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《自升式平台在役性能评估》既可供从事自升式平台设计、建造与使用的工程技术人员参考，也可供相关专业的研究人员及在校师生参考。
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| 內容簡介： |
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《自升式平台在役性能评估》以自升式平台为对象，系统阐述了环境载荷推算、拖航就位工况下平台稳性研究、插拔桩工况下桩土作用机制、站立工况下平台静态动态响应特性、站立工况下平台桩腿管节点疲劳寿命评估和意外工况下平台的碰撞特性等在役性能评估方法。
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| 目錄：
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目录
前言
第1 章 绪论 1
1.1 自升式平台在役性能评估背景 1
1.2 自升式平台结构及在役工况 2
1.2.1 平台结构组成 2
1.2.2 在役工况分析 3
1.3 自升式平台在役性能评估现状 5
1.3.1 自升式平台环境载荷 5
1.3.2 拖航就位工况下平台稳性 6
1.3.3 插拔桩工况下桩土作用机制 7
1.3.4 站立工况下桩腿动静响应 7
1.3.5 站立工况下桩腿疲劳寿命 8
1.3.6 意外工况下平台碰撞特性 9
1.4 自升式平台在役性能评估框架设计 11
1.5 本书主要内容 12
第2 章 自升式平台环境载荷推算 14
2.1 环境载荷计算 14
2.1.1 环境参数设定 14
2.1.2 海风载荷计算 14
2.1.3 波浪载荷计算 15
2.1.4 海流载荷计算 17
2.2 基于一维极值分布的环境参数推算 18
2.2.1 环境资料获取与样本构造 18
2.2.2 一维极值分布优选理论 20
2.2.3 一维极值分布优选工程应用 22
2.2.4 环境参数推算 24
2.3 基于二维极值分布的环境参数推算 24
2.3.1 主导与伴随要素相关性分析 24
2.3.2 二维极值分布优选理论 25
2.3.3 二维极值分布优选工程应用 26
2.3.4 环境参数推算 28
2.4 风阻系数及其影响规律分析 29
2.4.1 研究对象与风阻系数定义 29
2.4.2 仿真风载荷求解与评价 31
2.4.3 风阻系数随风向角变化规律分析 36
2.5 弦杆拖曳水动力系数及其影响规律分析 38
2.5.1 研究对象与拖曳水动力系数定义 38
2.5.2 仿真流载荷求解 40
2.5.3 粗糙度影响规律分析 41
2.5.4 入射角影响规律分析 45
第3 章 拖航就位工况下平台稳性研究 51
3.1 拖航工况下平台稳性研究 51
3.1.1 拖航系统数值模型构建 51
3.1.2 平台稳性影响因素分析 52
3.2 就位工况下平台稳性研究 57
3.2.1 就位工况数值模型构建 57
3.2.2 降桩工况平台稳性分析 58
3.2.3 系泊状态平台稳性分析 64
3.3 基于多目标优化的平台定位方法探讨 75
3.3.1 定位系统优化模型构建 75
3.3.2 优化结果分析与讨论 78
第4 章 插拔桩工况下桩土作用机制 80
4.1 插拔阻力理论计算 80
4.1.1 插桩阻力公式 80
4.1.2 拔桩阻力公式 83
4.2 自升式平台插拔桩数值模拟分析 87
4.2.1 插拔桩数值模型构建 87
4.2.2 插桩阻力影响因素分析 90
4.2.3 插桩土体流动机制 91
4.2.4 拔桩阻力影响因素分析 92
4.2.5 拔桩土体流动机制 94
4.3 集成分析平台开发与应用 95
4.3.1 集成分析平台开发 95
4.3.2 工程应用 103
第5 章 站立工况下平台静态动态响应特性 112
5.1 平台桩腿静态响应特性 112
5.1.1 结构数值模型构建 112
5.1.2 响应结果 116
5.1.3 特征指标校核 119
5.2 平台桩腿动态响应特性 121
5.2.1 平台自振特性分析 121
5.2.2 基入射角响应分析 124
5.2.3 入射角影响规律分析 127
5.3 南海北部湾处平台动态响应 129
5.3.1 环境参数与流体动力参数配对 129
5.3.2 平台位移响应差异性分析 130
第6 章 站立工况下平台桩腿管节点疲劳寿命评估 133
6.1 几何参数对管节点应力影响规律分析 133
6.1.1 管节点数值模型构建 133
6.1.2 几何参数影响规律分析 134
6.2 理想状态下的桩腿疲劳寿命评估 140
6.2.1 基础理论分析 140
6.2.2 热点疲劳寿命评估 143
6.3 实际状态下桩腿疲劳寿命评估 149
6.3.1 基础理论分析 150
6.3.2 热点疲劳寿命 151
第7 章 意外工况下平台的碰撞特性 159
7.1 对心工况碰撞响应 159
7.1.1 对心碰撞数值模型构建 159
7.1.2 碰撞前初始应力分析 161
7.1.3 对心碰撞响应分析 162
7.1.4 碰撞参数影响规律分析 167
7.2 非对心工况碰撞响应 175
7.2.1 非对心碰撞响应分析 175
7.2.2 对心与非对心碰撞对比 181
参考文献 182
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| 內容試閱：
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第1章绪论
1.1自升式平台在役性能评估背景
目前，我国正处于实现工业化的经济高速发展期，由经济高速增长所带来的能源需求不断增加，其中对油气的需求量更是急剧增大。但我国油气产量却无法满足国内需要，新增的石油需求量绝大部分要依靠进口，且对外依存度也呈逐年上升趋势。以石油为例，2012年，对外依存度为56.4%，而根据《能源发展“十二五”规划》目标，至2015年石油对外依存度必须控制在61%以内。因此，进一步提高自身油气资源的开发广度和深度，显得尤为重要。
海洋油气资源的开发需求推动了海洋工程装备的发展。我国已经将海洋工程装备制造明确列入“十二五”期间重要扶持的先进制造业之中，2015年，海洋油气开发装备关键系统和设备的配套率要求达到30%以上，2020年达到50%以上。另外，根据《世界海洋工程资讯》统计，截止到2012年年底，自升式平台558座，固定式平台248座，半潜式平台238座，坐底式平台4座和钻井船156艘，可见自升式平台更是海洋工程装备中的主角，见图1.1。
a自升式平台b固定式平台c半潜式平台d坐底式平台图1.1海洋平台分类
可是，自升式平台在带来巨大经济价值的同时，各类操作工况下的安全事故却屡有发生。首先需要指出的是，环境载荷的预估失准是各类安全事故的主要原因。例如，2010年，由于第9号热带风暴“玛瑙”的影响，中国石油化工集团公司简称中石化某海上石油修井平台在作业过程中发生倾斜倒塌事故，事故发生时，海上**阵风9级，浪高近4米。即使是在环境载荷预估准确的情况下，由于响应评估技术的失准导致的安全事故也时有发生。在拖航就位工况下，平台遭遇强风暴时会导致结构受损、舱室进水致使其稳性不足*终倾覆沉没。在插拔桩工况下，插桩时经常遇到上层土抗剪强度大于下层土的“鸡蛋壳”地层，当对地基承载力预估错误时，则发生平台“刺穿”；拔桩时，拔桩力全部是由平台浮力提供的，如果土壤阻力过大，则会造成桩靴无法上拔，平台无法移位。在站立工况下，尤其是自存工况下的平台极易由于土壤所提供的翻转抗力与水平抗力不足发生倾覆与滑移等现象，此外长时间遭受环境载荷的反复作用，使得平台结构件中所受的应力反复变化，*终引发关键位置的疲劳损坏问题。对于意外工况而言，意外碰撞占平台损伤事故的22%，据WOAD数据库对相关碰撞事故的统计发现，1980年至今，各类撞击或者近距离接触导致，继而引发整个平台不能继续正常工作的事故达到了6起，还有几例事故导致平台达到几乎倾覆的程度。
上述安全事故所引发的财产损失、人员伤亡与油气泄露给自升式平台的推广使用蒙上了阴影。因此，对自升式平台进行系统性的在役性能评估具有显著的现实意义。
1.2自升式平台结构及在役工况
1.2.1平台结构组成
本书以SuperM2自升式海洋平台为参考对象，研究自升式平台的在役性能评估方法。从组成上来看，自升式平台由平台主体、直升机甲板、悬臂梁、钻井架、不同型号起重机×3、桩腿×3以及桩靴×3等构成，见图1.2。其中，平台主体是一个单甲板箱形结构，其内部根据作业、布置和强度要求设有纵舱壁和横舱壁。甲板以下布置柴油发电机舱等动力舱、泥浆泵舱等钻井工程用舱室，还有燃油舱、淡水舱、压载水舱等液体舱。甲板上布置有钻台、井架、钻杆、隔水管堆场、起重机、生活舱室、升降装置室、直升机平台等。桁架式桩腿与圆形桩靴作用主要是在平台主体升起后支撑平台的全部重量，并把载荷传至海底，同时，还要经受住各种环境外力的作用。升降系统安装在桩腿和平台主体的交接处，可以使桩腿与平台主体作相对的上下运动，还可以将主体固定于桩腿的某一位置，此时升降装置主要承受垂直力，水平力则由固桩装置传递。
a主视图b俯视图图
1.2自升式平台装配
图1.2.2在役工况分析
自升式平台工况以操作时序进行划分：拖航，就位，插桩，预压，升起平台主体，作业，降下平台主体，拔桩，拖航， ，循环往复，直至服役期满。具体流程如下，自升式平台拖航到井位后，桩腿要下放到一定位置，在各就位锚缆的辅助下，逐渐向生产平台靠近就位，然后进行插桩完成就位。在插桩完成后平台开始压载，压载是将桩腿下面地基的承载力预先压到暴风状态所要求的地基承载力，避免极限环境条件下桩腿出现不均匀下沉，造成平台倾斜或倾覆事故发生，压载一般靠压载水的重量实现。压载完成后将平台主体沿着桩腿升到离海面一定高度，以避开波浪对平台主体底部的冲击。接下来进行平台正常的钻井作业，钻完井后离开井位时，先将平台主体下降到水面，利用水的浮力对平台主体的支持把桩腿从海底拔出并升起，然后进行拖航移到新的井位开始下一次钻井作业。接下来对研究人员重点关注的4类工况进行简述，包括拖航就位工况、插拔桩工况、站立工况与意外工况。
1.拖航就位工况
拖航工况指平台作为被拖物由拖船拖带，由某一地理位置向另一地理位置转移时所处的状态或过程，见图1.3。拖船将自升式平台拖至距离作业场区域5海里左右，平台减速准备降桩，然后将桩腿下放至一定位置后使用锚泊系统进行精就位，精就位所需时间一般较长，根据就位要求和现场情况，一般需要2～6天不等。在拖航工况，桩腿一般处于完全升起状态，且已采取了多种固定措施。在升降工况，已经拆除固桩块等固定装置，桩腿处于正在上升或下降的运动状态。就位过程中桩腿逐渐下降处于升降工况，由于桩腿的下降速度特别小，一般每小时的下降量仅十几米到几十米。4自升式平台在役性能评估图1.3自升式平台拖航工况
2.插拔桩工况
自升式平台插桩过程就是平台由漂浮状态过渡到桩腿支撑状态的过程，拔桩过程与之相反。由定义可知，插拔桩工况内平台始终与海底土壤之间有相互作用关系。平台在插桩时桩腿承受升降机构的下降力、桩腿土壤支反力和桩周摩擦力的作用。拔桩时桩腿承受升降机构的提升力、桩端黏结力以及桩周摩擦力的作用，若在淤泥中还有桩端淤泥的吸附力的作用。插拔桩作业一般在风速不大于四级，波高不大于1米的情况下进行，以避免平台产生过大的垂荡运动，使桩腿与海底间发生碰撞。
3.站立工况
站立工况包括作业工况和自存工况两种。平台主体被桩腿支撑于海面之上时，平台主体上的甲板载荷和风力将通过桩腿传递到海底，此时桩腿将受到风力、潮流力、波浪力、平台的重力和地基反力的作用。在作业工况下，平台将伸出悬臂梁并借助钻井架与其他钻井工程配套设备进行钻井作业。在自存工况下，平台将停止作业，收回悬臂梁。如图1.4为自升式平台站立工况。
图1.4自升式平台站立工况
4.意外工况
意外工况，包括平台漂浮工况下舱室破舱，或平台站立工况时与船舶发生碰撞，尤其是后者，本书中所提及的意外工况特指意外碰撞工况。从历史数据可以发现，海洋钻井平台与船舶碰撞事故频率在整体上呈下降趋势，尽管如此，所有海洋钻井平台的事故中此类事故仍然占据较大的比例。一般情况下引起海洋钻井平台与船舶发生碰撞的操作，其中平台物体移动与供给船停靠平台，这两种情况占据所有事故的34。另外，引发海洋钻井平台发生重大损伤的碰撞事故中，有一起是船舶停靠平台所致，另一起是过路船舶导致的。由于平台物体转移引起的碰撞事故对海洋钻井平台不造成或造成较小的损坏。事故原因中船舶驾驶员的个人原因，如操作失误或判断失误占到了近一半，这些事故往往会导致平台的损伤。
1.3自升式平台在役性能评估现状
1.3.1自升式平台环境载荷
2012年，美国船级社ABS与中国船级社CCS指出作业工况下环境参数推算方法可采用百年一遇风速与百年一遇波高进行组合作为环境参数，称为单因素法。其研究重点在于求出各环境变量对应的一维极值分布，具体被细分为极值分布选取及参数估计方法。一维极值分布的选取范围包括，以P-Ⅲ型为代表的经验分布，与以广义极值分布GEV为代表的理论分布集，涵盖耿贝尔Gumbel分布极值Ⅰ型，Frechet分布极值Ⅱ型，韦布尔Weibull分布极值Ⅲ型，此外还有**熵模型等其他分布模型。一般地，工程计算中常用的是耿贝尔分布、对数正态分布及二参数韦布尔分布。极值分布和参数估计方法往往会随着统计对象改变而呈现出不同的拟合表现，很难直接判断优劣性，因此在面对新海域单变量环境样本时，仍需要对极值分布和参数估计方法进行寻优。
2000年，美国石油协会API指出自存工况环境参数计算可选用百年一遇波高及“相伴随”的风速，可以看出该法考虑了变量间的相关性。2011年，DNV规范又指出作业工况环境参数计算也应考虑联合概率分布，并指出重现期应该100年。同年，刘伟据此思想给出了基于众值与均值的条件概率分布设计法，该方法的研究重点则在二维极值分布的选取上。在面对新海域双变量环境样本时，需要对不同Copula分布之间，Copula分布与传统极值分布之间进行二维极值分布优选，尤其是后者之间的对比仍鲜见报道，有必要进行数据积累。
目前对自升式平台风阻系数的研究较少，主要报道仍集中在各船级社规范中给出的定义与相应推荐值。此外，为了能够对风阻系数进行反算，也需要关注风载荷的计算方法，这方面的研究已经有了大量的数据积累。风载荷研究的重点放在了对*终载荷计算而非其风阻系数的研究上，这使得风载荷的丰富的研究成果并不能有效地辅助工程计算，造成应用*为广泛的规范计算仍使用推荐值，精度停滞不前，限制了结构设计人员对于环境载荷的计算精度。
拖曳水动力系数定义源于在波流载荷计算时常用的Morison公式。CCS中对拖曳水动力系数给出了推荐值，对圆形构件，取0.6～1.2，对于弦杆此类的非圆截面构件并未给出推荐值。此外，为了能够对拖曳水动力系数进行反算，也需要关注波流载荷的计算方法。除DNV规范外，对于桩腿弦杆为对象的拖曳水动力系数鲜见报道，因此有必要对该特定外形下的构件拖曳水动力系数进行研究，并给出不同粗糙度与入射角下拖曳水动力系数变化规律，并与DNV规范进行对比。
1.3.2拖航就位工况下平台稳性
对于一般海洋浮体的拖航稳性评估工作国外研究较早，Strandhangen运用线性理论发现改变拖带点的位置和拖缆绳长度可以保持拖航系统的航向稳定性。Inoue等也通过运用线性理论来研究多条被拖船拖航作业时航向稳定性保持的问题。他们通过整理分析得到在拖带作业时缆绳的弹性、缆绳的重量会影响系统的航向稳定性。Bernitsas等对在弹性拖缆条件下被拖船的非线性稳定性进行了研究分析。Charters等通过运用线性时不变经典拖航理论研究了浅水对四种典型的被拖船拖航航向稳定性产生的影响，并提出了拖航稳定性参数。国内来看，严似松和黄根余建立了静水中拖航系统的操纵性运动的数学模型，并分析了缆长、载重量、纵倾等参数对拖航系统直线运动的影响，之后又模拟了拖航系统在风浪中的操纵性运动，分析了拖航速度、拖缆长、纵倾、载重量、环境条件等因素对拖航系统的运动和拖缆力的影响，但忽略了水动力非线性部分，没有全面反映系统的操纵性能。
对于自升式平台的拖航稳性而言，潘斌计算了各类型自升式平台在不同拖航操作状态下的稳性，并根据计算结果分析研究了这些操作的利弊。段艳丽对自升式平台拖航状态进行了完整稳性的计算分析，并利用ANSYS软件的二次开发功能解决了锚泊悬链线的建模问题，以及对平台施加波浪载荷的难题，与此同时，其针对不同海况对桩腿升降过程的平台稳性进行了详细的分析探讨。何堃等进行了自升式平台就位过程桩腿触底分析，对就位降桩过程稳性分析涉及较少。徐志海详细阐述了自升式平台各操作工况中需要注意的关键技术，在移航工况时允许部分桩腿低于平台主体基线，不仅能减少起升的时间，还可减小拖航中桩腿的惯性载荷，且因受风面积减小而增加平台稳性。
对于浮体系泊定位稳性评估而言，王丹丹等利用数值模拟法，研究了锚泊浮体在风、浪、流联合作用下的运动响应规律及锚链线张力变化规律。采用了三维锚链线静力模型和浮体频域运动模型这两种数学模型。求解出锚泊浮体运动方程，从而
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