第一章绪论1112

1、海洋平台强度分析第第1章章 绪论绪论1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类 随着海洋石油开发事业的发展，各类海洋乎台应运而生。海洋平台的种类大体上可按如下划分： 1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类移动式平台移动式平台一、移动式平台一、移动式平台 移动式平台是一种装备有钻井设备，并能从一个井位移到另一个井位的平台，它可用于海上石油的钻探或生产。1 1坐底式平台坐底式平台 这种平台一般用于水深较浅的海域，工作水深在61m以内，作业水深再大则结构重量大，不大经济。加上其作业水深不能调节，对海底地形和土壤基础有一定要求，故适应性不强。从世界范围而言，坐底式平台发展较慢。然而我国渤海沿岸

2、的胜利油田、大港油田和辽河油田等向海中延伸的浅海潮间带，潮差大而海底坡度小，对于开发这类浅海区域的石油资源，坐底式平台仍有较大的发展前途。图11是我国自行设计建造的“胜利1号”坐底式钻井平台。1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类移动式平台移动式平台 80年代初，人们开始注意北极海域的石油开发，设计、建造极区坐底式平台也引起海洋工程界的兴趣。目前已有几座坐底式平台用于极区，图12就是其中一种，它可加压载坐于海底，然后在平台中央填砂石以防止平台滑移，完成钻井后可排出压载起浮，并移至另一井位。1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类移动式平台移动式平台2 2自升式平台自升式平台 自升式平

3、台产生于1950年，它具有能垂直升降的桩腿（见图13），钻井时桩腿着底，平台则沿桩腿升离海面一定高度；移位时平台降至水面，桩腿升起，平台就像驳船，可由拖轮把它拖移到新的井位。自升式的优点主要是所需钢材少，道价低，在各种海况下都能平稳地进行钻井作业；缺点是桩腿长度有限，使其工作水深受到限制，最大工作水深约在120m左右。超过此水深，桩腿重量增加很快，同时拖航时桩腿升得很高，对平台稳性和桩腿强度都不利。1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类移动式平台移动式平台2 2自升式平台自升式平台 1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类移动式平台移动式平台3 3钻井船钻井船 钻井船（图1-4)在船

4、中央设有井孔和井架，它靠锚泊系统或动力定位装置定位于井位上。它漂浮于水面作业，能适应更大的水深，同时它的移动性能最好，便于自航。 但由于它在波浪上的运动响应大，稍有风浪就会引起很大的运动，使钻井作业无法再进行下去，风浪更大时船还得离开井位，这是钻井船得不到大的发展的主要原因。1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类移动式平台移动式平台4.4.半潜式平台半潜式平台 为了能在深水钻井又有较高作业效率，在1962年出现了第一艘半潜式钻井平台。这种平台的基本结构形式和坐底式相仿，是由坐底式演变而来的。它上有平台甲板，在水面以上不受波浪侵袭，下有浮体，沉于水面以下以减小波浪的扰动力，连接于其间的是小

5、水线面的立柱，图1-5至图1-7所示为半潜式平台的几种型式。由于它具有小的水线面面积，使整个平台在波浪中的运动响应较小，因而它具有出色的深海钻井的工作性能。一般在作业海况下其升沉不大于11.5m，水平位移不大于水深的56%，平台的纵横倾角不大于23。这种性能对漂浮于水面钻井的平台具有十分重要的意义。 半潜式平台可采用锚泊定位和动力定位，锚泊定位的半潜式平台一般适用于200500m水深的海域内作业。图1-8表示了移动式平台的作业水深情况。1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类移动式平台移动式平台1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类移动式平台移动式平台1.1 1.1 海洋平台的种类海

6、洋平台的种类移动式平台移动式平台图1-8表示了移动式平台的作业水深情况。1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类固定式平台固定式平台二、固定式平台二、固定式平台 固定式平台靠打桩或自身重量固定于海底，目前用于海上石油生产阶段的大多是固定式平台。固定式平台的外形如下图所示。1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类固定式平台固定式平台1.1.混凝土重力式平台混凝土重力式平台 底部通常是一个巨大的混凝土基础（沉箱），用三个或四个空心混凝土立柱支撑着甲板结构，在平台底部的巨大基础中被分隔为许多圆筒型的贮油仓和压载仓，这种平台的重量可达数十万吨，正是依靠自身的巨大重量，平台直接置于海底。现在已有

7、大约20座混凝土重力平台用于北海。2.2.钢质早管架平台钢质早管架平台 钢质导管架平台通过打桩的方法固定于海底，它是目前海上油田使用最广泛的一种平台。钢质导管架平台自1947年第一次被用在里西哥湾6m水深的海域以来，发展十分迅速，到1978年，其工作水深已达312m。据报道，高度为486m的巨型导管架平台将安置于墨西哥湾411m水深的海域上。1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类固定式平台固定式平台3 3张力腿式平台张力腿式平台 张力腿式平台的上部类似于半潜式平台，整个平台是通过张力腿（实为系泊钢管或钢索垂直向下固定于海底。张力腿式平台是一种新开发的深海石油平台，与导管架平台相比，导管架

8、平台的造价与水深大致呈指数关系增加，而张力腿式平台的造价则随水深的增加变化较小。此外，由于每个张力腿都有很大的预张力，因此张力腿平台在波浪中的运动辐度远小于半潜式平台，这对海上作业是十分有利的。目前，虽然世界上只有一个张力腿平台用于北海的赫顿（Hutton）油田（水深150m)，但各国的海洋工程界已十分重视对张力腿式平台的开发研究。4 4牵索塔平台牵索塔平台 牵索塔平台由甲板、塔体、牵索系统三部分组成。塔体是一个类似于导管架的空间钢架结构，牵索则围绕着塔体对称布置，牵索系统可以吸收由外力产生的能量以保证塔体的运动幅度在规定的范围内。据文献介绍，水深在305m时，固定式平台和牵索塔平台造价几乎相

9、等，水深在305610m时，牵索塔平台优于固定式平台，而当水深大于810m时，牵索塔平台应让位于张力腿式平台。目前已有一座牵索塔平台用于墨西哥湾水深305m的海域。1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类SPARSPAR平台平台三、三、SPARSPAR平台平台 随着人类石油勘探逐渐向深水领域扩展，涌现出一些新型的适应深海海洋环境的平台。为了减小波激运动，往往将这些新型结构物的自然频率设计得远离波浪功率谱的最大频率。SPAR平台即为这种用于深海石油的开采、生产、处理加工和储存的平台结构形式之一。与其他平台形式相比它具有以下特点：1.可以应用于深达3000m水深处的石油生产2.具有较大的有效载

10、荷3.刚性生产立管（Rigid Steel Production Risers）位于中心井内部4.由于其浮心高于重心。因此能保证无条件稳定5.与其它浮体结构相比具有更好的运动特性6.壳体可以为钢结构或是水泥结构7.可以低成本储藏石油8.系泊系统的建造、操纵和定位较为容易9.立管等钻井设备能装置在SPAR内部，从而得到有效保护 1.1 1.1 海洋平台的种类海洋平台的种类SPARSPAR平台平台 正因为SPAR平台具有上述特点，它能够很好地满足深度为500至3000m水域中石油的生产和储存，已经逐渐变成最具有吸引力和发展潜力的平台形式之一，被很多石油公司列为新一代的海洋石油开采平台。1.2 1.

11、2 平台的结构特征平台的结构特征自升式平台自升式平台一、自升式平台一、自升式平台自升式平台由平台主体、桩腿和升降机构三大部分组成。1.1.平台主体结构平台主体结构平台主体平面形状一般有三角形（三腿）、矩形（四腿）和五角形（五腿）等，如图1-10所示。 平台主体通常是一具有单底或双层底的单甲板箱形结构。其内部根据作业、布置和强度要求设有纵仓壁和横仓壁，但在桩腿之间的连线上必须设置强力仓壁作为平台主体的主桁材。在大的液体仓内有时还设有止荡仓壁以缓冲仓内液体在平台运动时的摇荡主体结构的甲板、底板、仓壁等也和一般船舶一样需要由扶强材或强桁材加强。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征自升式平台自

12、升式平台2.2.桩腿结构桩腿结构 桩腿的作用主要在平台主体升起后支承平台的全部重量，并把载荷传至海底。桩腿的型式可分为壳体式和桁架式两类。壳体式桩腿由钢板焊接成封闭形的结构，其横断面有圆形和方形两种，如图1-11所示。 为配合升降装置，桩腿上有的设有销孔，有的装有齿条。这种壳体式桩腿一般用于工作水深6070m以下，再深则需增大桩腿尺寸，导致更大的波浪载荷，结构重量也增大。因此，深水的自升式平台都采用桁架式桩腿如图1-12所示。桁架式桩腿由弦杆、斜撑杆、水平撑杆、内水平撑杆组成，在弦杆上装有齿条。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征自升式平台自升式平台1.2 1.2 平台的结构特征平台的

13、结构特征自升式平台自升式平台 为适应海底地貌和土质的不同情况，桩腿下端结构可设计成单独带桩腿箱(spud can)，亦称桩靴(footing)，或设计成整体沉垫的型式。如图1-13所示。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征自升式平台自升式平台 带桩腿箱的桩腿一般说可兼顾软硬地基的要求。桩腿箱的主要型式如图1-14所示。对较硬的海底，桩腿箱设计成具有较小的支承面，甚至略带锥形；对较软的海底，桩脚箱的平面形状有圆形、方形和多边形等。 沉垫型是将几根桩腿下端连成一个共同的大沉垫，由于沉垫的支承面很大，故适用于软地基，但采用沉垫型的自升式平台在大风浪中容易产生滑移，故不宜用于淤泥地区。1.2

14、1.2 平台的结构特征平台的结构特征自升式平台自升式平台3.3.升降机构升降机构 升降装置安装在平台主体和桩腿的交接处，升降装置能使桩腿和平台主体实现上下相对运动，或把平台主体固定于桩腿的某一位置。升降装置常用的有电动液压式和电动齿轮齿条式。 电动液压升降装置常用于壳体型桩电动液压升降装置常用于壳体型桩腿腿，它利用液压缸中活塞杆的伸缩带动环梁上下运动，并利用锁销将环梁和桩 腿锁紧而实现平台主体和桩腿的相对运动，如图1-15所示。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征自升式平台自升式平台 电动齿轮齿条式升降装置常用于电动齿轮齿条式升降装置常用于桁架式桩腿桁架式桩腿，它由电动机经过减速机构带

15、动齿轮转动，使齿轮与桩腿上的齿条啮合而完成平台主体与桩腿的相对运动。当电动机处于制动状态时，则可把平台主体固定于桩腿的某一位置。在升降装置的齿轮架的上面和下面还设有缓冲垫，以缓和力的冲击作用（例如桩腿与海底碰撞的力），如图1-16所示。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征自升式平台自升式平台 在钻井作业和拖航状态时，平台主体必须可靠地固定在一起。固定桩腿的常用方法，对圆柱型桩腿是在桩腿和主体结构之间的环隙内嵌入上下两圈楔块，如图1-15所示。对桁架式桩腿则在齿条两侧各嵌入楔块，如图1-17所示。一般每个桩腿的固桩块都承受着由桩腿传递来的弯矩。为了加大上、下固桩块的距离以减少固桩块处的水

16、平力，通常上固桩块设在升降室的顶部，下固桩块设在主体底部。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征半潜式平台半潜式平台二、半潜式平台结构特征二、半潜式平台结构特征 半潜式平台主要结构由三大部分组成：上层平台，浮箱（或下浮体）、立柱和撑杆，如图1-18。平台的结构形式不同，它的组成也不同，目前具有代表性的三种类型为（1）平台形状为三角形由三个立柱，三个浮箱，三角形上层平台以 及若干撑杆所组成；（2）平台形状为五角形由五个立往，五个浮箱，五角形上层平台以 及若干撑杆所组成；（3）平台形状为矩形由二个下浮体，4至8个立柱，矩形上层平台以 及若干撑杆所组成。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构

17、特征半潜式平台半潜式平台三角形平台与其它平台相比：（1）结构形状简单、重量轻；（2）其立柱下采用靴式，结构复杂，撑杆较多，节点建造较难；u五角形平台结构更为复杂，重量也会增加，从施工建造考虑，它们也 都比矩形平台困难。五角形平台的优点是稳性好，而且波浪不论来自 何方，结构受到的载荷相差不大。 目前建造较多的还是矩形平台。1.1.上层平台结构上层平台结构 上层平台布置着全部钻井机械，平台操作设备，物资贮备和生活设施，上层平台承受的甲板载荷常在30008000t之间。 一般上层平台是由平台甲板、围壁和若干纵横仓壁所组成的空间箱形结构。根据布置和使用要求，它可分为若干层，如上甲板、中间甲板、主甲板等

18、。 由于半潜式平台在海上工作的危险性，要求上层平台为水密或具有一定的水密性，以便在万一失事中平台具有更大的安全性。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征半潜式平台半潜式平台 上层平台可以是一个整体的箱形结构，也可以是由若干纵横箱形结构单元组合而成的组合体，如“田”、“井”字形，“”形。上层平台采用箱形结构可以获得较大的抗扭刚度，但也有些半潜式平台为了减轻上层平台的重量，只设一层主甲板，而用立柱之间的强桁材，或利用与上层建筑形成的箱形结构来支承甲板。不过这种上层平台结构的材料一般都必须采用高强度钢。2.2.浮箱或下浮体结构浮箱或下浮体结构（1）浮箱结构：它是一个水密的圆台，设置在立柱下面，

19、彼此互不相连，三角形半潜式平台和五角形半潜式平台用得较多，如瑟特柯-135型(Sedco 135)和五角形-81型(PENTAGON 81）等半潜式平台的浮箱。（2）下浮体结构：矩形型式半潜式平台采用较多，如图1-20所示。此种下浮体为一圆角矩形剖面或圆形剖面的纵骨架式壳体结构，通常两个下浮体分别设置在平台两排立柱的根部，将每排立柱连成一个整体。 下浮体结构必须由若干个纵横隔仓组成，以保证其结构的水密性和强度。在这些分仓中，放置机械设备、推进器，油水仓和压载水仓，以保证下浮体潜浮作业的进行。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征半潜式平台半潜式平台1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构

20、特征半潜式平台半潜式平台（3）立柱和撑杆结构：立柱的作用与结构型式： 一方面是与撑杆一起将上层平台支撑在下浮体（浮箱）上，另一方面在平台处于半潜状态时，提供一定的水线面，使平台获得稳性。 立柱是一大直径(7l0m)的圆筒壳体，可以是纵向（垂向）骨架，或无骨架结构，但无论有无纵向骨架，都均应由环形扶强材，或其它适当的构件加强，在立柱内部也可以设置适当的“立柱甲板”，以充分利用柱体空间和保证有一定的抗沉性；立柱结构的设计应使壳体在预期的静水压力和动水压力以及工作负荷作用下不出现失稳或压坏。撑杆结构的作用与结构型式： 把上层平台、立柱和下浮体三者联结成一个空间刚架结构，同时有效地将上部载荷传递到平台

21、的主要结构上（立柱、下浮体），并将由于风、浪等载荷和其它受力状态（如拖航，沉浮过程）所产生的不平衡力进行有效的再分布。 撑杆结构，一般为管状水密结构，其内部应设置环形肋骨，以保证其形状和强度以及在较高的外部水压力作用下不出现失稳。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征半潜式平台半潜式平台 撑杆结构，包括立柱与上层平台之间的支撑，立柱与立柱之间的支撑，根据其所在的位置可分为水平撑杆，垂直撑杆和斜向撑杆，因此带来了半潜式平台结构设计最大特点之一，即节点设计的复杂性。在这些节点结构中，往往有多根杆件汇交，且属于大型的节点结构。为减少应力集中，提高疲劳寿命，目前有些半潜式平台在撑杆与上层平台、立

22、柱、下浮体的连接处采用了箱型的节点结构。 从总体结构看，平台的纵向强度由上层平台的纵箱形结构（或纵仓壁）、立柱、下浮体所组成的强力刚架来保证，而横向强度则由上层平台箱形结构（或横仓壁），文柱、撑杆所组成的刚架来保证。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征导管架平台导管架平台三、导管架平台结构特征三、导管架平台结构特征 导管架平台可分为三个主要组成部分，即上部结构、导管架和桩，如图1-21成示。1.1.上部结构上部结构 上部结构包括平台甲板，甲板支柱以及层间桁架结构，对钻井平台，甲板以两层居多，对采油平台，有时可采用单层甲板的型式。l甲板结构的主要作用 在海上为钻井或采油提供足够的场地，以

23、便在其上布置钻井或采油设备、辅助设备、各种生活设施以及供直升飞机升降。 甲板结构由甲板板和相应的构架组成，甲板本身必须有足够的强度来承受其上的各种设备荷重。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征导管架平台导管架平台2.2.导管架结构导管架结构 导管架是由导管（桩腿）和连接导管的纵横撑杆所组成的空间刚架。各管状构件相交处形成了管状节点结构，它是导管架平台的重要结构部位，在设计中要特别注意。由于管节点的几何形状复杂并受焊接影响，故其应力集中系数很高，容易发生疲劳破坏。 一般管节点都采用弦杆（即管节点中直径较大的管构件）管壁加厚或其他措施进行加强。平台进行海上安装施工时，导管架的桩腿则作为打桩

24、定位和导向用。导管架除了要承受海上的环境载荷外，还要承受上部结构的载荷，并将连些载荷较均匀地传到桩基上。在使用上，导管架还可以用来系靠船舶，以便于供应船靠离平台。3.3.桩桩 桩的作用是把平台固定于海底并承受横向和垂向载荷。桩通过导管架打入海底土中，由单桩组成群桩，以形成桩基础。上部结构和导管架的载荷通过桩基础传入地基。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征 SPAR平台平台四、四、SPARSPAR平台结构特征平台结构特征1.1.传统传统SPARSPAR平台平台 Spar平台主要由四个系统组成：顶部模块、主体、系泊系统和立管(生产、钻探、输油等)。 顶部模块是一个多层桁架结构，它可以用来

25、进行钻探、油井维修、产品处理或其它组合作业。用来支撑钻探设备和生产设备的生产钻探甲板及中间甲板与固定式平台的甲板很接近，井口布置在中部。 主体是一个大直径、大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构。水线以下部分为密封空心体，以提供浮力，称为浮力舱，舱底部一般装压载水或储油(柱内可储油也成为Spar的显著优点)，中部由锚链呈悬链线状锚泊于海底。 主体中有四种形式的舱。第一种是硬舱，位于壳体的上部，它们的作用是提供平台的浮力；中间部分是储存舱；底部为平衡稳定舱(TrimStability tank)。当平台已经系泊并准备开始生产时，这些舱则转化为固定压载舱，它们主要用来降低重心高度。最后，还有一些压载舱

26、，用于吃水控制。 第二次2008-11-41.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征 SPAR平台平台 Spar通过半张紧的钢悬索系泊系统来定位。系泊索包括海底桩链，锚链和钢缆组成。锚所承受的上拔载荷由打桩或负压法安装的吸力锚来承担。导缆孔通常位于硬舱的下部。系泊结构不仅与载荷大小有关，还与水深有关。在设计Spar的系泊系统时，通常使其在一根系泊索断开的情况下可以抵御百年一遇恶劣海况。系泊系统可以预先安装好，在壳体就位后进行连接。 Spar的立管系统主要由生产立管、钻探立管、输出立管以及输送管线等部分组成。 由于Spar的垂荡运动很小，因此它可以支持顶端张紧立管(Top Tensioned

27、Riser，TTR)和干集油树(Dry Trees)。由于每个立管通过自带的浮力罐提供张力支持，因此立管的轴向载荷与壳体运动解耦，同时使得平台对水深也不是很敏感。Spar底部接头(Keel Joint)的设计，使得Spar和立管之间可以有相对运动。浮力罐从接近水表面一直延伸到水下一定深度。在一些情况下，浮力罐超出硬舱底部。在中心井内部，由弹簧导向提供这些浮罐的横向支持。柔性海底管线(包括柔性输出立管)可以附着在Spar的硬舱和软舱的外部，也可以通过导向管拉进桁架内部，继而进入到硬舱的中心井中。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征 SPAR平台平台2.2.桁架式桁架式SparSpar平台

28、平台(Truss Spar)(Truss Spar) 第二代的桁架式Spar的概念是Deep Oil Technology(DOT)公司和Spar International公司从1996年起经过大量的工作，历时5年后提出的，并于2000年2月份第一次应用于NansenBoomvang油田。 与传统Spar相比，桁架式Spar的最大优势在于其建造时对钢材的用量大大降低，从而能有效的控制建造费用，因此得到广泛的应用。 桁架式Spar的设计概念是应用桁架结构代替传统Spar柱体的中部结构(Midsection)。 作为连接顶部硬舱和底部软舱的结构，这个桁架部分是一个类似于导管架(jacket)结构

29、的空间钢架，同传统Spar的金属圆柱中部结构相比，可以节省50的钢材。桁架式Spar通常由立腿，水平撑杆，斜杆和垂荡板(Heave Plate)组成。桁架中的管状构件在整个Spar的使用过程中均产生浮力。垂荡板通常由带支架(Girders)的刚性金属结构组成，通过水平撑杆支撑，它的设计已成为桁架设计的一部分。通过增加垂直和正交的撑杆来减小垂荡板之间的跨距。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征 SPAR平台平台 垂荡板的主要作用是增加Spar平台垂直运动的附加质量和阻尼，同时也为顶端张紧立管和刚性立管提供侧向支撑。 桁架腿柱构件一般伸长至顶部硬舱壳体结构中，来连接桁架和硬舱。硬舱和桁架结

30、构通常是分开建造的，通过焊接交叉部分的腿柱连接在一起。在作业时，桁架结构、垂荡板和结点均受到波浪和Spar运动的连续动力载荷 。因此，在结构分析和设计的过程中，必须充分考虑桁架和结点的结构强度和疲劳。桁架式Spar平台特点如下：l 中部结构和软舱部分使用较少的钢材料，建造较为便宜；l 总体吃水减小，使得单部分的建造和运输变得可行(降低了建造和运 输的难度)；l 通过阻尼板减小垂荡运动，在长周期涌中具有较好响应；l 中部结构为开放式的撑杆，降低了环流造成的拖曳载荷；l 壳体涡激振荡(Vortex Induced Vibration)响应减小了；l 刚性立管可从开放式的桁架中间穿过而无需穿过硬壳体

31、。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征 SPAR平台平台3.3.多柱式多柱式SparSpar平台平台(Cell Spar)(Cell Spar) 由于传统Spar和桁架式Spar的主体部分都包含大直径的圆柱体，对建造工艺的要求很高。因此一种新型的被称作多柱式Spar的平台被设计出来，目前正在Texas建造。它的最大优点在于，同现有的Spar平台相比，降低了建造难度，经济性较好。这种新型Spar平台的壳体由一束圆柱体组成，称为Cell，通过它们空隙间的水平的和垂直的结构单元连接起来。 多柱式Spar的上部结构由六个外圆柱围绕一个中心圆柱组成。这些上部圆柱提供整体所需浮力。Spar的下部通

32、过将外圆柱中的三个延伸到底部(延长的部分称为圆柱腿)来构成。压载舱包含在这些圆柱腿的底部，从而确保平台具有足够的稳性。同大多数已经投入使用的Spar平台一样，由于浮心高于重心，多柱式Spar同样是无条件稳定的。 垂荡板装圆柱腿上，能提供较大的垂荡附加质量和附加阻尼。因此，多柱式Spar也是一种低垂荡的平台，适合刚性立管。由于多柱式Spar没有干集油树，因此并不需要中心井，在这种情况下，中心圆柱体提供浮力。1.2 1.2 平台的结构特征平台的结构特征 SPAR平台平台 在建造过程中，圆柱体由滚压机制成，并通过自动焊接机焊接在一起，同时，内部的环形加强构件也由相同的自动焊接机焊接到圆柱体部件上。而

33、这种工艺在压力舱和固定平台的制造过程中已经使用多年。当需要更大直径的中心井时，可以考虑更多的外圆柱，例如8根或者更多。 但是，多柱式Spar中的其它一些结构的设计还有待进一步的解决。例如由于多柱式Spar具有组合外表面，传统Spar上使用的侧板不能应用于多柱式Spar。1.3 1.3 平台的典型破坏事故分析及安全性要求平台的典型破坏事故分析及安全性要求 从50年代初期到现在，用于海上石油钻探和生产的移动式平台已有约750座，固定式平台约6000座，发展十分迅速。由于海洋平台在十分恶劣的海洋环境中作业，其可能受到的外载荷及结构强度标准都很难精确地确定，再加上人们对平台设计和使用还缺乏经验，故平台

34、的重大事故仍不断发生，例如：1979年“渤海二号”自升式平台（中国），死亡72人1980年“亚历山大基尔兰”号半潜式平台（挪威），死亡123人；1982年“海洋探索者”号半潜式平台（加拿大），死亡84人；1983年“爪哇海”号(Glomar Java Sea)钻井船（中国），死亡81人；1988年7月北海的一座导管架式生产平台因天燃气泄漏，与明火相遇发生爆炸，死亡167人，直接损失9亿美元。 概括地说，平台事故发生的直接原因往往是由于：(1)结构强度储备不足；(2)浮力储备和稳性不足，(3)操作不当。1.3 1.3 平台的典型破坏事故分析及安全性要求平台的典型破坏事故分析及安全性要求 “亚历山

35、大基尔兰”号半潜式生活平台的失事是一个很典型的例子。该平台的破坏首先是从平台的D-6撑杆发生疲劳断裂开始的，接着支承D立柱的其它五根撑杆也因过载而断裂，导致D立柱彻底破坏而掉入大海，平台倾斜至3035，大约在20分钟内平台继续倾侧和下沉直至完全倾覆盖，如图1-22和23所示。事故发生时海上气候恶劣，能见度差，风速约1620m/s，波高610m。1.3 1.3 平台的典型破坏事故分析及安全性要求平台的典型破坏事故分析及安全性要求1.3 1.3 平台的典型破坏事故分析及安全性要求平台的典型破坏事故分析及安全性要求 “爪哇海”号钻井船于1983年在我国南海的莺歌海海域作业时沉没，其原因也是结构和操作

36、上的问题。当时正值16号台风过境，但钻井船仍处于和正常钻井作业一样的锚泊状态，并且船侧对着台风，由于船体承受的载荷过大，在船侧出现结构破坏，继而船仓大量进水导致整艘船翻沉。 这些重大事故引起人们的极大关注。比如“亚历山大基尔兰”号半潜式平台失事后，挪威政府机构和挪威船级社尽最大努力调查研究了事故原因，对平台的安全性提出了新的要去，并同时修改了有关的规范和规则。 例如对半潜式平台，要求当撑杆破坏后，结构仍应有强度的储备以便至少能承受一年一遇的风暴，除非对完整结构采用了极其严格的疲劳破坏衡准，因为疲劳裂缝的扩展可能是相当快的。另外，还要求平台有足够的稳性和浮力储备，对半潜式生活平台要求当一个立柱的

37、整体或大部分破损后平台仍能稳定地漂浮于海面。1.3 1.3 平台的典型破坏事故分析及安全性要求平台的典型破坏事故分析及安全性要求 就结构强度而言，海洋平台的安全性一般是通过保证外载荷效应（如结构应力）小于相应结构承载能力（如危险应力）的某个百分数的方法来达到的，也就是在结构强度上保留一定的安全储备。 结构破坏并不意味着必须是结构破裂断开，它只是一种不容许出现的极限状态。海洋平台结构破坏模式有下列四种：(1)屈服失效；(2)屈曲失效；(3)疲劳失效；(4)脆性破坏失效。1.3 1.3 平台的典型破坏事故分析及安全性要求平台的典型破坏事故分析及安全性要求 疲劳失效是构件的疲劳寿命问题，脆性破坏失效

38、与材料品种的性能和焊接质量有关，这些问题一般在结构的局部设计中处理。 结构的强度问题主要考虑的是屈服和屈曲失效破坏模式。屈服失效模式 其强度条件为 工作危险 / n 或工作式中：工作为结构在外载荷作用下的工作应力；危险为结构材料的危险应力，取材料的屈服极限；n为安全系数，根据载荷工况和不同的变形特征（拉伸、弯曲、压缩、剪切等）参照规范选取。 = 危险 / n 为许用应力。压杆的屈曲失效模式 许用轴向压缩应力a 可用屈曲应力除以压杆的安全系数K来表示： a=c/K式中c为弹性范围内的欧拉应力或非弹性范围内的临界应力。1.3 1.3 平台的典型破坏事故分析及安全性要求平台的典型破坏事故分析及安全性

39、要求 为保证平台的安全，现在除中国船级社CCS以外，世界各主要的船检机构，如美国船检局ABS，挪威船级社DNV，英国船级社LR，日本海事协会NK，法国船级社BV等都颁布了自己的海洋平台建造与入级规范。在这些规范中，对结构分析的基本原则，海洋环境条件和设计载荷的确定，结构安全系数的选取，材料的特性和选择等都作了规定。 此外，美国石油学会的“海洋固定式平台的规划、设计、建造施行方案(API一RP2A)”和英国能源部的“海洋工程装置的设计和建造指南”也有一定的权威性，在固定式平台的结构设计和强度分析中得到广泛的应用。设计者必须熟悉这些规定，才能使所设计的平台结构符合安全性要求。1.4 1.4 平台结

40、构设计的一般步骤和强度分析方法平台结构设计的一般步骤和强度分析方法 平台结构设计的一平台结构设计的一般步骤般步骤一、平台结构设计的一般步骤一、平台结构设计的一般步骤 海洋平台的结构设计首先是根据平台作业海域的环境条件、海底土壤特性，平台的使用要求、安全性、营运性能、建造工艺和维护费用，以及业主的期望等选择平台的结构型式。 由于平台长期固定或系泊于特定的海域中作业，它不像一般船舶那样，遇到大风浪可以避航，因此，在结构设计中正确地确定海洋环境条件显得非常重要。 海洋环境条件一般包括海域的水深、风暴、波浪、海流、潮汐，海底冲刷和滑移、冰情和地震等。这些海洋环境因素对平台的安全和作业效率有极大的影响。

41、 为了设计出满足各项设计条件，同时经济性优良的平台结构，往往需要选择多种方案进行分析比较，最后选定最佳的方案。因此平台结构设计实际上是一个逐步迫近或试探的过程，例如挪威阿柯（AKER）集团设计的“阿柯-H3”号（AKER-H3）半潜式平台就选择了A至H的8种方案进行分析、筛选，最后选定了H方案中的第3种修改方案，平台也因而取名为“阿柯-H3”号。 一般初步选定一种结构型式，确定平台主尺度，具体进行总体布置之后，如果是移动式平台则需要进行运动性能和稳性的分析，若不满足设计任务要求和有关规范的规定，那么这种结构型式就要被淘汰。1.4 1.4 平台结构设计的一般步骤和强度分析方法平台结构设计的一般步

42、骤和强度分析方法 平台结构设计的一平台结构设计的一般步骤般步骤 为了进行结构安全性校核，需要进行外载荷计算，强力构件尺寸的初步确定，构件材料的选取等工作，最后进行结构的总体强度分析。 外载荷计算包括确定平台的浮力、结构重量、平台的甲板载荷，由风、浪、流、冰、地震引起的环境载荷，坠落物的冲击以及供应船与平台碰撞的载荷等。 这些载荷直接影响着构件的布置，连接和尺寸的大小，是决定结构设计优劣的重要因素。对于固定式平台，还需进行桩基础计算以及桩一土一结构相互作用的分析。平台的所有强力构件都必须符合规范的强度标准，否则应修改构件的尺寸和材料品种，直到满足要求为止。1.4 1.4 平台结构设计的一般步骤和

43、强度分析方法平台结构设计的一般步骤和强度分析方法 平台结构设计的一平台结构设计的一般步骤般步骤 在结构强度尺寸确定后应对在总体布置时估算的结构重量进行校核，看其与实际的是否一致，若相差较大还需进行调整。 结构设计的最后一个阶段是局部节点结构设计，平台节点是重要的结构部位，它的强度和施工工艺往往直接影响看平台总体结构的寿命。 图1-24所示为平台结构设计的一般流程。在整个结构设计过程中，除需作有关的理论分析计算外，对诸如平台的运动性能，局部结构的应力状态，土壤基础的特性等有时还需通过实验来解决。1.4 1.4 平台结构设计的一般步骤和强度分析方法平台结构设计的一般步骤和强度分析方法 平台结构的强度分平台结构的强度分析方法析方法二、平台结构的强度分析方法二、平台结构的强度分析方法平台强度分析的方法基本上可分为两种：(1)设计波法，又称确定性法；(2)设计谱法，又称随机性法。 设