摘 要

随着世界经济的繁荣和科学技术的发展，石油作为重要的能源，用途越来越广泛，由此使有限的陆地石油资源已日渐枯竭。石油开采商把目光纷纷投向海洋石油的开发。在海洋油气开发装备中，自升式平台由于能够适用于不同的海底土壤条件和较大的水深范围，同时移位灵活方便，便于建造，因此应用非常广泛。

为了提高自升式钻井平台插桩和拔桩的安全性，大部分自升式钻井平台在桩腿下端通常设置有桩靴。作为海洋工程，自升式钻井平台桩靴结构的设计是很重要的一个环节。

本篇论文以一座近海自升式平台为研究对象。先根据规范要求进行自升式平台四边形桩靴的规范计算，确定各构件尺寸。之后，用Patran/Nastran有限元软件，选取四边形桩靴的主要构件建立三维有限元模型，按照中国船级社《海上移动平台入级规范》及修改通报的要求，选定计算工况、计算载荷、确定边界条件等，对其桩靴结构强度进行了有限元直接计算，重点考察桩靴主要结构构件的强度。

在屈服强度计算完成后，根据CCS《海上移动平台入级规范》和《海洋工程结构物屈曲强度评估指南》，对该四边形桩靴进行板格屈曲强度的计算与评估。利用Patran/Nastran中的屈曲分析模块进行屈曲强度分析。

通过强度校核（按照《海上移动平台入级规范》和《海洋工程结构物屈曲强度评估指南》），该桩靴的强度符合要求。

分析结果表明，严重的工况出现在预压载和风暴自存时，应力较大区域出现在桩靴底部和舱壁角隅处。本论文最终较好的完成了设计要求，该桩靴的强度分析与优化为今后同类型平台桩靴结构的设计提供了参考。

关键词: 四边形桩靴；直接计算；有限元；屈服；屈曲

Abstract

As the development of word economy and technology, petroleum has became a very important energy source, and been used more and more widely. Many petroleum companies pay more attention to the exploitation of sea petroleum, for the dwindling of limited land petroleum source. Compared with other sea petroleum exploitation equipments, self-elevating platform can be moveable, easily built, and adapted to different environment of seabed and water depth, so it is used widely.

In order to reduce risk of safety during leg pinning and pulling period, most self-elevating platform has spudcan at lower end of leg. As an Ocean Engineering, the design of spudcan structure should be very important to a self-elevating platform.

This thesis uses a offshore jack up platform as the research object. According to the specification requirements, the calculation of the quadrilateral spudcan is conducted to determine the size of each component.After that, by using Patran/Nastran finite element software, three-dimensional finite element model of the quadrilateral spudcan is built. According to the China Classification Society《Rules for Constraction And Classification of Mobile Offshore Drilling Units》in 2012 and the Amendment, with selected load cases , calculated load and determined the boundary conditions, the directly finite element calculation of the spudcan hull structural strength is operated to evaluate the strength of the spudcan.

After the yield strength calculations, according to CCS《Rules for Constraction and Classification of Mobile Offshore Drilling Units》in 2012 and《Guidelines for Assessment of Buckling Strength of Marine Engineering Structures》,calculation and evalution of the buckling strength of quadrilateral spudcan’s panels is conducted, by using the buckling analysis module in Patran/Nastran.

Through Strength check (according to《Rules for Constraction and Classification of Mobile Offshore Drilling Units》in 2012 and《Guidelines for Assessment of Buckling Strength of Marine Engineering Structures》), the intensity of the spudcan meets the requirements.

The analysis results show that, the most severe is preloading and severe storm, and high stress district includes bottom structure and bulkhead corner. At last the design requirement is fulfilled in this thesis, and this strength calculation and optimization provide a reference to the design of self-elevating unit in the future.

Key Word: quadrilateral spudcan; direct calculation; FEM; yield; buckling

目 录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1.研究目的及意义 1

1.2. 国外研究状况及发展趋势 1

1.3. 国内发展状况 2

1.4. 本文主要工作 3

1.5. 主要计算软件介绍 3

第2章 本文所依托自升式平台设计方案 4

2.1. 设计平台的主尺度/主要技术性能参数 4

2.2. 设计平台的主要环境参数 4

2.3. 设计平台的总布置 5

2.3. 设计平台的空船重量 5

第3章 船体结构规范设计 6

3.1. 概述 6

3.1.1. 桩靴形式的确定 6

3.1.2. 桩靴顶部坡角的确定 6

3.1.3. 桩靴底部坡角的确定 6

3.1.4. 桩靴主要构件的布置 6

3.1.5. 桩靴主要构件尺寸的规范设计 8

3.2. 板材厚度规范计算 8

3.2.1. 桩靴顶盖 8

3.2.2. 桩靴底板 9

3.2.3. 环形壁板 10

3.2.4. 放射状舱壁板 12

3.3. 扶强材尺寸规范计算 13

3.3.1. 桩靴顶盖扶强材： 13

3.3.2. 桩靴底板扶强材 14

3.3.3. 环形壁板扶强材： 14

3.4. 桁材尺寸规范计算 15

3.5. 构件尺寸汇总 17

3.6. 小结 18

第4章 屈服强度直接计算分析 19

4.1. 有限元概述 19

4.2. 实船资料 19

4.3. 按照《海上移动平台入级规范》以及修改通报屈服强度有限元直接计算 19

4.3.1. 有限元模型 19

4.3.2. 载荷计算 23

4.3.3. 边界条件 28

4.3.4. 主要应力结果及屈服强度评估 28

4.4. 小结 36

第5章 四边形桩靴屈曲强度评估 37

5.1. 概述 37

5.2. 屈曲模态变形云图 37

5.3. 屈曲载荷倍数因子统计 41

5.3. 小结 42

第6章 结论与展望 43

6.1. 结论 43

6.2. 展望 43

参考文献 45

致谢 46

第1章 绪论

1.1.研究目的及意义

世界经济的高速发展带来大量的能源消耗，石油作为当前的主要能源，消耗量非常巨大。在陆地油气资源逐渐枯竭的背景下，开采商们纷纷把目光转移到海洋。浩瀚的海洋油气资源十分丰富。如何合理有效的开发和利用这些宝贵资源，又是留给人们的一大难题。海洋平台作为开发海洋油气资源的重要技术装备，对于她的研究有着非常重要的意义^[1]。

海洋平台主要有固定式和移动式两大类，自升式平台属于移动式平台。由于自升式平台的定位准确和工作可靠性高，并且具有移动灵活 、方便建造等优点，在大陆架海域，也就是近海海域的油气资源开发中起主要作用^[2]。

1.2. 国外研究状况及发展趋势

1956年，世界上第一个自升式钻井平台“天蝎号”由美国建造并投入使用。经过几十年的发展，自升式钻井平台已经成为移动式钻井平台的的主要形式，占据钻井平台市场大部分的份额^[3]。

现在的自升式平台在抗风暴能力、工作水深、钻井能力和操作性能等方面有了长足的进步。她不仅可以用来钻井，也可以用来进行钻井以外的工作，比如说安装导管架平台和上部模块等工作。伴随着海洋油气资源开发需求的进一步增长，在保证经济性的前体下，自升式钻井平台还要向深水发展^[4]。

目前世界上主要的自升式钻井平台设计公司有，美国的Famp;G，LeTourneau，BASS^[5]与BMC，日本的三井海洋开发，荷兰的MSC以及法国的CFEM。每个公司都有各种型号的系列产品。当前占技术领先地位的是LeTourneau，MSC和Famp;G^[6]。

未来一段时间，建造和使用钻井平台仍将延续之前的热度，造价也会由于对平台功能性的要求而有所增加，同时向深水扩展是必然趋势。但是，要是目前这些工作水深在100米以上的自升式平台在深水区（100~150米）没有找到较大规模的油气资源，那么自升式平台的市场需求可能会降低很多^[3]。

1.3. 国内发展状况

改革开放以来，我国经济发展迅速，中国对石油的需求日益增加，油气供求矛盾非常突出。目前我国陆地油气资源探寻开发程度已很高，油气资源所剩不多。开发海洋油气资源已刻不容缓。好消息是，我国的海洋线十分漫长，海域面积也很大，油气资源非常丰富。在各个海域已有发现并展开了早期开采。