7 海洋平台设计
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⑶1983年中国“爪哇海”号半潜式平台倾覆 死亡84人；
⑷1988年7月北海的Piper—Alpha导管架平台 因天然气泄漏，与明火相遇发生爆炸，死亡 167人，直接损失9亿美元；
⑸2001年3月15日巴西P－36半潜平台发生爆 炸后沉没。
“渤海二号”
从打捞的实物证实，全船甲板上共 有10个通风筒，被风浪打掉4个， 大量海水涌入泵舱、机舱，动力机 械停止运行，无法排水，造成船体 负荷迅速增加，丧失了稳定性，导 致在风浪中沉没。 船体设计上存在严重缺陷。该钻井 船是1968年日本制造的，主甲板通 风筒设计很不完善，通风筒的船体 基底太低，没有风雨密封关闭装置， 通风管道没有水密封舱隔离阀。其 心脏舱室——机舱、泵舱又毫无遮 蔽，是一个没有隔离间的通舱，也 没有设计应急的排水系统和发电设 备。 当时拖航状态按计算可抗12级台风， 如果4个通风筒不被打掉，或打掉 后有密封装置，是不会在10级大风 下冲击翻沉的。
2.平台结构的强度分析方法
⑴分析方法
①设计波法：
又称确定性法，是以100年一遇的规则波作为
设计波，然后计算作用在平台上的使用载荷 和环境载荷以及在这些载荷作用下的构件应 力，并根据规范的强度衡准，校核平台的结 构安全性。
②设计谱法：
又称随机性法，考虑了实际海面的随机性和
不规则性。
实际的海面可以看作是由各个不同周期不同 波高的成分波组成，这些波浪可以用能量谱 来描述。然后按照概率论的谱分析方法，可 以求得平台在不规则波中的结构响应。即在 线性叠加原理的假设下，把平台在不规则波 中的响应看作是由各个规则成分波所引起的 相应的总和。
பைடு நூலகம்
3.施工载荷：
平台在建造及海上吊运安装过程中所承受的载荷。这 些载荷会使一些构件产生瞬时的高应力。因此，尽管 这些载荷不是结构设计的控制载荷，通常也需校核这 些载荷对平台结构所产生的影响。
4.环境载荷的计算 环境载荷是平台结构设计的控制载荷，由于受 到环境条件等因素的影响，计算比较复杂。
1)作用在构件上的风力
疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难 以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成 很大的经济以至生命的损失。
若零件所受的变幅载荷有m级，则在不同级 的循环应力下所造成的总损伤度为:
⑷脆性破坏失效
材料失效时未产生明显的塑性变形而突然断 裂。脆性材料如铸铁等以脆断为失效标志。
§ 4.1平台结构的设计步骤和方法
平台事故发生的直接原因：
⑴结构强度储备不足；
⑵浮力储备和稳性不足；
⑶操作不当。
海洋平台的安全性一般是通过保证外 载荷效应小于相应的结构承载能力的 某个百分数的方法来达到的。也就是 结构强度上保留一定的安全储备。
结构破坏并不意味着结构破裂断开， 它只是一种不允许出现的极限状态。
海洋平台的结构破坏模式： ⑴屈服失效 对于屈服失效，其强度条件为：
2.偶然性损伤事故防护：
海洋工程结构物的设计必须考虑系统停靠船舶
的偶然性碰撞，生产过程中偶然失落的管件、 零件都会造成桩腿、撑杆等钢结构的破损，使 整体强度降低，施工过程中下落的零件垃圾又 会加速水下钢构件的腐蚀过程。
为防止事故发生，针对不同的结构科采取不同
的措施，如单点系泊装置，可在水面附近设防 撞装置， 装设屏蔽区和局部加强结构的防护 系统。立管要远离供应船的系泊位置，远离吊 车，以防物体下落砸伤。
一般波浪诱导载荷可以分为三种：曳力、惯性 力和绕射力。 曳力：由于物体造成水流的扰动引起的； 惯性力：⑴ 由于入射波压力场引起的作用力； ⑵ 由于水惯性力引起的附加质量力； 绕射力：由于考虑物体的作用，而使波浪发生 绕射时引起的作用力。 对于小尺度构件，波浪的曳力和惯性力是主要 分量；对于大尺度构件波浪的惯性力和绕射力 是主要分量。
式中，P——风压，P＝0.613V2（Pa） V——设计风速 （m/s） S——平台在正浮或倾斜状态时，受风表面的正投影
面积（m 2 ）
Ch和CS分别为高度系数和构件形状系数。
2）波浪载荷
计算物体上的波浪载荷，首先应该根据设计波 高、周期、构件所处水深以及构件尺度与波长 之比D/λ选定适用的波浪理论。
§4.2设计中应考虑的几个问题
1.空气隙
在上层模块的最低甲板至海浪高度之间的空隙， 又称为波浪余度。设计时一般取为设计波高的 10％，最小值1.5m 。
空气隙对平台整体的安全性是至关重要的。对 重力式平台而言，过低的甲板高度会引起局部 损伤，对导管架平台，如果波浪打在甲板上， 这时作用于水下结构的水动力及甲板上的曳力 会联合作用产生倾覆力矩。
⑵两种方法的优缺点：
①设计波法的优点是计算简单，可以采用高阶 波浪理论，能够记入海流的影响，波浪的非线 性成分较容易处理；缺点是没有反映平台在实 际海面上受到载荷的随机性。
②设计谱法的优点是能够较好的描述平台在不 规则波中的响应特性；其缺点是波浪力及锚泊 力的非线性问题很难直接考虑，尤其是对恶劣 海况时的波浪的非线性问题更为突出，通常都 要近似地做线性化处理，此方法更复杂，计算 工作量也大得多。
美国“深水地平线”
卫星拍摄的泄露油污
原油泄漏已经形成了一条长达100多公里的污染带。
2010年，埕北胜利3号 油田倾覆
Alexander L. Kielland 翻沉过程
The Alexander L. Kielland was a Pentagon-type semisubmersible and, in 1980, was located in the Ekofisk Field for Phillips Petroleum. It was supporting the Edda rig, acting as a socalled flotel (a floating hotel) for workers who travelled between the two rigs via a bridge, although this bridge had been raised prior to the accident due to gale force conditions. Around 1830 hours on 27 March 1980, one of the main horizontal braces supporting one of the five legs failed. The failure of the brace was attributed to a fracture which had developed around a hole in which a hydrophone, used to aid the positioning of the rig, had been installed. After the failure of the first brace, the remaining five braces attached to the leg failed in quick succession causing the leg to break off. The rig almost immediately listed to one side at an angle of 35 degrees, partially submerging the main deck and accommodation block.
3.便于检修： 所有构件都应便于检修，否则，设计时应考 虑增加强度和使用寿命。
§4.3设计载荷 1.环境载荷
指由风、海浪、海流、 海冰、水温及气温、潮 汐、地震等自然环境引 起的载荷，主要有风载 荷、波浪载荷、流冰载 荷、地震载荷等。这些 载荷可根据平台的设计 环境条件进行计算，在 设计时取风、浪重现期 不小于50年。
P-36号平台是巴西最大的海上平台，也是世界上最大的 半浮动式海上油井平台之一。耗资3.56亿美元修建的这 座平台长112米，高119米，相当于一栋40层高的大楼。 平台于1999年1月建成，2000年3月投入使用。根据设计 方案，使用寿命为19年，能开采1360米深的海底石油。 设计生产能力为日产石油18万桶，天然气7500万立方米。
由于海洋平台在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 确的确定，再加上人们对海洋平台设计和使 用还缺乏经验，所以平台的重大事故不断发 生。
⑴1979年中国的“渤海二号”自升式平台翻 沉，死亡72人，直接经济损失达3700多万元；
⑵1980年挪威的“亚历山大.基尔兰”半潜式 平台倾覆，死亡123人；
⑷结构安全性校核。需进行外载荷计算、强 力构件尺寸的初步确定和构件材料的选取等 工作，最后进行结构的总体强度分析。
⑸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，看其与实际是否 一致，若相差较大还需进行调整。
⑹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 着平台总体结构的寿命。
巴西P-36号平台事故
2001年3月15日凌晨，巴 西石油公司在里约热内 卢附近海域上的P-36号 海上石油平台连续3次发 生爆炸，导致最少2人死 亡，1人负重伤及8人失 踪。这次事故给巴西经 济带来不小的影响，迫 使巴西增加石油进口， 从而导致 贸 易 赤 字 增 加。事故使巴西预计２ 2005年实现石油自给的 目标推迟３年才实现。
1988年7月6日,英国北海PiperAlpha石油天然气平台 发生爆炸事故,死亡165人,获救61人。PiperAlpha平台 于1976年末开始生产。此平台开发的Piper油田,油藏 面积大约为18.8km 2 ,位于西方石油公司于1973年中 标的15/17区块。平台设计生产能力为日产原油25万 桶。
“爪哇海”号隶属美国得克萨斯州环球海运公司,是 美国1974年建造的自航式钻井船，总长121.20米,宽 19.81米满载排水量为11000多吨。由于它设备先进, 主作效率高,可在各种恶劣条件下作业,它的船东自豪 地把它称为“全天候钻井船”。这条船曾先后在美国、 墨西哥和委内瑞拉等海域钻探作业、共打了70多口井, 立下了战功。1982年9月,我国海洋石油总公司与美国 阿科公司签订了合作开发莺歌海部分海域石油和天然 气合同。于是,“爪哇海”便租给阿科石油公司，并 于1983年3月到达我国三亚港。
“爪哇海”号在1983年10月25日23点55分左右倾覆和 沉没,它是由于6号和7号右舷边舱进水,或由台风产生 的大浪倾覆作用的结果；以及靠近91号隔壁处船体的 纵向或横向裂缝引起的。
巴西P-36号平台事故
P-36号平台是15日凌晨发生爆炸的，2人当场死亡，1人 重伤，9人失踪。随后，巴西石油公司展开了紧急救援， 雇用潜水员，向平台舱内灌注氮气和压缩空气，曾使平 台停止下沉，倾斜度也从25度减少到23度。但因气候条 件不好，风大浪高，救援工作被迫中断。20日凌晨，平 台再次开始下沉，倾斜至27度，虽经奋力抢救，但最终 未能遏止平台沉没。
⑵屈曲失效
在扰动作用下，直线平衡构 形转变为弯曲平衡构形，扰 动除去后，不能恢复到直线 平衡构形，则称原来的直线 平衡构形是不稳定的。此时 发生的失效形式即为屈曲失 效。
对于压杆的屈曲失效模式， 有：
⑶疲劳失效
金属在循环载荷的作用下，即使所受的应力 低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称 为疲劳。
2.使用载荷
平台在使用期间，除环境载荷以外的其他载荷。 包括固定载荷和活载荷。
固定载荷是指作用在平台上的不变载荷，如 设备自重，附属结构重量，固定不变的机械 设备管线重量和作用于平台水下部分的浮力 等。
活载荷则是指与平台使用有关的载荷，分为 可变载荷和动力载荷。可变载荷包括人员及 其生活必需品的重量等； 动力载荷包括动力 机械和设备运转时所引起的周期性载荷，平 台钻井起下钻作业、吊机起重、船舶停靠及 直升飞机降落等引起的冲击载荷。
1.平台结构设计的一般步骤
⑴根据平台作业海域环境条件、海底土壤特 性、平台使用要求、安全性、营运性能、建 造工艺和维护费用以及业主的希望等选择平 台的结构形式方案。
⑵对多种方案进行比较，确定最佳方案，以 设计出满足各 项设计条件，同时经济性能优 良的平台结构。
⑶初步选定一种结构型式，确定平台主尺度， 具体进行总布置。如果是移动式平台，还要 进行运动性能和稳性的校核。
⑷1988年7月北海的Piper—Alpha导管架平台 因天然气泄漏，与明火相遇发生爆炸，死亡 167人，直接损失9亿美元；
⑸2001年3月15日巴西P－36半潜平台发生爆 炸后沉没。
“渤海二号”
从打捞的实物证实，全船甲板上共 有10个通风筒，被风浪打掉4个， 大量海水涌入泵舱、机舱，动力机 械停止运行，无法排水，造成船体 负荷迅速增加，丧失了稳定性，导 致在风浪中沉没。 船体设计上存在严重缺陷。该钻井 船是1968年日本制造的，主甲板通 风筒设计很不完善，通风筒的船体 基底太低，没有风雨密封关闭装置， 通风管道没有水密封舱隔离阀。其 心脏舱室——机舱、泵舱又毫无遮 蔽，是一个没有隔离间的通舱，也 没有设计应急的排水系统和发电设 备。 当时拖航状态按计算可抗12级台风， 如果4个通风筒不被打掉，或打掉 后有密封装置，是不会在10级大风 下冲击翻沉的。
2.平台结构的强度分析方法
⑴分析方法
①设计波法：
又称确定性法，是以100年一遇的规则波作为
设计波，然后计算作用在平台上的使用载荷 和环境载荷以及在这些载荷作用下的构件应 力，并根据规范的强度衡准，校核平台的结 构安全性。
②设计谱法：
又称随机性法，考虑了实际海面的随机性和
不规则性。
实际的海面可以看作是由各个不同周期不同 波高的成分波组成，这些波浪可以用能量谱 来描述。然后按照概率论的谱分析方法，可 以求得平台在不规则波中的结构响应。即在 线性叠加原理的假设下，把平台在不规则波 中的响应看作是由各个规则成分波所引起的 相应的总和。
பைடு நூலகம்
3.施工载荷：
平台在建造及海上吊运安装过程中所承受的载荷。这 些载荷会使一些构件产生瞬时的高应力。因此，尽管 这些载荷不是结构设计的控制载荷，通常也需校核这 些载荷对平台结构所产生的影响。
4.环境载荷的计算 环境载荷是平台结构设计的控制载荷，由于受 到环境条件等因素的影响，计算比较复杂。
1)作用在构件上的风力
疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难 以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成 很大的经济以至生命的损失。
若零件所受的变幅载荷有m级，则在不同级 的循环应力下所造成的总损伤度为:
⑷脆性破坏失效
材料失效时未产生明显的塑性变形而突然断 裂。脆性材料如铸铁等以脆断为失效标志。
§ 4.1平台结构的设计步骤和方法
平台事故发生的直接原因：
⑴结构强度储备不足；
⑵浮力储备和稳性不足；
⑶操作不当。
海洋平台的安全性一般是通过保证外 载荷效应小于相应的结构承载能力的 某个百分数的方法来达到的。也就是 结构强度上保留一定的安全储备。
结构破坏并不意味着结构破裂断开， 它只是一种不允许出现的极限状态。
海洋平台的结构破坏模式： ⑴屈服失效 对于屈服失效，其强度条件为：
2.偶然性损伤事故防护：
海洋工程结构物的设计必须考虑系统停靠船舶
的偶然性碰撞，生产过程中偶然失落的管件、 零件都会造成桩腿、撑杆等钢结构的破损，使 整体强度降低，施工过程中下落的零件垃圾又 会加速水下钢构件的腐蚀过程。
为防止事故发生，针对不同的结构科采取不同
的措施，如单点系泊装置，可在水面附近设防 撞装置， 装设屏蔽区和局部加强结构的防护 系统。立管要远离供应船的系泊位置，远离吊 车，以防物体下落砸伤。
一般波浪诱导载荷可以分为三种：曳力、惯性 力和绕射力。 曳力：由于物体造成水流的扰动引起的； 惯性力：⑴ 由于入射波压力场引起的作用力； ⑵ 由于水惯性力引起的附加质量力； 绕射力：由于考虑物体的作用，而使波浪发生 绕射时引起的作用力。 对于小尺度构件，波浪的曳力和惯性力是主要 分量；对于大尺度构件波浪的惯性力和绕射力 是主要分量。
式中，P——风压，P＝0.613V2（Pa） V——设计风速 （m/s） S——平台在正浮或倾斜状态时，受风表面的正投影
面积（m 2 ）
Ch和CS分别为高度系数和构件形状系数。
2）波浪载荷
计算物体上的波浪载荷，首先应该根据设计波 高、周期、构件所处水深以及构件尺度与波长 之比D/λ选定适用的波浪理论。
§4.2设计中应考虑的几个问题
1.空气隙
在上层模块的最低甲板至海浪高度之间的空隙， 又称为波浪余度。设计时一般取为设计波高的 10％，最小值1.5m 。
空气隙对平台整体的安全性是至关重要的。对 重力式平台而言，过低的甲板高度会引起局部 损伤，对导管架平台，如果波浪打在甲板上， 这时作用于水下结构的水动力及甲板上的曳力 会联合作用产生倾覆力矩。
⑵两种方法的优缺点：
①设计波法的优点是计算简单，可以采用高阶 波浪理论，能够记入海流的影响，波浪的非线 性成分较容易处理；缺点是没有反映平台在实 际海面上受到载荷的随机性。
②设计谱法的优点是能够较好的描述平台在不 规则波中的响应特性；其缺点是波浪力及锚泊 力的非线性问题很难直接考虑，尤其是对恶劣 海况时的波浪的非线性问题更为突出，通常都 要近似地做线性化处理，此方法更复杂，计算 工作量也大得多。
美国“深水地平线”
卫星拍摄的泄露油污
原油泄漏已经形成了一条长达100多公里的污染带。
2010年，埕北胜利3号 油田倾覆
Alexander L. Kielland 翻沉过程
The Alexander L. Kielland was a Pentagon-type semisubmersible and, in 1980, was located in the Ekofisk Field for Phillips Petroleum. It was supporting the Edda rig, acting as a socalled flotel (a floating hotel) for workers who travelled between the two rigs via a bridge, although this bridge had been raised prior to the accident due to gale force conditions. Around 1830 hours on 27 March 1980, one of the main horizontal braces supporting one of the five legs failed. The failure of the brace was attributed to a fracture which had developed around a hole in which a hydrophone, used to aid the positioning of the rig, had been installed. After the failure of the first brace, the remaining five braces attached to the leg failed in quick succession causing the leg to break off. The rig almost immediately listed to one side at an angle of 35 degrees, partially submerging the main deck and accommodation block.
3.便于检修： 所有构件都应便于检修，否则，设计时应考 虑增加强度和使用寿命。
§4.3设计载荷 1.环境载荷
指由风、海浪、海流、 海冰、水温及气温、潮 汐、地震等自然环境引 起的载荷，主要有风载 荷、波浪载荷、流冰载 荷、地震载荷等。这些 载荷可根据平台的设计 环境条件进行计算，在 设计时取风、浪重现期 不小于50年。
P-36号平台是巴西最大的海上平台，也是世界上最大的 半浮动式海上油井平台之一。耗资3.56亿美元修建的这 座平台长112米，高119米，相当于一栋40层高的大楼。 平台于1999年1月建成，2000年3月投入使用。根据设计 方案，使用寿命为19年，能开采1360米深的海底石油。 设计生产能力为日产石油18万桶，天然气7500万立方米。
由于海洋平台在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 确的确定，再加上人们对海洋平台设计和使 用还缺乏经验，所以平台的重大事故不断发 生。
⑴1979年中国的“渤海二号”自升式平台翻 沉，死亡72人，直接经济损失达3700多万元；
⑵1980年挪威的“亚历山大.基尔兰”半潜式 平台倾覆，死亡123人；
⑷结构安全性校核。需进行外载荷计算、强 力构件尺寸的初步确定和构件材料的选取等 工作，最后进行结构的总体强度分析。
⑸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，看其与实际是否 一致，若相差较大还需进行调整。
⑹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 着平台总体结构的寿命。
巴西P-36号平台事故
2001年3月15日凌晨，巴 西石油公司在里约热内 卢附近海域上的P-36号 海上石油平台连续3次发 生爆炸，导致最少2人死 亡，1人负重伤及8人失 踪。这次事故给巴西经 济带来不小的影响，迫 使巴西增加石油进口， 从而导致 贸 易 赤 字 增 加。事故使巴西预计２ 2005年实现石油自给的 目标推迟３年才实现。
1988年7月6日,英国北海PiperAlpha石油天然气平台 发生爆炸事故,死亡165人,获救61人。PiperAlpha平台 于1976年末开始生产。此平台开发的Piper油田,油藏 面积大约为18.8km 2 ,位于西方石油公司于1973年中 标的15/17区块。平台设计生产能力为日产原油25万 桶。
“爪哇海”号隶属美国得克萨斯州环球海运公司,是 美国1974年建造的自航式钻井船，总长121.20米,宽 19.81米满载排水量为11000多吨。由于它设备先进, 主作效率高,可在各种恶劣条件下作业,它的船东自豪 地把它称为“全天候钻井船”。这条船曾先后在美国、 墨西哥和委内瑞拉等海域钻探作业、共打了70多口井, 立下了战功。1982年9月,我国海洋石油总公司与美国 阿科公司签订了合作开发莺歌海部分海域石油和天然 气合同。于是,“爪哇海”便租给阿科石油公司，并 于1983年3月到达我国三亚港。
“爪哇海”号在1983年10月25日23点55分左右倾覆和 沉没,它是由于6号和7号右舷边舱进水,或由台风产生 的大浪倾覆作用的结果；以及靠近91号隔壁处船体的 纵向或横向裂缝引起的。
巴西P-36号平台事故
P-36号平台是15日凌晨发生爆炸的，2人当场死亡，1人 重伤，9人失踪。随后，巴西石油公司展开了紧急救援， 雇用潜水员，向平台舱内灌注氮气和压缩空气，曾使平 台停止下沉，倾斜度也从25度减少到23度。但因气候条 件不好，风大浪高，救援工作被迫中断。20日凌晨，平 台再次开始下沉，倾斜至27度，虽经奋力抢救，但最终 未能遏止平台沉没。
⑵屈曲失效
在扰动作用下，直线平衡构 形转变为弯曲平衡构形，扰 动除去后，不能恢复到直线 平衡构形，则称原来的直线 平衡构形是不稳定的。此时 发生的失效形式即为屈曲失 效。
对于压杆的屈曲失效模式， 有：
⑶疲劳失效
金属在循环载荷的作用下，即使所受的应力 低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称 为疲劳。
2.使用载荷
平台在使用期间，除环境载荷以外的其他载荷。 包括固定载荷和活载荷。
固定载荷是指作用在平台上的不变载荷，如 设备自重，附属结构重量，固定不变的机械 设备管线重量和作用于平台水下部分的浮力 等。
活载荷则是指与平台使用有关的载荷，分为 可变载荷和动力载荷。可变载荷包括人员及 其生活必需品的重量等； 动力载荷包括动力 机械和设备运转时所引起的周期性载荷，平 台钻井起下钻作业、吊机起重、船舶停靠及 直升飞机降落等引起的冲击载荷。
1.平台结构设计的一般步骤
⑴根据平台作业海域环境条件、海底土壤特 性、平台使用要求、安全性、营运性能、建 造工艺和维护费用以及业主的希望等选择平 台的结构形式方案。
⑵对多种方案进行比较，确定最佳方案，以 设计出满足各 项设计条件，同时经济性能优 良的平台结构。
⑶初步选定一种结构型式，确定平台主尺度， 具体进行总布置。如果是移动式平台，还要 进行运动性能和稳性的校核。