 2 0 8 4 53 2 0 80 0 1 3 2 2 2 6 4 014 0 7 2 6 3 1 4 4 2 4 3 6 0 3 8 4 23 6 9 3 9 3 8 3 2 0 8o 0 1 3 2 3 2 7 6 0 14 0 7 2 6 31 4 4 2 43 7 7 2 7 1 43 8 6 7 0 3 23 2 0 8o 0 1 3 2 42 8 8 014 0 7 2 6 31 4 4 2 43 9 4 1 5 8 54 0 4 0 1 2 53 2 0 80 0 1 3 2 53 0 0 014 0 7 2 6 31 4 4 2 44 1 1 0 4 5 74 2 1 3 2 1 83 2 0 80 0 1 3 2 63 1 2 0 1 4 0 7 2 6 3 1 4 4 2 44 2 7 9 3 2 94 3 8 6 3 1 23 2 0 8o 0 1 3 2 73 2 4 014 0 7 2 6 31 4 4 2 44 4 4 8 2 0 04 5 5 9 4 0 53 2 0 8o 0 1 3 2 83 3 6 0l4 0 7 2 6 31 4 4 2 44 6 17 0 7 24 7 3 2 4 9 93 2 0 80 0 1 3 2 93 4 8 014 0 7 2 6 31 4 4 2 44 7 8 5 9 4 34 9 0 5 5 9 23 2 0 80 0 1 3 3 03 6 0 0l4 0 7 2 6 31 4 4 2 44 9 5 4 8 1 55 0 7 8 6 8 53 2 0 8o 0 1 3 3 13 7 2 014 0 7 2 6 31 4 4 2 451 2 3 6 8 65 2 5 1 7 7 83 2 0 8o 0 1 3 3 23 8 4 014 0 7 2 6 31 4 4 2 45 2 9 2 5 5 85 4 2 4 8 7 23 2 0 80 0 1 3 3 33 9 6 014 0 7 2 6 31 4 4 2 45 4 6 1 4 2 85 5 9 7 9 6 43 2 0 80 0 1 3 3 44 0 8 014 0 7 2 6 31 4 4 2 4 5 6 3 0 3 0 15 7 7 1 0 5 83 2 0 8o 0 1 3 3 54 2 0 014 0 7 2 6 31 4 4 2 45 7 9 9 1 7 35 9 4 4 1 5 23 2 0 8o 0 1 3 3 64 3 2 014 0 7 2 6 31 4 4 2 45 9 6 8 0 4 36 11 7 2 4 43 2 0 8o 0 1 3 3 74 4 4 014 0 7 2 6 31 4 4 2 46 1 3 6 9 1 66 2 9 0 3 3 93 2 0 8o 0 1 3 3 84 5 6 01 4 0 7 2 6 31 4 4 2 46 3 0 5 7 8 76 4 6 3 4 3 23 2 0 80 0 1 3 3 94 6 8 01 4 0 7 2 6 31 4 4 2 46 4 7 4 6 5 86 6 3 6 5 2 43 2 0 8o 0 1 3 4 04 8 0 014 0 7 2 6 31 4 4 2 4 6 6 4 3 5 3 06 8 0 9 6 1 83 2 0 80 0 1 3 表3 2 静水力要素表1 r x 8z 8 i ，v i v n o ( m )( m )( 川)( m )( 肌)( 聊) lo 1 2 0 2 9 6 0o 0 1 4o 0 6 01 1 9 5 5 9 47 5 1 4 6 2 2o 2 4 02 9 6 00 0 1 40 1 2 0 5 9 7 8 8 73 7 5 8 2 1 30 3 6 02 9 6 00 0 1 40 1 8 03 9 8 6 9 12 5 0 6 4 7 40 4 8 03 0 1 20 0 1 4o 2 4 13 1 2 2 3 52 1 3 6 4 0 5o 6 0 0。3 1 1 40 0 1 4o 3 0 32 4 7 7 4 11 6 9 5 4 6 6 o 7 2 0一3 1 8 20 0 1 4o - 3 6 42 0 5 3 8 11 4 0 5 9 2 1 5 西安石油大学硕士学位论文 70 8 4 03 2 2 90 0 1 4o 4 2 51 7 5 4 3 81 2 0 1 3 l 80 9 6 0- 3 2 6 50 0 1 40 4 8 61 5 3 1 5 51 0 4 9 0 9 91 0 8 03 2 9 2o 0 1 40 5 4 61 3 5 9 3 29 3 1 4 8 1 01 2 0 03 2 9 8o 0 1 4 o 6 0 61 1 6 7 6 37 3 6 1 1 1 11 3 2 03 2 6 80 0 1 40 6 6 41 0 6 5 3 46 7 2 0 4 1 21 4 4 03 2 4 3o 0 1 40 7 2 29 7 9 8 06 1 8 4 9 1 31 5 6 0一3 2 2 10 0 1 4o 7 8 09 0 7 2 25 7 3 0 9 1 41 6 8 03 2 1 5o 0 1 40 8 4 29 4 0 8 96 1 9 4 0 1 51 8 0 03 2 1 40 0 1 40 9 0 58 7 6 4 95 7 7 4 2 1 61 9 2 03 2 1 4o 0 1 40 9 6 78 2 0 5 75 4 0 9 9 1 72 0 4 0一3 2 1 3o 0 1 41 0 2 9 7 7 1 5 65 0 9 1 0 1 82 1 6 03 2 1 3o 0 1 41 0 9 17 2 8 2 84 8 0 9 5 1 92 2 8 03 2 1 30 0 1 41 1 5 26 8 9 7 84 5 5 9 4 2 02 4 0 03 2 1 30 0 1 41 2 1 46 5 5 3 34 3 3 5 7 2 12 5 2 03 2 1 2o 0 1 41 2 7 56 2 4 3 24 1 3 4 7 2 22 6 4 03 2 1 20 0 1 41 3 3 65 9 6 2 73 9 5 3 0 2 32 7 6 03