海洋自升式平臺深水化改造技術(shù)綜述

海洋自升式平臺深水化改造技術(shù)綜述

自助式平臺廣泛應(yīng)用于海上勘探設(shè)施。目前，世界上共有近500個自升平臺，占所有海上鉆孔設(shè)備的40%以上，是淺水勘探的最佳成本效益?，F(xiàn)有自升式平臺由浮體、樁腿、升降機械等構(gòu)成,整個平臺設(shè)計為一個整體。此平臺受拖航穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)剛度等影響,隨著作業(yè)水深的增加,該模式越來越困難。同時,自升式平臺的造價,隨作業(yè)水深加大而急劇上升。為降低工程造價,需充分利用現(xiàn)有淺海自升式平臺進行深水化改造。1平臺整體構(gòu)成在原有淺海自升式平臺的下部,加上較高的一個底座,可有效提高自升式平臺的作業(yè)水深,并適于較大水深變化范圍。這個底座的剛性容易保證,材料性能要求不高,造價不會急劇上升。分體坐底自升式平臺,主要由平臺上體、平臺下體、對接引導(dǎo)裝置、壓載系統(tǒng)等構(gòu)成。平臺上體為原有淺海自升式平臺,包括平臺上箱體、升降樁腿以及平臺附屬設(shè)施等;平臺下體根據(jù)水深變化情況設(shè)計,包括平臺下箱體、固定樁腿及其它連接固定桿件等;對接引導(dǎo)裝置包括絞車、引導(dǎo)索、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向套等;壓載系統(tǒng)包括空壓機組、壓載控制氣路、通?？诘?。拖航時,平臺上體和下體均具有漂浮性能;作業(yè)時,在海上將上體和下體對接組成一座平臺。平臺海上就位對接時,壓載系統(tǒng)控制各壓載艙進水,使平臺下體沉至升降樁腿的下端;同時對接引導(dǎo)裝置卷收引導(dǎo)索,使升降樁腿與固定樁腿對中相接;然后下放升降樁腿,直至平臺下體坐落于海底;此后按普通自升式平臺升船程序執(zhí)行,調(diào)整至作業(yè)狀態(tài)。分體坐底自升式平臺海上對接示意見圖1。2組件結(jié)構(gòu)及自適應(yīng)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1水深剖面的最大流速設(shè)計水深100m;海圖水深基準面-1.20m,平均海平面0.00m;50年重現(xiàn)期高水位和低水位分別為1.71m和-1.63m;有效波高11.4m,有效波周期為12.4s;最大波高19.6m,最大波周期為13.9s;3s平均風(fēng)速61.1m/s,1min平均風(fēng)速48.9m/s,自存校核風(fēng)速54m/s;0.5m水深處的最大流速為174cm/s,0.9m水深處的最大流速為97cm/s。地基土壤的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。2.2型深30.5mm的樁腰段,空車段23.以現(xiàn)有自升式平臺母型船作為分體平臺的上體:船長54m,型寬52m,型深5.5m,樁腿3×Φ3.6m,樁腿中心橫向間距41m,樁腿中心縱向間距39m。采用直角坐標系,平臺母型船原點位于平臺縱中剖面,平臺尾部平面和底面的交點處,X軸指向艏部為正,Y軸指向左舷為正,Z軸向上為正。2.3浮性和穩(wěn)性的要求平臺下體由一個平臺下箱體(沉墊)、固定樁腿、承臺結(jié)構(gòu)這3部分所組成。這種水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),既要滿足拖航移位時的浮性、穩(wěn)性方面的要求,又要滿足作業(yè)及自存時著底穩(wěn)性的要求,同時具有自沉浮的特性。承臺結(jié)構(gòu)是平臺上下分體連接的一個過渡結(jié)構(gòu),平臺上分體的樁靴與平臺下分體的承臺精確對準并進行咬合,形成一個整體,防止平臺上分體進行滑移,對平臺上分體進行限位。2.3.1平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計平臺下箱體(沉墊)在惡劣的海況條件下,沉墊除需要承受靜水壓力和整個上部平臺的靜載荷以外,還需要承受風(fēng)力、波浪力、海流力等所產(chǎn)生的總體彎矩、垂直剪力以及扭矩引起的總應(yīng)力,并且需要有效防止平臺滑移現(xiàn)象的出現(xiàn),因而其對整個上部平臺來說非常重要。平臺下箱體結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的空間系統(tǒng),由板和骨架(交叉桿系)組成。外板保證船體的形狀、水密性及強度。為了滿足強度和穩(wěn)定性的要求,外板上必須設(shè)置骨架。船體中沿船長方向布置的構(gòu)件稱為縱向構(gòu)件,如縱骨、縱桁等;沿船寬方向布置的構(gòu)件稱為橫向構(gòu)件,如橫梁、肋板等。平臺下箱體的主尺度為:型長71m,型寬69m,型深4m,樁腿3×Φ4m×50m,樁腿中心橫向間距41m,樁腿中心縱向間距39m。2.3.2固定樁腰的設(shè)置固定樁腿結(jié)構(gòu)由固定樁腿和空間管架組成,主要作用是支撐平臺在海上作業(yè),并將平臺上體所受的載荷傳遞給沉墊,進而傳遞給海底地基。(1)固定樁腿。固定樁腿能夠提供浮力由外殼板、垂向扶強材、水平桁材、水密平臺、非水密平臺、水密通道圍壁和水密艙組成,保證平臺的浮性和穩(wěn)性,并對平臺上分體起支撐作用。從受力角度看,主要承受的外力有靜水壓力、波浪力、流力和甲板以上所有結(jié)構(gòu)與設(shè)備的重力,因而對這一部分進行強度及穩(wěn)性的校核非常重要。因上部自升式平臺母型樁腿為圓管形,直徑為Φ3.6m,因此設(shè)置固定樁腿也為圓柱型,直徑4m,厚度為50mm,且一一對應(yīng)。垂向桁材設(shè)置4道,環(huán)向桁材1.5m設(shè)置一道。固定樁腿與平臺下箱體(沉墊)的連接區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū),因此需要特別加強設(shè)置,主要采用骨架式輻射板來滿足要求,范圍為樁腿周圍7.5m×7.5m的區(qū)域。輻射板厚16mm,垂向桁材尺寸T=16×250/10×400;另外,每塊輻射板上設(shè)置水平扶強材,水平骨材間隔500mm設(shè)置,尺寸T=10×150/6×250,水平桁材間隔2m設(shè)置,尺寸16×250/10×400。(2)空間管架。為了保證固定樁腿在空間內(nèi)有更好的強度和穩(wěn)定性,設(shè)置連接固定樁腿頂部和平臺下箱體(沉墊)上甲板的空間管架。任意兩條固定樁腿之間設(shè)置對稱的兩道管架,管架中心線上部距樁腿頂端3m,下部在沉墊上表面兩條樁腿連線中點處左右,并間隔一小段距離,以便焊接等其他方面的需求。其中,右(左)后樁腿與前樁腿間的空間管架,其沉墊上表面中心點在中縱剖面上的投影間距為3.5m,使得管架正好落在#51和#58位置處的艙壁上;右后和左后樁腿間的空間管架,在其所屬平面內(nèi)底部中心點間距3.74m,使得管架正好落在中縱艙壁左右第一道強縱桁上?？臻g管架設(shè)計為單殼體結(jié)構(gòu),具體構(gòu)造為:直徑Φ1.6m,厚度20mm。2.3.3輻射板加強承臺在每個樁腿頂部7.5m×7.5m的區(qū)域設(shè)置2m深度的承臺,并且樁腿延伸至承臺內(nèi)部,以達到水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部自升式平臺的連接的有效性。采用骨架式輻射板來加強承臺:輻射板厚為16mm,垂向桁材尺寸T=10×150/6×250;另外,在每塊輻射板上設(shè)置水平扶強材,水平骨材500mm設(shè)置一道,尺寸L=100×80×8。3組件平臺的穩(wěn)定性分析3.1浮心、平臺的設(shè)計原則浮體穩(wěn)性有不同的研究、計算方法,初穩(wěn)性GM是衡量浮體穩(wěn)性的最主要的指標。式中,ZB,ZG分別為浮心和重心的垂向坐標;r為穩(wěn)心半徑;r=IT/Δ,式中IT、Δ分別為水面慣性矩和排水體積。GM必須為正值,越大浮體穩(wěn)性越好(當(dāng)然考慮綜合指標在設(shè)計時是有一定范圍要求的)。由于浮心受制于浮體外形等,浮心高度調(diào)整范圍較小,這就要求浮體重心不能太高,否則必須加大浮體尺度,通過增大水面慣性矩的辦法增大浮體穩(wěn)心半徑。在浮體下沉過程中,由于水線面喪失,穩(wěn)心半徑趨向于零(實際設(shè)計平臺樁腿在露出水面時,仍可提供部分水面慣性矩),此時只能控制使重心低于浮心保障沉浮穩(wěn)性。平臺按分體設(shè)計,拖航過程中上體、下體由于水線面較大,容易滿足穩(wěn)性要求。平臺下體由于必然存在沉浮過程,除需要滿足漂浮穩(wěn)性外,還應(yīng)滿足沉浮穩(wěn)性?？梢詮膬蓚€方面加以保證:一是利用固定樁腿的水面慣性矩,保證下體沉墊剛?cè)胨畷r的浮體穩(wěn)性;二是在通過加壓載水使下體下沉的過程中,浮心上移,當(dāng)下體完全入水時,下體重心(含壓載水)低于浮心。平臺下箱體底部也可加入一定固定壓載以降低重心。3.2原自升式平臺平臺就位后成為一個整體,但需要分別校核上體穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性。其中上體類似于原自升式平臺,樁腿視為鉸支于下體上,但樁腿整體不允許出現(xiàn)拉力。平臺整體穩(wěn)定性校核,按照坐底自升式平臺設(shè)計原則進行。3.3平臺穩(wěn)定性的計算結(jié)果3.3.1拖航狀態(tài)下的穩(wěn)性平臺下體以2m吃水進行拖航計算,拖航狀態(tài)時的橫、縱初穩(wěn)性高分別為164.90m和136.47m,滿足CCS規(guī)范中對于完整穩(wěn)性的要求。3.3.2平臺的安定性平臺下分體在由拖航狀態(tài)轉(zhuǎn)向剛好浸沒狀態(tài)的過程中,不斷向平臺下箱體內(nèi)灌入壓載水,使得平臺下分體的重量與排水量相等,重心與浮心在同一垂直線上,這個過程初穩(wěn)性高滿足規(guī)范要求。當(dāng)平臺下分體由剛好浸沒狀態(tài)到沉至海底的過程中,平臺浮力不再發(fā)生變化,于是不再向壓載艙內(nèi)灌入壓載水,使結(jié)構(gòu)勻速降至海底?？梢缘弥?這一過程穩(wěn)性狀態(tài)與平臺下分體剛好浸沒在水中時的狀態(tài)一致,也是滿足要求的。3.3.3風(fēng)暴自存條件下的平臺抗傾穩(wěn)性整個平臺風(fēng)暴自存條件下(風(fēng)速54m/s)受到最大環(huán)境載荷,需要校核平臺整體的抗傾穩(wěn)性和抗滑穩(wěn)性。(1)抗傾穩(wěn)性。風(fēng)暴自存條件下的平臺整體抗傾計算結(jié)果見表2。可以看出,平臺在自存工況下的抗傾安全系數(shù),不小于1.5,抗傾穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。(2)抗滑穩(wěn)性。風(fēng)暴自存條件下的平臺整體抗滑計算結(jié)果見表3。可以看出,平臺在自存工況下的抗滑安全系數(shù)不小于1.4,抗滑穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。因此,平臺著底穩(wěn)性滿足要求。