半潜式钻井平台的冰区结构加强

半潜式钻井平台的冰区结构加强
王丽;傅强;张工;王如壮;侯伟平
【摘要】冰区船舶船体结构受到冰载荷作用而产生应力,因此对冰带区域内结构需要进行加强设计.以我国首座适合北极海域的深水半潜式钻井平台为背景,对冰区航行的半潜式钻井平台船体结构计算作简要说明,研究最新冰区加强标准,并对平台的主船体结构加强设计进行相关研究.%The structure in ice environment should be strengthened because of ice loading influence.The characteristics of the semi-submersible offshore drilling platform intended to be navigated in ice environment are introduced.Some researches on criteria and the structure strengthening of the semi-submersible offshore drilling platform in ice environment are carried out base on the first semi-submersible offshore drilling platform designed by China.
【期刊名称】《中国海洋平台》
【年(卷),期】2017(032)005
【总页数】9页(P20-28)
【关键词】冰区;半潜式钻井平台;冰载荷;结构加强
【作者】王丽;傅强;张工;王如壮;侯伟平
【作者单位】中集海洋工程研究院有限公司,山东烟台264000;中集海洋工程研究院有限公司,山东烟台264000;中集海洋工程研究院有限公司,山东烟台264000;中集海洋工程研究院有限公司,山东烟台264000;中集海洋工程研究院有限公司,山东烟台264000
【正文语种】中文
【中图分类】P752
2015年冰区船舶国际学术研讨会在江苏举行，Soren Ehlers教授和Gesa Ziemer 博士作主题报告，探讨了“冰区船舶关键科学问题”的研究现状和发展趋势。

各国极地区域的关注度越来越高：STX开发大型冰级集装箱船、极地破冰穿梭LNG船；韩国三星重工已将冰区船舶作为其新技术研发的重要方向；韩国大宇将破冰油船、北极钻井船作为重点高新技术产品进行研发；欧洲也重点研发冰区船舶配套设备；等等。

新型冰区船舶的型线设计更加新颖，融冰和破冰的功能更加先进，船舶吃水冰带以下的船体强度设计将更合理，国际规则因素与“绿色船舶”的设计将更加贴合。

然而，目前全世界能够在-20 ℃极地海域作业的半潜式平台还非常少，主要制约因素是严寒气候对于人体舒适度和船舶设备环境温度保持的影响，并且冰环境下载荷比常规的环境载荷大[1]，也更加复杂，对平台结构强度要求更加严格。

因此，各船
级社对此规定了相应的冰级符号，以保证平台的安全性。

本文分析我国可在极地恶劣冰环境下作业的半潜式钻井平台结构设计特点，研究最新的船舶冰区加强规范以及海洋平台的冰区结构设计规范，对冰区半潜式钻井平台冰载荷计算及主船体结构加强进行研究。

1.1 冰区加强的定义
冰区加强系指船舶航行冰区时，由于海面上海水结冰形成的冰层、冰块，需要分别对与“冰”有关的船体结构、主机、轴系、齿轮箱、螺旋桨、起动装置与冷却水系统采取强化措施[2]。

冰区加强通常是船舶所有人自愿行为，与法定要求无关。

这种船舶的入级符号通常与常规船舶不同，要在入级符号中增加冰级符号。

1.2 冰级简述
冰级符号按照船舶在冰区作业和在冰区航行分为ICE-L和ICE-T：在冰区作业的冰级符号为ICE-L，在冰区航行的冰级符号为 ICE-T。

在ICE-L和ICE-T的基础上，船级社根据冰环境的恶劣程度定义3个等级，分别
是ICE-1C，ICE-1B和ICE-1A，其中ICE-1A是最恶劣的情况。

所以，冰级符号
的完整形式如ICE-T(1C)，表示该船舶只在1C级冰环境下的冰区拖航，在进行船
舶结构的冰区加强计算时需遵循ICE-T(1C)的相关要求。

1.3 冰带划分规则
冰带区域即在设计时需要考虑加强的区域，冰带的划分是从低水线以下的位置到高水线以上并延伸到立柱上1 m的位置。

拖航工况下艏部垂直方向冰带如图1所示，平台垂直方向冰带如图2所示。

浮筒艏部上甲板要抗击冰载考虑一定程度和范围
内加强，艏部上甲板冰带如图3所示。

操作工况和自存工况的冰带依据平台的操
作吃水线和自存水线而定，如图4所示[3]。

1.4 冰压计算
设计冰压的计算公式[4]为
式中：cd为受平台尺寸和主机输出功率影响的系数，cd=；k为受主机输出功率
影响的系数，k=，Δf为拖航时的排水量，通常从平台的静水力表中查到；Ps为平台主机的输出功率；系数a,b值从表1 中获取；c1为设计冰压在船体特定区域中
的可能性参数，按照船体计算位置选取，见表2；冰压计算系数ca=，最大值为1.0，最小值为0.35，其中，型材实际跨距l0=0.6 m，型材理论跨距la取值见表3。

1.5 结构加强计算
冰区内的结构形式大体分为3类：横骨架式、纵骨架式以及舭部圆弧结构；结构
种类分为外板、强筋以及肋骨框架。

1.5.1 外板板厚计算
(1) 横骨架式的外板板厚计算式为
式中：s为型材间距，取630 mm； f1=min{1，[1.3-](1-0.5)}，半径修正值
R1=R+0.5×{min[(a+b),s/3]},R为圆弧板半径，取1.5 m,a和b为距离型材的间距，a=125 mm,b=965 mm；tc为腐蚀余量，一般取2 mm，如果表面有保护涂层可降低冰的磨损，可以小于2 mm；h为冰层厚度，按照冰级见表4；外板冰压PPL=0.75P；σF为屈服强度，平台为NV 36钢，σF=7 850 kg/m3。

(2) 纵骨架式的外板板厚计算式为
f2计算式为
当≤1时， f2=0.6+;
当1< ≤1.8时，f2=1.4-0.4(h/s)；
当1.8< ≤3时，f2=0.35+0.183(h/s)；
当>3时， f2=0.9。

(3) 艏部、艉部无强筋圆弧板的板厚计算式为
1.5.2 强筋计算
强筋的计算分为横骨架式和纵骨架式。

(1) 横骨架式筋的剖面模数及有效受剪面计算式[4]为
式中： mt=，m0 值依据边界条件而定，见表5；l是跨距，剪应力分布系数f3=
1.2。

(2) 纵骨架式筋的剖面模数及有效受剪面计算式为
式中：载荷分布系数f4 = (1-0.2h/s)，f5 = 2.16；边界系数m1 = 11。

(3) 最小腹板板厚计算式为
式中：系数 C取805；hw为腹板高度；tshel为外板厚度。

1.5.3 梁计算
梁的剖面模数及有效受剪面计算式为
式中：载荷分布系数f6 = 0.9；梁系数f7 = 1.8；剪应力分布系数f8= 1.2 。

1.5.4 肋骨框架计算
艏部冰区肋骨框架如图10所示，取最大的跨距l和间距s组合, 肋骨框架的剖面模数及有效受剪面积计算式为
式中：弯矩M = 0.193Fl，其中冰载荷F = f12max(Ph,150)s ；肋骨柜架系数f12 = 1.8；剪应力分布系数f13 = 1.1；Q为剪力；A为受剪面积；Aa为腹板和面板
面积之和；γ为腹板与面板的取值比系数。

本文主要研究冰区平台的冰载荷计算和平台冰带内主船体的板厚、型材计算，选择中集来福士的深水半潜式钻井平台为研究实例，该平台满足挪威北海海况，同时兼顾北极圈及巴伦支海况要求，服务温度-25 ℃，入级挪威船级社，满足的冰级符号为ICE-T(1C)。

2.1 平台的基本输入信息
平台的主尺度及其他相关参数见表6。

2.2 平台的冰区划分
依据本文所述的冰带划分规则以及平台的参数，划分平台的冰区主要可分为艉部、舯部、艏部、艏部上甲板和立柱等五大区域，纵向视图如图5所示，水平视图如
图6所示。

平台的冰级符号为ICE-T(1C)，按照表7艏部冰带延伸至低水线以下0.7 m，艉部为0.6 m，同时艏艉部边界线为0.04倍船长(4 270 mm),如图5所示。

2.3 冰压计算
根据冰压的计算方法以及该平台的输入参数，计算各个船体各区域的冰压，见表8。

浮筒艏部上甲板的设计冰载荷依据冰级ICE-T(1C)选取冰压P为600 kN/m2。

2.4 结构加强计算
2.4.1 外板计算
图7～图10分别为横、纵架式以及艏艉部结构，其中，型材间距为630 mm，肘板间距为686 mm。

依据式(2)～式(4)，计算得冰区内的外板板厚见表9。

2.4.2 筋计算
图7中筋的形式为横骨架式，型材间距间距s=630 mm,跨距l=1 000 mm，结合式(5)计算。

图8中筋的形式为纵骨架式，型材间距间距s=556 mm，结合式(6)计算,跨距l=2 250 mm；其他参数的选取依据1.5.2中的定义，计算得筋的型号见表10。

2.4.3 梁和肋骨框架计算
(1) 按式(8)计算得来的结果见表11。

(2) 肋骨框架的计算依据式(12)，间距s = 2 729 mm，跨距l = 6 685 mm，面板Af = (300 mm-18 mm)×25 mm= 7 050 mm2，腹板Aw = 1 400 mm×18 mm= 25 200 mm2， = 0.28；Aa= 300 mm×25 mm+1 400 mm×18 mm= 32 700 mm2，α= 1.2，γ= 0.55，Q= F = 1 975 kN，型材取 T 1
400×18+300×25, 带板侧剖面模数为 29 634 cm3，面板侧剖面模数为18 400 cm3 ，有效受剪面积为 252 cm2, 满足要求。

梁和肋骨框架的计算结果见表11。

本文分析了冰区半潜式钻井平台的冰级、冰带划分，并以实际设计建造的冰区作业平台为背景，以最新的冰区加强规范为依据，研究了冰区半潜式钻井平台冰带内的结构计算，包括板厚、型材的大小等，详尽地阐述了冰区半潜式钻井平台结构加强设计内容。

冰环境下平台的结构加强设计是一项非常重要而又相当复杂的工作，本文的研究希望为冰区恶劣环境下半潜式钻井平台的结构加强设计提供有力的参考。

【相关文献】
[1] 侯金林，邵卫东. 冰环境条件下平台结构设计相关问题探讨[J]. 中国海上油气，2014(26): 1-5.
[2] 许运秀.冰区加强的含义及相关问题[J]. 中国船检，2008(09)：90-91.
[3] DNV.Structural Design of Column Stabilized Units (LRFD Method) ：DNV-OS-C103[S]. 2012.
[4] DNV.Ships for Navigation in Ice：TS-501[S]. 2012.。