“勘探三号”平台是由“中国船舶及海洋工程设计研究院”（708所）、上海船厂和原上海海洋地质调查局联合设计的非自航柱稳半潜式海洋钻井平台，该平台按ABS船级社钻井平台规范设计、建造并登记入级，作业水深35~200 m，钻井能力6 000 m。它从严格意义上讲属于2.5代产品（介于第二代和第三代之间），据统计，全球这类平台共有22座，作业水深200~500 m，正逐渐升级改造（12座正在改造）或退出钻井市场。在国内13座半潜式钻井平台中，它的作业水深也是最浅的。而水深在100 m以内的井，适合自升式钻井平台作业，因此，它的作业水深范围实际上限制在100~200 m，市场窗口很窄。作业水深能力的不足，从某种程度上制约了“勘探三号”平台国内外作业市场的进一步开拓，严重影响了其竞争力。因此，“勘探三号”平台提高作业水深能力改造是一个可能的选项。通过对“勘探三号”半潜式钻井平台的结构强度分析，结合稳定性分析、疲劳寿命分析和现有锚泊系统强度分析，可为该平台今后提高作业水深能力改造提供技术依据。

1 研究方法和技术思路

由于“勘探三号”半潜式钻井平台结构非常复杂和庞大，其作业水深提升改造将牵涉到平台的结构强度、稳定性、疲劳寿命、可变载荷、配套的设备升级改造、准备投入的升级改造资金等许多问题。基于此，从研究思路上改进和优化并制定出如下相应的研究方法和技术思路。

（1）根据各主要目标作业海区1 500 f（t 457 m）水深的海洋环境资料，选取“勘探三号”平台在1 500 ft（457 m）作业水深的设计环境条件。

（2）用SACS海洋工程设计软件建立“勘探三号”平台的SACS模型。

（3）通过“勘探三号”平台的SACS模型，计算风、浪和流作用在平台上的载荷。

（4）使用ABAQUS有限元分析软件建立“勘探三号”平台ABAQUS有限元分析模型；将钻井载荷、自身质量和1 500 ft（457 m）作业水深SACS模型计算得到的作用在“勘探三号”平台各个部位上的波浪和海流力以及锚链拉力等分别手动加载到“勘探三号”平台有限元分析模型相关点、面上。

（5）使用ABAQUS软件进行“勘探三号”平台在1 500 ft（457 m）作业水深时的结构强度分析（考虑腐蚀对平台的影响）。

2 结构强度分析 2.1 1 500 ft（457 m）作业水深设计环境条件取值

针对不同水深、不同地理环境海域作业的平台，其设计环境条件也不同。“勘探三号”半潜式钻井平台改造的目标作业水深为1 500 ft（457 m），主要作业海区为中国海域（东海、南海、黄海）、东南亚海域和俄罗斯东部海域等。通过综合分析以上主要目标作业海区1 500 ft（457 m）水深的风、浪、流等环境资料^[1-8]，参考“勘探三号”半潜式平台原设计环境条件和国内半潜式钻井平台设计环境条件资料，选取“勘探三号”平台作业水深1 500 ft（457 m）的设计环境条件如表 1所示。

2.2 1 500 ft（457 m）作业水深条件下的风、海流和波浪力计算 2.2.1 平台结构特征

“勘探三号”平台由两个浮箱、六个立柱、一些桁架和一个箱型结构的上船体组成。浮箱为细长形箱体，其艏、艉为半圆形，矩形截面，四角是5 00 mm圆角。每个浮箱内设六道横向水密舱壁，一道纵向水密舱壁和两个圆筒形水密隔舱壁，将浮箱分为若干个舱室。浮箱甲板、底板和舱侧壁均采用纵骨架式，水密隔舱壁采用水平梁结构。2009年可变载荷升级改造时在原有浮箱内侧增加了一个长约80 m、宽2.5 m、高6 m的箱体。浮箱中部为压载泵舱。平台是一个钢制结构物，一般结构使用3C型钢材，主要结构使用的是5C（相当于E级钢）型钢材；浮箱上面是6个直径为9 m的圆形立柱，2009年可变载荷升级改造时在艏、艉立柱外端增加8 m×3 m×29.2 m的箱体。在沉垫上方六柱间连有水平桁架，水平桁架为交叉杆型、圆形截面，横向连杆亦为圆形，艏、艉立柱和平台间各有两根横向圆形斜撑与一根圆形水平撑一起组成横向平台桁架，在平台中部钻台四角各有一圆形斜撑，此斜撑与立柱、甲板箱梁交叉复杆一起组成空间桁架；上部平台为双层甲板田字形箱形结构，由主甲板、上甲板、六道水密纵壁和六道水密横壁组成，甲板无梁拱。

2.2.2 1 500 ft（457 m）作业水深条件下的风、海流和波浪力计算

除了平台自身质重和设备质量外，“勘探三号”平台受外部环境影响包括海洋波浪、海流和风，受到的外部载荷主要是波浪和海流产生的载荷，其中波浪产生的载荷最大，风产生的载荷最小。风力作用于平台水线以上部分，与受风构件的正影形状系数及高度系数有关。风对平台的结构强度影响不大，但对平台的稳性影响较大。

应用SACS海洋工程分析软件建立“勘探三号”平台的SACS模型如图 1所示。计算平台所受的波浪和海流力，只需定义波浪的高度和周期以及海流的流速，得到的计算结果为海流载荷和波浪载荷的叠加。波浪载荷使用Morison方程计算，并以Stokes波浪理论计算水质点速度。

根据结构设计惯例，在本模型中，横截面为圆形结构杆件（例如支撑和立柱）的Cd和Cm值分别采用1.6和0.65，方形杆件（沉垫以及附加的端立柱）的Cd和Cm值分别采用1.65和1.45。

波浪和海流具有方向性，选择对平台产生载荷最大的方向，即将风浪和海流同方向作为研究方向。为了使分析计算结果更加准确、全面，分别选择0°、 45°和90°三种角度作为波浪和海流的作用和分析方向，并选择以下七种环境工况作为分析工况，如图 2所示。

分七种环境工况通过SACS软件加载如图 3所示的环境荷载，并利用该软件计算得出波浪和洋流作用在“勘探三号”平台各个部位上的力（计算结构太多，略）。

2.3 建立平台有限元模型

根据“勘探三号”半潜式钻井平台现有图纸、资料，为了合理、简化几何建模，同时考虑“勘探三号”半潜式钻井平台船体实际情况，建模时保留主结构和部分附属结构，去除部分附属结构，并忽略井架、生活区等上甲板以上的结构物。本次“勘探三号”平台几何建模采用壳体方式，模型坐标原点设在平台底面的几何中心，X方向：朝船艏为正，Y方向：朝船左舷为正，Z方向：朝上为正。建模完成后对结构各个部分进行材料赋值（机械性能等）、添加各个几何体的厚度，有限元模型中的大部分构件钢板厚度按图纸所标厚度输入。根据平台设计，各个几何体的厚度从10~32 mm不等，收集了“勘探三号”平台最新（2014年7月）的测厚资料，平台钢板允许腐蚀量为平台各处钢板设计厚度的15%，而平台各处钢板实际腐蚀量最大为5%。根据“勘探三号”平台最新测厚报告，在ABAQUS/PART模块中通过SECTION命令对“勘探三号”平台各处所用钢板赋予其真实厚度，比较真实精确地模拟了“勘探三号”平台的实际情况。“勘探三号”平台所用钢板的材料特性：杨氏模量E=2.06×10⁵ N/mm²；泊松比μ=0.3；密度ρ=7.85×10^-9 t/mm³。

结构有限元分析需要对建立的几何模型进行网格划分。本分析是对“勘探三号”平台进行总体结构强度分析，所以没有对局部结构进行细化网格划分，但这不影响总体分析结果。网格设置大小为0.4 m×0.4 m。

使用ABAQUS有限元分析软件建立“勘探三号”平台几何模型和有限元分析模型分别如图 4和图 5所示。

2.4 模型加载和约束边界条件 2.4.1 模型加载

对“勘探三号”平台几何模型所施加的载荷分静载荷和动载荷，静载荷主要为上甲板、主甲板的分布载荷、自身质量和浮力；上甲板、主甲板的分布载荷由有关方提供，分别如图 6和图 7所示。表 2所示为“勘探三号”平台上甲板、主甲板载荷表。这些载荷分别手动加载到“勘探三号”平台有限元分析模型上，自身质量由有限元分析软件自动计算产生，锚链张力按4根大锚链与平台艏艉的夹角45°方向并与立柱中心线的夹角65°方向各施加260 Mt加载。由于某些平台的某些次要构件和加强筋板在建“勘探三号”平台有限元分析几何模型时没有模拟出，按乘上材料密度系数1.22处理，浮力也由有限元分析软件自动产生。动载荷主要为风力、海流力和波浪力，将前面使用SACS海洋工程设计软件计算出的1 500 ft（457 m）作业水深的求生状态下0°、 45°、 90°共七种情况下“勘探三号”平台所承受的海流和波浪力分别手动加载到“勘探三号”平台有限元分析模型上对应的位置；由于平台所受到的风力与平台所受到的海流和波浪力相比，相对很小，所以未予加载。

2.4.2 约束边界条件

海洋平台作业时处于海水中，“勘探三号”平台与海水之间存在着相互作用。在“勘探三号”平台有限元分析模型中，为了更加真实地模拟海水与“勘探三号”平台的相互作用，利用ABAQUS有限元分析软件对“勘探三号”平台受海水作用区域施加水弹簧作为边界条件，水弹簧刚度系数K计算公式为：

$ K = \rho gA $

(1)

式中： ρ为海水密度；g为重力加速度；A为海水作用区域。

2.5 结构强度分析

将SACS软件计算出的“勘探三号”平台在1 500 ft（457 m）作业水深的求生状态下0°、 45°、 90°的七种组合方式的海流和波浪力和有关荷载，分别手动加载到“勘探三号”平台有限元分析模型上，之后进行“勘探三号”平台的结构强度分析，分析结果如下（为了增加显示的视觉分辨效果，将等效应力值有意缩小，取1.000×10⁸ Pa）：

（1）波向0°、波峰在迎浪立柱中间

“勘探三号”平台在承受波向0°、波峰在迎浪立柱中间的波浪力时的求生状态von mises应力图如图 8所示。

（2）波向0°、波峰在平台中心

“勘探三号”平台在承受波向0°、波峰在平台中心的波浪力时的求生状态von mises应力图如图 9所示。

（3）波向0°、波谷在平台中心

“勘探三号”平台在承受波向0°、波谷在平台吴永良，等.基于ABAQUS和SACS软件的“勘探三号”平台结构强度分析中心的波浪力时的求生状态von mises应力图如图 10所示。

（4）波向45°、波峰在迎浪端立柱中间

“勘探三号”平台在承受波向45°、波峰在迎浪端立柱中间的波浪力时的求生状态von mises应力图如图 11所示。

（5）波向45°、波峰在平台中心

“勘探三号”平台在承受波向45°、波峰在平台中心的波浪力时的求生状态von mises应力图如图 12所示。

（6）波向90°、波峰在迎浪端立柱中间

“勘探三号”平台在承受波向90°、波峰在端立柱中间的波浪力时的求生状态von mises应力图如图 13所示。

（7）波向90°、波峰在平台中间

“勘探三号”平台在承受波向90°、波峰在平台中间的波浪力时的求生状态von mises应力图如图 14所示。

从图 8~图 14中可以看出，七种状况时各部位应力均有所不同。从以上七种状况的von mises应力分析结果可以看出，总的来讲，“勘探三号”平台作业水深提升到1 500 ft（457 m）后的结构强度还是可以满足的，只不过有几处局部存在应力集中现象，主要有以下几处：

（1）中立柱斜撑与上箱体结合部；

（2）中立柱与水平撑及斜撑结合部；

（3）中立柱与浮箱结合部；

（4）中立柱与上箱体结合部；

（5）端立柱与上箱体结合部；

（6）端立柱斜撑与上箱体结合部；

（7）端立柱与水平撑及斜撑结合部；

（8）端立柱增加的立柱浮箱与浮箱结合部；

（9）迎浪立柱上浪部；

（10）井架底座与上箱体结合部。

一方面从“勘探三号”平台结构本身分析这几处容易存在应力集中现象，另一方面说明这几处确实需进一步加强。

总体来讲，“勘探三号”平台作业水深提升到1 500 ft（457 m）后的结构强度还是可以满足的，只不过局部存在应力集中现象，在大部分有限元网格划分为0.4 m×0.4 m的密度条件下分析得出结论：在不做较大结构改动的前提下，通过局部的结构改造和加强，能满足作业水深提高到1 500 ft（457 m）时海洋环境条件对其总体强度的要求。

3 结论

（1）由于当时对半潜式钻井平台设计理念和设计水平的局限性及对海洋环境荷载作用的认识不足等原因，使得“勘探三号”半潜式钻井平台的设计偏于保守。

（2）在大部分有限元网格划分为0.4 m×0.4 m的密度条件下分析得出结论：在不做较大结构改动的前提下，通过局部的结构改造和加强，能满足作业水深提高到1 500 ft（457 m）时海洋环境条件对其总体强度的要求。