自升式钻井平台结构设计标准探讨.pdf

双月刊 / 总第 260 期15 自升式钻井平台结构设计标准探讨 中国船舶及海洋工程设计研究院 唐旭东 摘 要：本文以自升式钻井平台综合标准化示范项目为依托，对自升式平台结构设计过程中涉及 的国际海事组织的法规、船级社协会的规范以及各级标准化组织的标准等进行了梳理分析和总结。 关键词：自升式 钻井平台 标准 结构设计 引言 2012 年开始，在中船集团公司科技部的领导 下，由上海外高桥造船有限公司牵头，联合中国船 舶及海洋工程设计研究院和中国船舶工业综合技术 经济研究院共同开展关于“海洋工程装备自升式 钻井平台综合标准化示范项目”1的研究工作。该 标准化示范项目旨在通过对国内外标准梳理和对比 分析，根据体系框架补充完善标准体系。运用标准 综合体运作模式，推进标准化管理工作，充分发挥 标准在自升式钻井平台（以下简称“自升式平台” ） 设计、建造中的引领和支撑作用，提升自升式平台 的设计、建造能力。本文依托该标准化示范项目， 通过对自升式平台结构设计中涉及的规范、标准和 惯例（以下统称为“标准” ） 等进行大量的梳理、分 析以及转化等工作，并结合我院和外高桥船厂联合 打造的多型 JU2000E 和 CJ 系列平台在设计过程中 的经验，总结自升式平台结构设计的有关标准，供 业界人士一起学习和探讨。 1 自升式平台标准简介 自升式平台是指具有活动桩腿且其主体能沿 支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行作 业，并能将主体降回海面和回收桩腿的平台 2，由 主船体、桩腿、桩靴、升降机构、悬臂梁、钻台、 生活楼以及直升机平台等组成，一般适用于水深 12 ft 550 ft（3.66 m 167.64 m）的海上油气田的勘 探、开采作业。自升式平台的设计涉及船体、机电、 钻井、岩土等多学科，所使用的标准非常多，按标 准的来源，主要分为以下几大类： 1） 国际海事组织（IMO） 的标准； 2） 国际船级社协会（IACS） 的标准； 3） 标准化组织制定的标准，包括国际标准、国 家标准和行业标准等； 4） 企业内部标准。 其中结构设计中涉及的标准也较多，而且各标 准之间又有交叉引用，为了便于描述，按“材料选 用和焊接检验的相关标准” 以及“结构设计和计算 的相关标准” 两大类进行总结。 2 材料选用和焊接检验的相关标准 2.1 材料选用 自升式平台结构构件所使用的材料主要是钢 材，因此本文所述的材料选择亦指结构用钢的选择。 选取合适的材料是自升式平台结构设计中的重要一 环，应根据对应船级社的规范选取，同时也可参考 我国国家标准 GB 712-2011船舶及海洋工程用结构 钢 。该标准是参照中国船级社材料和焊接规范 对 GB 712-2000船体用结构钢 修订而成。标准中 规定了船舶及海洋工程用结构钢的分类、牌号、订 货内容、尺寸、外形以及检验等技术指标，同时也 列出了各船级社规范规定的钢级、牌号对应关系表， 供设计者参考。 根据船级社规范，自升式平台结构用钢的选择通 常根据结构设计温度、构件分类等要求选取。其中设 海工装备 船舶标准化与质量 海工装备 船舶标准化与质量 2015 年第 5 期 16 计温度与平台的使用环境相关，一般在设计规格书中 指定。而对于构件分类，中国船级社（CCS） 、美国 船级社（ABS） 和挪威船级社（DNV） 等规范对自升 式平台构件分类的定义基本一致。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，将结构构件分为次要构件、主要构件和 特殊构件三类，对每类构件的详细定义也基本一致。 值得注意的是，各船级社同等钢材级别对应的材料厚 度限制是有较大区别的，在设计时应特别关注，尤其 是需要满足双船级要求的平台，通常要按较高要求选 用钢材。表 1 列出部分船级社的普通钢和高强度钢钢 材级别对应的材料厚度限制对比。 表 1 在 -20下部分船级社的钢材级别对应的材 料厚度限制对比 mm 构件 类别 钢材等级 船级社 CCSABSDNV 次要 构件 A1012.520 B201940 D453580 E100100150 AH201930 DH4510060 EH100100150 FH100-150 主要 构件 A- B1012.520 D3022.540 E10010080 AH1012.515 DH301930 EH10010060 FH100-150 特殊 构件 A- B- D10-20 E3527.540 AH- DH10-15 EH3527.530 FH70-60 注：表中“-” 表示不适用 除了普通钢和高强度钢，自升式平台中还 大量使用超大厚度、超高强度的调质钢板，如 JU2000E 型平台的齿条板和弦管，材料按美国材 料试验协会 ASTM A517/A517M 的标准执行，屈 服强度 690 N/mm2。 此外，自升式平台结构中还使用了大量钢管， 如桩腿撑杆、直升机平台撑杆、支柱等。关于钢管 的标准，船级社规范没有具体要求，目前国家标准 也只有针对船用的标准，如 GB/T 5312-2009船舶 用碳钢和碳锰钢无缝钢管 。自升式平台很多都采用 按美国石油协会（API） 管线钢管规范 （API Spec. 5L） 执行的钢管。API 管线钢管有各种强度等级的管 材可以选用，如表 2 所示。相比结构钢管，管线钢 管对密性的要求较高，而对低温冲击性能，则应按 船级社的要求增加相应试验。 表 2 API 管线钢管力学性能 钢管等级 最小屈服强度 N/mm2 最小抗拉强度 N/mm2 B245415 X42290415 X46320435 X52360460 X56390490 X60415520 X65450535 X70485570 X80555625 X90625695 X100690760 X120830915 2.2 焊接检验 关于自升式平台结构焊接，船级社规范一般都 有相关要求，如 CCS材料和焊接规范 。另外也 可参考美国焊接学会钢结构焊接规范3（AWS D1.1、D1.1M） ，该标准内容详尽，是世界业内外公 认的焊接权威标准。 此外，关于自升式平台焊缝无损探伤的要求， 船级社规范也根据构件类型确定焊缝的检测类别、 双月刊 / 总第 260 期17 检测方法和检测范围。而具体的操作方法，可参考 船级社的有关指导文件及国际标准化组织（ISO） 的 相关标准，如 ABS船体焊接无损检测指南 、ISO 11666焊接的无损检测 超声波检测 验收 等。 3 结构设计和计算的相关标准 3.1 设计载荷 自升式平台的设计载荷包括环境载荷、重力及 功能载荷。 自升式平台时刻受环境载荷的作用，环境载荷 是指直接或间接由环境作用引起的载荷，主要有风、 浪、流、冰和地震等载荷。关于环境载荷的确定， CCS、ABS 等船级社规范中都有相应的要求； IMO 海上移动式钻井平台构造和设备规则 （以下简称 MODU 规则 ） 也有相关描述； 比较系统的标准有 我国石油天然气行业标准 SY/T 10050-2004环境条 件和环境荷载规范 ，SY/T 10050 为重要环境条件的 描述及环境载荷的确定提供了详细的技术指导，可 作为船级社规范以外的参考资料。事实上，SY/T 10050 也源自船级社，其等同采用 DNV 入级通讯 No.30.54，而后者被 DNV环境条件和环境载荷的 推荐作法 （DNV-RP-C205） 所取代，并增加了关于 气隙及波浪砰击以及水动力模型试验等内容。 自升式平台的重力及功能载荷是指在静水条件 下由平台重量、使用及作业引起的载荷，主要有空 船重量、压载重量、消耗品重量、作业载荷、甲板 载荷等。重力及功能载荷根据设计要求确定，其中 关于甲板载荷，船级社规范中一般都有最小规定值， 如 CCS 船级社规定： 1） 船员舱室和走道： 4 500 N/m2； 2） 作业区域（包括露天甲板） ： 9 000 N/m2； 3） 储物（堆放） 存区： 13 000 N/m2； 4） 直升机甲板： 2 000 N/m2。 3.2 强度校核 自升式平台的强度校核主要分为总强度校核和 局部强度校核。此外，在总强度和局部强度计算中， 对于承受压缩和 / 或剪切的构件，除了校核屈服强 度外，还应校核屈曲强度；对于容易发生疲劳的热 点区域，还应校核疲劳强度。 3.2.1 总强度 自升式平台的总强度分析通过建立包括平台主 体和桩腿在内的结构三维有限元模型，并对主要构 件进行强度评估。规范通常对总强度的分析方法提 出了原则上的要求，具体做法可参考美国造船师与 轮机工程师协会（SNAME） 自升式平台现场具体 评估的推荐作法5，该文献对设计载荷的输入、水 动力和风载荷的计算、结构强度分析以及应力衡准 等提供了详细的指导。 3.2.2 局部强度 桩靴、升降机构、悬臂梁等都是自升式平台的 特有结构，一般通过建立三维有限元模型直接计算， 并根据规范中的应力衡准对其强度进行校核。各类 设备的加强，也通过建立局部模型进行计算验证。 平台构件尺寸按规范公式进行计算。 另外，自升式平台结构中还有大量的管节点， 如桁架式桩腿、直升机平台支撑结构和其他附属平 台的结构中管与管之间的连接节点的设计和冲剪计 算等，可参考 API固定平台规划、设计和建造的 推荐作法工作应力法 （API RP 2A-WSD） 。 此外，直升机甲板、吊机等设施除了要满足船 级社规范外，还应满足其他一些法规或行业标准。 直升机甲板是自升式平台的重要组成部分，可 满足人员快速登、离及逃生的需要，直升机甲板的 结构强度关系到整个平台的安全。船级社规范一般 都有关于直升机甲板结构强度的计算要求，如 CCS 要求选取甲板均布载荷、直升机着陆时碰撞和直升 机存放三种工况，并按各个工况下构件的安全系数 进行校核。此外，直升机甲板的设计还应满足国际 民航组织、平台所在海域国家民航主管机关以及海 事主管机关的有关条令。如在英国海域作业，就应 满足英国民航局 CAP437 海洋直升机着陆区标准 ， 该标准系统地阐述了海洋直升机甲板的设计，对一 些细节也有相关要求，如对梁拱的要求，其规定固 定平台上的直升机甲板应设置斜度大约 1:100 的梁 拱以便于快速排水 6，尽管自升式平台属移动平台 唐旭东 自升式钻井平台结构设计标准探讨 海工装备 船舶标准化与质量 2015 年第 5 期 18 的范畴，但在站立工况下应按固定平台考虑而设置 梁拱。 吊机是保障自升式平台正常作业的重要设备， 因此保证吊机基座的结构强度也非常重要。有关吊 机的设计规范，可参考 CCS船舶与海上设施起重 设备规范 、ABS起重机认证指南 、API海上平 台起重机规范 （API Spec. 2C） 等，其中均有吊机基 座设计和计算的相关要求。 3.2.3 屈曲强度 对于承受压缩和 / 或剪切构件的屈曲强度校核， 船级社规范中有对应的计算方法。另外，我国石油 天然气行业标准 SY/T 6875-2012板式结构屈曲强 度 、SY/T 6876-2012壳的屈曲强度也分别给出 了常见板架和壳体的屈曲强度的计算方法，可作为 参考。 3.2.4 疲劳强度 自升式平台的桩腿等结构长期受到环境载荷的 交变作用，容易产生疲劳裂纹并产生一定的疲劳累 积损伤，疲劳强度校核的目的是确保平台结构在营 运期间具有足够的疲劳寿命。关于自升式平台疲劳 校核的范围，船级社有相关规定，如 CCS 规范规 定至少包含桁架式桩腿、桩腿支承结构、海水塔与 桩腿相连节点、燃烧臂等结构。疲劳的分析方法可 用基于 S-N 曲线的线性累计损伤方法，也可用断 裂力学方法，可参见我国石油天然气行业标准 SY/ T 10049-2004海上钢结构疲劳强度分析推荐作法 ， 该标准等同采用 DNV-RP-C203海上钢结构疲劳强 度分析推荐作法 ，以疲劳试验和断裂力学为基础提 出有关疲劳分析的建议，可作为船级社规范以外的 参考资料。 3.3 其他 此外，还有一些不是针对结构设计提出的，但 最终影响结构设计的标准，也应引起足够重视。如 2009 年M