（油气井工程专业论文）自升式平台拖航稳性的研究.pdf

s t a b i l i t yr e s e a r c hi nt r a n s i tc o n d i t i o nf o rj a c k - u pr i g d u a ny a h - l i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e nj i a n - m i n a b s t r a e t j a c k - u pr i gi so n eo f m o v a b l eo f f s h o r ed r i l l i n ge q u i p m e n t ，w l l i c hi st h e m o s tb a s i cd r i l l i n ge q u i p m e n ti no f f s h o r ep e t r o l e u me x p l o r a t i o n j a c k u pr i g s t a n d si nt h es e af l o o rb yl e g sd u r i n gd r i l l i n go p e r a t i o n ，w h i c hc a np r o v i d e s t e a d yd r i l l i n gf i e l d b u ti nt h ep r o c e s so f t r a n s i t ，w i t ht h er i s eo f l e g s ，w h i c h r e s u l ti nh i g h e rc e n t e ro f g r a v i t y ，w o r s es t a b i l i t ya n dw o r s ea b i l i t yt ob ca b l et o e n d u r ew i n da n dw a v e b e c a u s eo f v i l ee n v i r o n m e n ta n dc o m p l e xo p e r a t i o n a l p r o c e s s ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n t t or e s e a r c ht h et r a n s i ts t a b i l i t y i nt h i sp a p e r ， w et a k eb o h a in o 5p l a t f o r ma st h es u b j e c tf o ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ， s t u d y i n gj a c k - u pr i gs t r u c t u r es t a b i l i t yf e a t u r e s i nar e s u l t ，al o to f d i f f i c u l t p r o b l e m si sr e s o l v e d ，s u c ha sh o w t ol o a dw a v el o a d sa c t i n go nt h ep l a t f o r m u s i n ga n s y ss o r w a r ee n dh o w t oe s t a b l i s ha3 df e mo ft h ea n c h o rc h a i n s s t r u c t u r eb ya p d lp r o c e x l u r e a tt h es a m et i m e ，t h ep r o b l e mh o wt ol o a d s u p p o r tm o m e n tw i t ht h ec h a n g eo ft h ep l a t f o r ms t a t eu s i n gt h em e t h o do f d y n a m i ca n a l y s i s o nt h eo t h e rh a n d ，d e v e l o p i n gt h es h i pd y n a m i cr e s p o n s e f u n c t i o nt oc a l c u l a t ea n da n a l y z ew a v el o a d sb yu s i n ga n s y s a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t i o n a lr e s u l t ，p r i m a r yc o n c l u s i o ni sd r a w na sf o l l o w s 1 b o h a ln o 5 c a nn o to v e r t u r nu n d e rt h ep l a ns e ac o n d i t i o na n ds w a gr a n g ei ss m a l l ，w h i c h c a l la c c o m p l i s ht r a n s i to p e r a t i o n 2 ht r a n s i tc o n d i t i o n ，l o g n i t u d i n a ls t a b i l i t y i sb i g g e rt h a nt r a n s v e r s es t a b i l i t ya n dt r a n s i tm o v i n gt o w a r d sw a v ei sc h o s e n ， i i j w h i c hc a nm a k e s a f e t ys t a t ef o rt h ep l a t f o r m 3 w i t ht h ei n c r e a s eo f d r a f t t h es u p p o r ta r n lo ff o r c ew i l lr e d u c ea n dt h es t a b i l i t yw i l l 蹦1 4 r i s i n ga n d f a l l i n go p e r a t i o no f l e g sh a db e t t e rg oa l o n gm o v i n gt o w a r d sw a v e ，w h i c hw i l l r e s u l ti ns m a l l e rs w a gr a n g e ，b e s tf o r c ec o n d i t i o na n dm o r es a f e t ys t a t et h a n o t h e rc o n d i t i o n 5 r e s e a r c hr e s u l tf r o ma n s y ss o f t w a r ec a l ls t u d yt h es h i p s t a b i l i t y k e yw o r d s ：j a e k - u pr i g ，s t a b i l i t y ，a n s y s ，w a v el o a d ，c a l c u l a t i o na n d a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：复抱髓w 。占年j - 月，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 瑚6 辱j 其 1f t 州年，只jb 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 自升式钻井平台在海上石油勘探开发中的作用与发展 随着海洋开发事业的迅速发展，移动式平台得到了广泛的应用，海上 移动式平台是勘探、开发海洋资源特别是海底石油和天然气的重要装备。 自升式平台作为一种重要的移动式平台，是开发海洋石油的基础装备。自 升式钻井平台工作时靠其桩腿支撑站立在海底，能够提供稳定的钻井场 地，它适用于不同的海底土壤条件和百米的水深范围。这种钻井平台具有 机动灵活，移动性能好的特点。另外不带沉垫的自升式平台具有用钢量较 少，造价较低，便子建造，资金回收快，投资风险小，能够重复使用等优 势，在海洋石油勘探开发领域中发挥着重要作用【l 。 我国海洋石油、天然气等资源十分丰富，早在6 0 年代初就开始了海 上石油勘探工作，海上石油勘探作业主要使用各种类型的海上移动式钻井 平台。海上移动式钻井平台是一项综合性海洋工程，它们既有海洋土木工 程的特性，作业时要求象固定式钻井平台那样稳定，又具有船舶工程的特 性，漂浮在海上拖航移位时要求具备船舶那样的性能。自升式平台最早出 现于1 9 5 5 年，有各种用途的自升式平台，但以自升式钻井平台最为典型， 数量也最多。自升式钻井平台主要用于打探井，也可用于打生产井和作为 早期生产中的钻采平台，而且可进行修井作业。因其在波浪中运动幅度较 小。故是浅海油田常用的钻井设施。根据底部支撑形式的不同，自升式平 台可分为：桩靴型和沉垫型，其中沉垫型平台适用于软土地基，自升式平 台可拖航至不同海域进行作业1 2 1 。 我国海洋石油开发事业起步较晚，海洋石油勘探始于6 0 年代末、7 0 年代初。经过三十多年的努力与探索，建成了渤海湾油田、东海和南海油 田等初具规模的海上油田，这些海上油气田在勘探、开发过程中都曾使用 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 了自升式钻井平台。 我国沿海大陆架石油地质条件优越，含油气潜力很大。渤海和北部湾 盆地含油气丰富，尤其是渤海湾油田，水深范围和地质条件更加适于自升 式平台的使用，该地区油田的打井和修井主要使用自升式钻井平台来完 成。中国海洋石油总公司渤海分公司通过自建和从国外引进，已先后拥有 渤海l 号到1 2 号自升式钻井平台，其中“渤海5 号”、“渤海7 号”是我 国自行设计建造的自升式钻井平台胜利油田也拥有胜利5 号到9 号自升 式钻井平台，另外还拥有几条自升式修井平台，东海和南海油田也分别拥 有几条自升式钻井平台。目前，自升式平台占我国移动式平台总量的7 0 以上1 3 1 。由此可见，自升式钻井平台在我国的海上油气田勘探开发中发 挥着重要作用。 随着我国海洋石油开发的逐步发展。白升式平台投入使用的数量在不 断增长，并将向恶劣( 深水) 海域环境发展。到目前为止，我国投入使用 的自升式平台，一部分来源于国内的自行设计、建造，一部分来源于国外 引进。三十多年来，尽管在应用实践中积累了大量经验，但与国外相比仍 存在一定的差距。 1 2 自升式钻井平台简介 1 2 1 自升式平台的结构型式 自升式平台产生于1 9 5 0 年有各种用途的自升式平台，但以自升式 钻井平台最典型，数量也最多。自升式平台由一个平台主体( 漂浮于水面 时为浮体) 和若干桩腿所组成，通过升降装置的动作，平台主体或桩腿可 垂直升降。钻完井平台离开并位时，先将主体下降到水面，利用水的浮力 对主体的支持把桩腿从海底拔出，自升式平台升起，然后移航到新井位【1 1 ( 1 ) 平台主体 2 中国石油大学( 华东) 硕七论文第1 章绪论 自升式平台的主体通常是一个具有单底或双层底的单甲板箱形结构。 甲板以下布置柴油发电机舱等动力舱室、泥浆泵舱等钻井工程用舱室和其 他工作舱室，以及燃油舱、淡水舱、压载水舱等液体舱。甲板上布置钻台 与井架、钻杆与隔水管堆场、管架、起重机、生活舱室、升降装置室、直 升飞机平台等。主体的平面形状和桩腿的数目密切相关，一般有三角形、 矩形和五角形等。图l l 给出了某插桩自升式平台的基本布置图。 图1 1 自升式平台的基本布置图 3 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章绪论 ( 2 ) 桩腿 自升式平台的主体依靠桩腿的支撑才得以升离水面，使平台处于钻井 作业状态。桩腿的作用除了支撑平台的全部重量外，还要经受住各种环境 外力的作用。桩腿的型式可分为壳体式及桁架式两种。 ( 3 ) 升降装置 升降装置安装在桩腿和平台主体的交接处，驱动升降装置能使桩腿和 主体作相对的上下运动。最常用的升降装置是齿轮齿条式及顶升液压缸 式。 1 2 2 自升式平台的操作过程 自升式平台在使用过程中有各种不同的操作状况，又是各种移动式平 台中最复杂的。自升式平台一般要经历如下的操作过程圜：移航一就位一 插桩一升起主体一压载作业一降下主体一拔桩一提桩一固桩一 移航。 ( 1 ) 移航 自升式平台的移航有自航、拖航、助航、运输等不同方式，但多数采 用拖航方式。移航时桩腿全部升起，平台处于漂浮状态，受风面积大，重 心高，摇摆惯性矩大，对平台的稳性和桩腿的强度影响较大。 ( 2 ) 放桩和提桩 放桩和提桩时平台处于漂浮状态，随着桩腿水中部分的长度以及平台 的重心，浮心和质量惯性矩等要素的不断变化，平台的初稳性、大角度稳 性和摇摆等性能也随之变化。一般随着桩腿下放，平台的初稳性和大倾角 稳性将有所改善。 ( 3 ) 插桩及拔桩 插桩的过程就是平台的重量由浮力支持过渡到由桩腿支持的过程，平 台由漂浮状态过渡到海底支承状态的过程。拔桩的过程就是平台由支承状 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 态过渡到漂浮状态的过程。插桩的操作应选择良好的天气进行。在拔桩时 应防止不适当地使用拖轮或辅助设备造成桩腿及升降装置产生过大的应 力。 ( 4 ) 压载 自升式平台除沉垫型外都必须对全部桩腿进行压载，压载的载荷能预 先达到和略微超过风暴状态可能出现的最大轴向力 压载利用向平台的压载水舱中注入压载水进行。 ( 5 ) 支承于海底的站立状况 这种状况有两种情况；钻井作业状况和自存状况在此状况下，平台 主体主要受重力与风力的作用，桩腿主要受重力及风、浪、流等外力的 联合作用，平台的安全性取决于站立稳性( 着底稳性) 和结构强度。 1 2 3 自升式平台的工作原理 自升式平台由一个驳船形船体( 平台) 和数个可升降桩腿组成，可升 降的桩腿能将船体上升到海面一定高度，并能支撑整个平台在海上作业 升降船动作的完成，主要靠船体上的升降装置、动力系统、桩腿上的升降 结构以及固桩结构共同完成的。升降装置目前常用的有电动液压式和电动 齿轮齿条式两种 4 1 。 ( 1 ) 电动液压式升降装置 它是利用液压缸中活塞杆的伸缩运动带动桩腿运动，通过活塞杆的伸 缩带动环梁( 或横梁) 上下运动，用锁销将环梁( 或横梁) 和桩腿锁紧使 桩腿升降。它是断续升降，每次只能升一个节距，不能连续，升降速度较 慢，对液压阀件要求较高，但体积小，传动效率高，控制灵活，较经济， 它常用于较浅水深的自升式平台，目前我国自行设计建造的海上自升式平 台大都采用电动液压式。 ( 2 ) 电动齿轮齿条式升降装置 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 它是电动机经减速机构带动齿轮转动，齿轮固定在船体上，使齿轮与 桩腿上的齿条啮合，带动桩腿连续升降。与电动液压式相比，升降速度快， 可连续升降，操作灵活，但需庞大复杂的变速机构，体积大，制造工艺要 求高，它常用于深水自升式平台。如勘探2 号、渤海4 号和南海3 号自升 式平台均采用这种升降装置。 1 2 4 自升式平台的分类 自升式平台类型很多，可按不同方式分类 2 1 ： ( 1 ) 按桩腿下部是否带沉垫和桩腿接地型式分 桩腿不带沉垫的插桩自升式平台。这种平台桩腿直接插入海底， 用桩腿支撑整个平台，站立在海上作业，它适用于海底土壤较好的海域。 渤海5 号、7 号、9 号和l l 号自升式平台均是这种类型的平台。 桩腿带整体沉垫的自升式平台。桩腿下部带整体沉垫，沉垫能有 效地传递并分配桩腿载荷，用沉垫坐在海上作业，它适用于海底土壤承载 力较低的情况。渤海6 号和8 号是这种类型的平台。 桩腿带独立的桩靴( 沉箱) 的自升式平台。桩腿下部均带一个独 立的桩靴，以减少插桩深度。胜利5 号、6 号自升式平台均是这种类型的 平台。 ( 2 ) 按桩腿结构型式分 壳体桩腿自升式平台它是封闭型桩腿，其桩腿截面有圆形和方 形，结构简单，刚性大，一般适用于6 0 m 水深以下的浅水海域。若工作水 深再增大，波浪力随桩腿尺度增加而大大增加，桩腿重量也大大增加，用 壳体式桩腿就不经济 桁架桩腿自升式平台。它是透空式桁架桩腿，其截面有三角形和 正方形两种，由于透空，桩腿上的波浪力和海流力大大减少，常用于深水 海域作业 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 ( 3 ) 按升降装置分 可分为电动液压自升式和电动齿轮齿条自升式。 ( 4 ) 按平台钻井区域结构形式的不同分 可分为槽口式自升式平台和悬臂梁式自升式平台。槽口式平台在主体 的尾端开有槽口，钻台及井架位于井口槽的上面，钻台上的钻杆向下通过 井口槽到达海底悬臂梁式平台不在主体结构上开槽，但在甲板上设有两 道相互平行的钢梁，钻台及井架安装在钢梁上，钢梁可在滑轨上移动并连 同钻台及井架一起伸向平台尾端舷外，成为悬臂式结构。相比之下，悬臂 式平台不仅可以钻勘探井，还可以钻生产井，也可进行修井作业，而且井 架活动范围大，每次插桩作业钻井数量多，因此比槽口式平台具有更高的 效率，但悬臂梁的载荷受强度的限制比较大。 ( 5 ) 按平台用途分 自升式平台用途很广，常用的有自升式钻井平台、采油平台、修井平 台、生活平台、施工作业平台等。 1 2 5 自升式平台的特点 ( 1 ) 作业位置可移动性，工作水深和平台方位可变性。它可工作在 不同海域、不同作业地点、不同工作水深，而且平台的方向也是不确定的。 ( 2 ) 平台作业状态多，一般有四种状态：迁航状态、就位和离位状 态、正常作业状态和风暴白存状态。 ( 3 ) 综合性强。它是一项综合工程，涉及多门专业知识。 ( 4 ) 事故发生率高。由于它的可移动性和运动性，在迁航、就位( 或 离位) 、作业和自存等状态中均可发生事故，因此在设计建造和使用中均 应将平台的安全性放在首位。 1 2 6自升式平台的拖航问题 ( 1 ) 自升式平台的拖航事故与分析 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 海上移动平台拖航是比较危险的作业工况，中外海工史上都有过沉痛 的教训闭。 沉垫支承自升式平台o c e a ne ) a p i 洹8 s 号” 该平台为美国伯利恒公司设计的j u - 2 5 0 型平台，可在水深2 5 0 英尺海 域作业。1 9 7 6 年4 月1 5 日，“o c e a n e x p r e s s 号”沉垫支承自升式平台由三 艘拖轮拖航到新井位后遇风暴而不能就位，后来三艘拖轮中的两艘发生了 断缆和机械故障，继续工作的只剩下一艘。平台逐渐横对风浪、漂移、搁 浅直至翻沉，有1 3 人死亡。美国国家运输安全局确定事故的主要原因很可 能是平台失去控制，缺乏拖航应急的准备，气象预报不准确等。而美国海 岸警卫队对平台的可浸性和稳性进行了具体的研究，认为翻沉的主要原因 是：平台上存在未查明的重量以及风浪中某些部位灌入海水，发生事故前 平台的干舷估计在5 - - 6 英尺之间，比计算值7 英尺5 英寸小得多；拖航前没 有把沉垫收上来，沉垫与船体的间隙为1 2 7 英尺；甲板上重量的移动和甲 板上浪对稳性的影响等 “渤海二号” 该平台为沉垫支承自升式平台，1 9 7 9 年1 1 月2 5 日“渤海二号”拖航过程 中在渤海中部翻沉，平台上7 4 人中死亡7 2 人。该钻井平台是沉垫支撑白升 式平台，由于拖航前未卸掉平台上的9 0 0 吨可变载荷和2 6 0 0 吨该卸掉的压 载水，使干舷减d 2 4 9 米，处于一种不安全的拖航状态。其它导致翻沉的 因素有：天气条件( 8 9 级大风) 、甲板大量上浪、平台水密区域划分及 水密完整性方面的缺陷、泥泵舱进水的影响、低干舷船在甲板上浪条件下 产生的不利的横倾角、不利的拖航方向( 尾斜浪) 等。根据调查研究、理 论计算和模型水池试验，认为导致这次事故的主要的直接的因素是：低干 舷拖航、甲板大量上浪和泥泵舱进水。 自升式钻井平台拖航时抵御风暴袭击的能力差；平台定位或离位时操 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 作复杂，且对波浪敏感；当工作水深加大时，桩腿的截面尺寸、重量均将 急剧增大，同时使平台在拖航状态和工作状态的稳定性变差，因而不适于 在水深大的海区工作( 一般最大工作水深在1 0 0m 左右) 。 随着海洋石油工业的繁荣，移动平台的拖航作业日趋频繁，并且平台 的跨海区作业日益增多，迁航作业作为一种风险性较高的作业工况日益受 到业主、拖运公司、保险商及船级社等各方的高度重视。 ( 2 )自升式钻井平台的拖航事故原因总结 拖航时，平台处于漂浮状况，若平台在漂浮状态失去稳性，平台将倾 覆与沉没。统计资料表明，下列几种情况是未破损平台产生倾覆事故的主 要原因：( 1 ) 平台受定常风作用，风倾力距大于倾覆力距；( 2 ) 平台受突 加载荷( 风、浪) 的作用而引起的大角度摇摆；( 3 ) 平台自摇频率与波浪 频率耦合时产生的低频共振；( 4 ) 低干舷拖航，吃水增大；( 5 ) 甲板大量 上浪和泥泵舱进水；( 6 ) 不利的拖航方向( 尾斜浪) 。 平台拖航除要面临风、浪、流的作用外，还可能遇到暴风雨、碰船、 触礁等情况，常常导致平台破舱进水，必须采取应急措施，对事故的危险 程度给予判断，以做出继续航行、求救或弃船的决策。 平台的浮性和稳性是平台拖航中两个最基本的性能安全指标，平台安 全拖航必须满足浮性和稳性的最低要求。在海损事故中，平台破舱进水必 然导致浮性和稳性的降低。这时需尽可能准确地计算出平台的稳性，对危 险程度加以判断。 1 2 7 自升式平台的应用 海上自升式平台在我国海洋石油勘探开发和海上施工作业中得到了 广泛应用。我国已成功设计建造了渤海l 号、3 号、5 号、7 号、1 1 号自 升式钻井平台和渤海9 号海上自升式生活平台，它们都是圆柱形四桩腿液 压插桩自升式平台，工作水深均在4 0 m 以内。此外还引进一批三桩腿齿轮 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 齿条升降桁架自升式钻井平台，如南海l 号、3 号、4 号、勘探2 号和渤 海4 号等均是9 0 m 深水白升式平台。渤海石油公司还引进渤海6 号、渤海 8 号沉垫自升式平台胜利油田浅海公司引进了胜利5 号、6 号带桩靴的 大脚号自升式钻井平台。 目前我国己拥有各种类型的自升式平台，有钻井平台、采油平台、生 活平台和打桩平台。海上自升式平台已占我国海上移动式平台2 3 以上， 随着我国海洋开发事业的发展，海上自升式平台应用会更加广泛。我国已 具有设计、建造、使用各种自升式平台的能力和研制新型自升式平台的能 力。 1 3 稳性理论的研究现状 近几十年来，随着世界范围内海洋石油开发事业的蓬勃发展，各种移 动式平台急剧增长由于在设计、建造和使用等方面，尤其在浮体结构形 式的特殊性上经验不足，各类稳性事故时有发生，带来了极大的生命及财 产损失，因此，各国在平台的稳性领域开展了大量的研究工作 5 1 。 平台拖航工况与船舶的使用工况比较相似，因此平台拖航稳性的研究 主要基于对船舶稳性的研究，国内外的主要船级社都有自己的稳性规范 国内的钻井平台一部分执行中国船级社( c c s ) 的规范，还有一部分进口 平台执行美国船级社( a b s ) 的规范。稳性是确保船舶及各种海上浮体安 全航行及作业的主要性能之一，目前世界各国都制定了相应的规则，作为 船舶设计或航行中判断稳性的主要依据。但严格地说，这些规则的制定在理 论上是不严谨的，有不少需进一步完善之处。主要在于船舶及海上浮体在 恶劣海况下发生大幅度摇荡运动而导致的倾覆现象极为复杂，人们对其倾 覆机理的认识有一定局限性，加上新船型的发展以及新的海损事故发生， 提出了很多新课题。因此关于稳性的研究一直是船舶力学研究的热点。 i t r c ( 船模试验池会议) 专门成立了稳性专家委员会，组织各国研究人 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 员进行深入研究。国际稳性会议每4 年举行一次，及时交流各国关于稳性 研究的成果。国内有关的大专院校及科研机构也在不断研究，人们对船舶 倾覆机理的认识不断加深，不少成果已在稳性规则的修改中应用。但总体 而言，仍有很多未解决的难点，有待人们深入研究。 移动平台的稳性和船舶的稳性，从最基本的概念方面来说，是相同的。 但和船舶相比，移动式平台的船型比较特殊，使用工况复杂，环境条件恶 劣，设计、建造、使用、检验等方面的经验较少，形成了移动式平台稳性 问题的特殊性，这正是我们需要加以研究的。不少国家已经为移动平台单 独制定了一套稳性衡准及稳性评价方法。这些衡准主要借鉴于船舶稳性衡 准方法。因为船舶的设计、建造和使用已有几百年的历史，而平台仅有几 十年。现行移动式平台的稳性规范仍存在一些问题，例如：按规范对稳性 进行衡准时，只计入了风力的作用，而未计入波浪的同时作用。也就是说， 只进行了静力计算，而忽视了平台在波浪中的运动响应。要把这一运动响 应计入到稳性衡准中，还需要做大量的工作，主要的困难在于：和抗倾覆 相联系的运动响应相应于平台在波浪中的大幅度运动，尤其在破损状态 下，它是非线性的1 2 l 。 1 4 该论文的实际意义 自升式平台的拖航稳性关系到整个平台的拖航性能和安全性，如果稳 性达不到要求就会导致拖航失败，甚至带来严重灾难性后果。 图1 2 表示移动平台事故按初始事故分类统计的各类事故所占的百分 比数1 2 1 。图中有两组数据，一组是造成平台完全损失的各类初始数据所占 的百分比( 图形中没有阴影线) ，另一组数据是造成平台受到严重破损的各 类初始数据所占的百分比( 图形中带有阴影线) 。统计资料表明，造成平台 完全损失的最严重的原因，如图所示，有平台倾覆、井喷和天气引起的事 故。其中井喷对平台来说，在某种程度上是不可避免的，而平台倾覆和天 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 气造成的事故属于设计考虑的范畴设计时必须保证平台的浮性、稳性和 结构强度。 图l - 2按初始事故分类的统计数据 其中：l 城撞；2 - 井喷；3 - 天气；4 _ 一火灾；5 _ 爆炸；6 _ 结构破坏；7 - - - - 锚索链肿瓿索；8 _ 泄漏：9 _ 倾覆；1 0 - 搁浅；1 1 机器；1 2 - 沉没；1 3 _ 其它 由图1 2 的统计数据可知，平台倾覆是导致移动式平台损失最主要的因 素，而自升式平台的缺点是拖航时桩腿升起，导致重心高，稳性差，耐风、 浪能力不强，因而对其稳性进行研究是十分必要的 本文将结合相关的规范和理论，对“渤海5 号”自升式平台进行拖航稳性 研究。本研究的目标是通过对自升式平台在拖航状态下的相关稳性进行计 算、分析，得出平台在上述各工况下的稳性参数变化规律，为现场工作人 员提供相应的参考资料 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章自升式平台的基本参数及重心计算 第2 章自升式平台的基本参数及重心计算 2 1 自升式平台的基本参数 本文计算参数选自“渤海5 号”自升式钻井平台，“渤海5 号”为中国渤 海石油公司设计，1 9 8 3 年大连造船厂建造，它是一艘圆柱型桩腿，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， 它是针对我国渤海海域设计的，最大工作水深为4 0 m ，也称为4 0 型。 2 1 1 平台主要尺度 船长 5 7 6 m 型宽 3 4 o m 型深 5 5 m 满载吃水 3 6 1 1 1 满载排水量 6 5 7 0 o t 桩腿4x妒3mx78m 桩腿中心横向间距 2 7 4 m 桩腿中心纵向间距 3 4 8 m 2 1 2 平台拖航状态下的主要性能 空船重量 5 7 5 0 3 4 t 一般拖航状态允许的可变载荷 7 9 0 t 风暴拖航状态允许的可变载荷 2 0 0 t 其它( 备件) 2 0 t 舱底水 9 6 6 t 一般拖航：风速为4 5 m s 风暴拖航：风速为5 1 4 m s 平台升降工况： 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章白升式平台的基本参数及重心计算 海况条件：风速牛8 m s ，波高：t - l m ，潮流流速丰2 k n 桩腿下放过程中，为避免与海底冲撞，限制平台最大横摇角为1 0 4 0 材料特性： 弹性模量：e = 2 1 x 1 0 5 m p a 泊松比：= 0 3 “渤海5 号”自升式钻井平台外貌如图2 1 所示，该图中的平台处于工 作状态。 图2 一l处于工作状态的“渤海5 号” 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章自升式平台的基本参数及重心计算 2 1 3 坐标系原点的选取 采用直角坐标系，原点位于平台纵中剖面、横中剖面和底面的交点处， x 轴指向艏部为正，y 轴指向左舷为正，z 轴向上为正。如图2 2 所示。 z 图2 - 2 坐标参考图 2 1 4 平台舱室平面布置图 平台舱室平面布置图如图2 3 所示。 x 0 5 9 1 3 6 a叉 l 2 6 2 6 1 8拄 7 又 1 0 1 4 ： l 3 1 9 2 3 闵铷 c f n 必 1 f t d 2 4 图2 - 3平台舱室布置图 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章自升式平台的基本参数及重心计算 l j 左1 压载水舱；2 - 一尾污水处理舱：3 左调机舱；4 - 右l 压载水舱；5 - - - # 1 固桩区；6 _ 付泵舱；7 _ 泥浆池舱；8 _ 甜固桩区；9 叫l 液压泵舱、水泥舱； l o - 泥泵舱；1 1 喇液压泵仓、重晶石舱；1 2 - 一左2 燃油舱；1 3 - - * 舵液压泵舱、 备件舱；1 4 - 帆舱；1 5 - 右2 燃油舱；1 6 - - - - # 3 液压泵、机修间；1 7 - - # 2 固桩区； 1 8 一付机舱；1 9 _ 锅炉舱；2 0 叫3 固桩区；2 1 精污水处理舱；2 2 - 铝0 冷机舱； 2 3 俱乐部及走道；2 4 - 轮机备件舱；2 5 _ 一左2 淡水舱；2 6 _ 灯间；2 7 - 艏压 载水舱；2 8 _ 一油漆间；2 9 _ 一右2 淡水舱；3 0 _ 一右2 压载舱。 2 2 重量、重心计算 重量与重心对自升式平台的设计和使用是十分重要的，在平台拖航稳 性的计算中，平台的重量重心也是决定性的因素。同时还有一个非常重要 的问题，要尽量注意平台的重心位置和主体形心位置及四条桩腿支撑形心 的协调1 6 1 。平台的重心位置和浮体形心位置的协调，使平台在漂浮状态不 产生横倾和不合适的纵倾。平台的重心要使平台在拖航状态和作业状态时 四条桩腿受力均匀。在平台的各个设计阶段中，重量重心的计算始终是工 作的重点，是其他各项计算的基础。 2 2 1 重量、重心计算的必要性 每次拖航前都必须进行重量重心计算，其目的在于： 校对负荷情况，检查吃水是否符合拖航条件。 校对重，f i , 高度，不得超过拖航时的允许值。 调整纵倾，便于拖航 2 2 2 空船重量的估算 空船重量是指包括船体，桩腿及所有设备在内的固定重量，也包括设备 及系统中的油水重量。 平台总重量为： 形= 形 ( 2 - 1 ) 1 6 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章 自升式平台的基本参数及重心计算 式中舻砰台总重量； 形_ 平台第i 部分的重量。 平台总重心的位置为：k ，y 。，z g 平台总重心的计算式m 为： 彤如 2 生了广 聊圪 圪。午 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 彬乙 z g2 且1 广( 2 - 4 ) 式中j 乞平台第i 部分重心g j 的x 坐标； 圪斗台第i 部分重心q 的y 坐标； z 0 - 平台第i 部分重心q 的z 坐标。 本平台模型的空船重量重心与满载拖航状态下的重量重心计算详见 附录，表2 1 、2 2 。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章自升式平台的环境载荷计算 第3 章自升式平台的环境载荷计算 环境载荷主要是由风、浪、流、冰、地震等自然环境条件所引起的载 荷。为了保证自升式平台能够正常的工作，在恶劣的海洋环境条件下具有 足够的稳性与强度而得以自存，设计时需要考虑平台在各种工况下的各种 性能，并计算各种环境因素作用在平台上的载荷，以便对平台的稳性与强 度进行计算、校核。对自升式平台的拖航稳性来说，基本的环境载荷主要 是由风、浪、流所产生的。在结冰海域的结冰期，冰载荷可能成为主要的 载荷嘲。由于移动式平台根据规范 9 1 要求不考虑地震载荷的作用，所以我们 只考虑风、浪作用在平台上的载荷。 3 1 环境载荷作用方向 海洋环境载荷的作用方向可能来自各个方向，而不同方向的载荷对于 平台的稳性影响是不同的。从理论上讲，依据每个方向的载荷组合来计算 平台的总体稳性性能是全面的。在实际计算时，一般取几个具有代表性的、 典型方向的载荷来对平台的稳性进行计算。 图3 1 环境载荷作用方向图 1 8 x 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章 自升式平台的环境载荷计算 从简化图3 - l 可以看出，环境载荷沿x ( 纵向0 。) 、y ( 横向9 0 。) 方向入 射是两个典型方向，从平台的外形尺寸可以得知，横向是对平台拖航稳性 影响最大的方向。图3 1 表示了环境载荷入射的两个典型方向。 3 2 作用在自升式平台上的风载荷 对风速的取值，各国规范不尽相同，c c s 规范规定，对一般迁航风速 取为3 6 m s ，对于风暴拖航，风速取为5 1 5 i n s ；对于遮蔽水域( 仅指湖泊、 海湾、沼泽、河流等) 内作业，则常规作业情况下风速可考虑减小至不小 于2 5 8 m s 脚。 3 2 1 计算公式 目前c c s 规范给出的风载荷计算公式【1 如下： f = 0 6 1 3 c h e s v 2 ( n ) ( 3 - 1 ) 式中 g 一暴露在风中平台构件的高度系数，其值可根据构件中心至设 计水面的垂直距离按规范确定： c 。一构件的形状系数，其值可根据规范给出值确定； s 平台处于平浮或倾斜状态时，受风构件在受风方向上的投影 面积( 肼2 ) ； y 一设计风速( m s ) 。 在计算该平台的风载荷时，作如下假设： ( 1 ) 任一构件受到的风力和风向一致； ( 2 ) 风力作用在受风构件的风向投影面积的形心上； ( 3 ) 在受风时，不考虑立柱或其它结构之间的相互遮蔽作用； ( 4 ) 上述力产生的力矩只使平台倾侧而不计平台绕z 轴旋转的影响。 平台的风倾力矩： m q = f x 乙 ( 3 - 2 ) 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章自升式平台的环境载荷计算 式中 乙一平台处于拖航状态时为受风面积的压力中心到平台水下侧 面阻力中心的垂直距离。 3 2 2 计算的基本参数 平台主要参数为：l = 5 7 6 m ，b = 3 4 m ，d = 5 5 m ，拖航吃水t = 3 6 m 在计算平台风载荷时，平台各构件的受风面积及其形心位置以总布置 图为计算依据，并假定受风构件正投影面积的形心即为风力作用中心。 拖航状态时四条桩腿全部升起，桩端与船体基线平； 拖航状态下的允许最大风速为5 1 4 m ，s ； 满载拖航排水量为6 5 7 0 t ： 满载拖航吃水为3 6 m 。 3 2 3 计算结果 ( 1 ) 水阻力中心 平台处于拖航状态时沉没在水中的各个构件的水阻力中心计算如下 所示。 名称面积( s )水阻力中心到水线的距离( 日) 船体 5 7 6 t r 2 井槽 8 4 r r ，2 桩腿( h + o ，3 ) x 3( _ j i + o 3 ) 2 + r 桩靴上部( 半 地， - ( 如笔等) 甜r 桩靴中部0 8 1 0婴+ l 。7 + o 3 + 蠹+ r 桩靴下部争s 扣2 等等m s 忆圳小r 水阻力中心：z = z s h 压s - 2 7 4 m 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章自升式平台的环境载荷计算 t m 吃水，t = 3 6 m ； h - 桩腿下放高度，h = 0 。 ( 2 ) 施加在平台各个构件上的风载荷 平台处于拖航状态，遭遇横风作用时各个构件的风载荷计算见表3 1 。 表3 - 1 风载荷计算表( v = 5 1 4 m s ) 序号名称 面积s ( m 2 ) c s c as c s c h 乃( m )f ( n ) 桩腿( 距海面) ( 0 m 1 5 3 m ) 4 8 60 51 o 2 4 3 1 5 3 0 ( 1 5 3 m 3 0 5 m ) 8 6 3 4o 51 1 4 7 4 9 3 0 5 0 l ( 3 0 。5 m 4 6 o m ) 6 6 6o 51 24 o o4 6 ( 4 6 o m 6 1 0 m ) 8 1 0 3o 51 3 5 7 6 7 6 0 6 2 合计4 2 6 3 66 9 0 4 9 9 18 2船体1 5 5 9 2l1 01 5 5 9 21 1 02 5 2 5 1 5 7 9 井架( 距海面) 彻n 1 5 3 m ) 2 6 3 11 2 51 o 3 2 8 91 5 3 0 0 5 3 m 3 0 5 m ) 1 1 9 5 71 2 51 11 6 4 4 13 0 5 0 3 0 0 5 m 4 6 0 m ) 1 7 3 61 2 51 2 2 6 0 44 6 0 0 ( 4 6 o m 6 1 0 m 1 2 6 4 51 2 51 34 2 9 85 3 2 0 合计 2 6 6 3 24 3 1 3 1 0 9 6 固桩室及上层建 41 8 9 3 2l1 01 8 9 3 21 0 o 3 0 6 6 0 7 8 1 筑 5栏杆1 3 8 2o 51 o6 9 11 1 7 l1 1 1 9 0 8 9 6 飞机平台网 4 5 2o 51 o2 2 67 9 8 3 6 6 0 1 2 7飞机平台下桁架3 4 9 51 2 51 04 3 6 99 2 77 0 7 5 6 8 9 吊车底座i 1 6 2 60 51 0 8 1 33 8 8 底座23 3 6 2l1 03 3 6 26 7 7 8 吊臂 4 8 3 81 51 07 2 5 77 2 7 合计 1 1 4 3 2 1 8 5 1 4 3 6 9 9水泥罐3 4 。4 4o 51 。o1 7 2 24 4 72 7 8 8 8 1 6 泥浆净化及锚系 1 04 9 6 41 31 06 4 5 34 1 l 1 0 4 5 0 7 7 2 统 l l 其余 3 6 6 5 31 o1 03 6 6 5 37 1 45 9 3 6 0 3 2 1 1 2总计 1 6 5 3 3 8 2 0 6 8 2 6 7 7 6 8 4 4 2 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章自升式平台的环境载荷计算 其中；互一受风面积的压力中心到水线面的距离 ( 3 ) 整个平台上的风载荷 整个平台的受风面积的压力中心到水线面的距离为2 0 6 8 m ，水阻力中 心到水线面的距离为2 7 4 m ，则平台处于拖航状态时受风面积的压力中心 到平台水下侧面阻力中心的垂直距离，z = 2 0 6 8 + 2 7 4 = 2 3 4 2 m 。 当v = 5 1 4 m s 时，平台处于拖航状态时所受到的风倾力矩为： m q = f 乙f f i 6 2 7 1 1 3 6 9 1 2 n m = 6 3 9 9 1 2 t 珊 力臂：l = m o a = 6 3 9 9 1 2 6 5 7 0 = 0 9 7 m 3 3 作用在自升式平台上的波浪载荷 3 3 1 计算基本参数及工况 平台主要参数为；三= 5 7 6 m ，b = 3 4 m ，d - 5 5 m ，拖航吃水t = 3 6 m 坐标系原点位于平台纵中剖面、横中剖面和底面的交点处，x 轴指向 艏部为正，y 轴指向左舷为正，z 轴向上为正如图2 2 所示。 根据自升式平台拖航的环境条件要求，波浪载荷的计算参数和工况如 表3 - 2 、3 - 3 所示。 表3 - 2 计算参数及工况 工况拖航升降桩腿 计算水深d ( m ) 4 04 0 波高h ( m ) 4l 周期t ( s ) 84 表3 - 3 各工况波浪入射方向 工况波浪入射方向与坐标系x 轴夹角( 逆时针为正) 横向9 0 。或2 7 0 。 拖航 纵向0 6 或1 8 0 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章自升式平台的环境载荷计算 对各工况分别计算不同波浪入射方向时平台所受到的波浪力。 3 3 2 波浪理论及波浪计算公式的选取 ( i ) 波浪理论的选取 波浪理论的种类繁多，但在工程实际应用中，适用于不同水深范围的 有如下几种波浪理论：微幅波理论、斯托克斯五阶波理论、椭圆余弦波理 论、孤立波理论。在工程计算中应根据具体情况选择合适的波浪理论。 线性波、斯托克斯波、椭圆余弦波以及孤立波等波浪理论都是通过某 些假设与简化而得到的。由于不同的假设与简化，理论计算结果有别，也 各有适用范围。为确定各种波浪理论的适用范围，不少研究者进行了理论 分析或实验观测。从理论分析和实验研究可以看出，深水波区完全可以由 线性波和斯托克斯波理论进行计算；极浅水波区主要由