半潜式平台工作原理和结构特点分析 提要半潜式平台工作原理、性能特.点、类型、结构组成和特.点分析，设计工况及其在近海石油勘探开发中的作用。 关键词半潜式平台立柱结构 1半潜式平台工作原理 半潜式平台是浮动型的移动式平台，其稳性主要靠稳性立柱，它也是柱稳式平台。柱稳式平台包括半潜式和坐底式平台，坐底式平台在浅水作业，半潜式平台主要在深水作业，但也可以在浅水坐底作业，作业时和坐底式平台性能相同。半潜式平台是用数个具有浮力的立柱将上壳体连接到下壳体或柱靴上，并由其浮力支持的平台。在深水半潜作业时，下壳体或柱靴潜入水中，立柱局部潜入水中，为半潜状态;浅水坐底作业时，下壳体或柱靴坐在海底为坐底状态。半潜式钻井平台的产生晚于浮船式(水面式)平台，它是克服了浮船式钻井平台抗风浪性能差的缺点而产生的。它可以在深水海域、恶劣环境条件下作业，具有良好的运动特性，抗风浪性能好。半潜式平台在设计中巧妙地运用了以下原理，使其减小外力，增加稳性，具有良好的性能。 1.1利用半潜原理减小平台的波浪力 半潜式平台最大特点是半潜作业，半潜状态下，将大体积的下壳体或柱靴潜到水下一定深度，从而使波浪力大大减小，避开了海面波浪作用区，因此，它比浮船式平台浮在海面所受的波浪力小得多。 1.2利用稳定大立柱和立柱大间距原理增加平台稳性 半潜式平台另一特点是柱稳式平台，即利用立柱保证平台的稳性。它在半潜状态时，其水线面积主要是立柱的水线面积，水线面积虽不大，但立柱间距较大，因而平台的惯性矩较大，使其有较大的初稳性高度。它比浮船式平台惯性矩大得多。 1.3利用外力互相抑制原理减小平台运动 合理地选择平台立柱横向和纵向间距，可以使外力互相抵消一部分，而使平台运动减小。例如对于两个下壳体、左右两排立柱的半潜式平台，当立柱横向间距设计为波浪的半波长时，作用在平台两边的立柱、下壳体的波浪‘盼性力大小相等，方向相反，互相平衡，使平台运动减小。当波峰位于平台中心线时，左、右两边的立柱、下壳体同时受到向外的劈力，其力的方向相反、大小相等，互相平衡;之，若波谷位于平台中心线时，左、右两边的立柱、下壳体同时受到向内的挤压力，也互相平衡。当波长等于立柱横向间距、波峰位于左、右两边立柱上时，立柱所增加的相上浮力，可以被抵消一部分，使平台运动减小;反之，当波谷位于左、右两侧立柱时，也产生相同效果。 2半潜式平台的类型 半潜式平台类 型很多，可按不同方式进行分类，得出 不同的类型。现按结构型式、定位方式、航行能力和用途分类如下。 2.1按结构型式分 有带下壳体的半潜式和带柱靴的半潜式，前者多为双下壳体，矩形半潜式;后者为多边形，如三角形、五角形、八角形等。 2.2按定位方式分 有锚泊定位和动力定位半潜式平台. 2.3按航行能力分 有自航式、半自航式和非自航式。动力定位的半潜式平台多为自航式，半自航式是指在近距离移动可自航，远距离移动靠拖航。 2.4按用途分 半潜式钻井平台、生活平台、铺管平台、起重平台、施工作业平台等。 3半潜式平台结构组成和构件分类 3.1半潜式平台结构组成 半潜式平台由上壳体(上部平台)、立柱、下壳体(下部浮体)或柱靴以及撑杆和重要节点所组成。 3.1.1上壳体，它是上部平台结构，提供作业场地、布置生产和生活设施。 3.1.2立柱，它是连接上壳体和下壳体(或柱靴)的柱形结构，一般为大直径立柱，以保证平台稳性。立柱多为圆形，也有方形立柱。 3.1.3下壳体，它是与几个立体相连的连续浮体。而柱靴是与单个立柱相连的独立浮体。下壳体和柱靴都是半潜式平台的下部浮体结构，提供浮力，设有压载水舱，可通过排水使平台上浮。 3.1.4撑杆结构，它是将平台各主体结构连接成一个结构整体的连接构件，一般多为圆管状构件。撑杆的作用可使整个平台形成空间结构，可把各种载荷传递到平台主要结构上，并可以对风、浪或其它不平衡载荷进行有效而合理的分布。撑杆是半潜式平台主要构件，按其所处的位置有水平撑杆(水平横撑、水平斜撑)，垂向撑杆和空向撑杆等。为保证平台安全，要求在任何一根撑杆失效后，均不会导致平台结构总体坍塌，余下的各构件中所计算出的最大应力均应小于所规定的许用应力。 3.1.5重要节点，它是半潜式平台的关键构件。半潜式平台节点较多，节点的形式也很多，如箱形节点、扩散型节点、球形节点、圆鼓形节点、加强型节点等。撑杆与上部平台、下壳体和立柱之间接头均构成重要节点。 3.2’半潜式平台构件分类 根据构件失效后对平台整体结构影响的严重程度，可将平台构件分成三类。 3.2.1次要构件，这一类构件失效后不致影响平台结构的总体完整性。 3.2.2主要构件，这一类构件对保持平台的整体完整性有重要作用。对半潜式平台，如立柱的外壳结构，上壳体和下壳体的外壳结构等。 3.2.3特殊构件(关键构件)，这一类构件是处在结构转折处并出现应力集中的构件，它的破坏将危及整个平台的安全。如立柱、甲板以及下壳体交接 处结构，撑杆的节点，重要结构构件的节点，连接上壳体和下壳体的“贯穿”构 件等。 4半潜式平台设计工况 半潜式平台在结构设计中应考虑多种设计工况，以便分析不同设计工况下平台各构件的受力状态和应力情况。现以我国设计建造的勘探3号半潜式平台为例，说明该平台在结构总强度校核中考虑了8种典型设计工况，该平台是六立柱、双下壳体矩形半潜式钻井平台，其结构型式和主要尺度见第5部分。该平台8种典型设计工况如下。 4.1满载半潜、静水状态 该工况满载、半潜吃水20m，无风、浪静水状态，不钻井。主要分析平台在重力、浮力作用下的强度。 4.2满载半潜、静水、向上有0.29加速度运动状态 该工况是在4.1工况基础上再加上0.29向上加速度运动。主要分析平台有升沉加速度运动情况下的结构强度。 4.3满载半潜、静水、向上有0.29加速度运动，并且钻井，大钧上有负荷该工况是在4.2工况基础上，加上大钩负第10卷第1期中国海洋平台荷，主要考虑在静水状态下钻井作业工况的结构强度。 4.4满载半潜、风暴横浪、波峰位于平台中心线上 该工况除承受工况4.1的载荷外，还受到波浪力、海流力、风力和水阻力。当波长为立柱横向间距的2倍时，波浪作用在两边的立柱和下壳体上的惯性力使它们受到向外的劈力，以相反方向作用在两个下壳体上的拖曳力使平台产生剪切变形。 4.5满载半潜、风暴横浪、波谷位于平台中心线上 该工况与工况4.4相反，立柱和下壳体均受到向内的挤压力。 4.6满载拖航、斜浪、波峰或波谷位于对角线上的两个端立柱上 该工况为满载拖航工况，波浪沿对角线方向入射，当波长等于首、尾两端立柱对角线的长度时，对角线上两个端立柱处于同一波峰或波谷状态，而另一对角线上的两个端立柱则处于不同的波谷或波峰状态。这时平台受到不均匀浮力和波浪力作用而产生扭曲变形，两端的斜撑受到最大拉力. 4.7满载半潜、风暴横浪、波峰居中，有一水平横撑遭到破坏 该工况是工况4.4情况下，连接首、尾两端立柱的水平横撑破坏的工况，属于平台遭到一定破坏情况下的强度校核，以校核平台的强度准备。因水平横撑承受着很大的拉力和压力，对平台总强度起重要作用，一旦水平横撑断掉，平台强度是否还能满足要求，应进行校核。 4.8满载半潜、风暴横浪，波谷居中，有一水平横撑遭到破坏 该工况是工况4.5情况下有一水平横撑破坏的情况，和工况4.7相似，均属于平台遭到一定破坏情况下的强度校核。 5半潜式平台在海洋石油勘探开发中应用 自1962年第一座半潜式平台应 用以来，30多年来得到很大的发展，型式越来越多，应用的海域越来越广，应用范围越来越宽。我国从70年代就开始研究和 设计半潜式平台，1984年我国成功地建造了勘探3号半潜式平台，在东海石油和天然气勘探中发挥了重要作用。该平台是六立柱、双下壳体、矩形非自航半潜式钻井平台，用于东海和南海35~200m水深，浅水坐底作业时最小工作水深35m深水作业时最大工作水深20om。设计风速51.sm/s，波高18m，潮流流速3kn。平台总长91m，总宽7lm，总高10om(自下壳体基线至井架顶)。上部平台为矩形，长72m，宽63.7m，型深5.Zm，主甲板距基线高3om，上甲板距 基线35.Zm。平台有六个圆形立柱，直径gm，每侧有一个中间立柱，两端有首、尾立柱，立柱高24m，立柱横向.可距som，纵向l旬距为31m。有两个下壳体，每个长90m，宽14m，型深6m。平台共有18根圆管形撑杆，其中水平横撑2根，直径Zm，连接首立柱和尾立柱。水平斜撑8根，直径Zm，将中间立柱与对面首、尾柱相连。两端垂向斜撑4根，直径1.sm，使两端立柱与上部平台相连。中间斜撑4根，直径 1.sm使中间立柱与上部平台井口区四角相连。我国南海西部石油公司还引进了南海2号和南海5号半潜式钻井平台，在南海进行石油勘探。我国已积累了设计、建造和使用半潜式平台的经验，半潜式石油钻井平台在我国东海和南海勘探中发现了一批油气田，随着我国海洋开发事业的发展，半潜式平台在我国将会得到更广泛的应用。