0 引　言

深水浮式生产平台是深水油田开发的主体设施，作为典型的浮式平台概念之一，半潜式平台已有50多年的发展历程，在海洋油气开发中有着广泛的应用，目前全球已有40余座半潜式生产平台在深水开发中服役^[1]。半潜式生产平台的技术发展趋势是从传统的单一功能向多功能集成，如“钻井+生产”，“生产+储油”，“钻井+生产+储油”，从而降低深水油气田的开发成本。

三立柱半潜式平台具有良好的运动性能，提供多功能深水生产作业能力，其经济性是半潜式平台中最为优化的船型。基于500 m中深水三立柱轻型半潜式生产平台船型^[2-4]，以设计水深1500 m，排水量大于70000 t，上部设施重量20000 t，储油能力20000 m³的大型深水半潜式生产储油平台为目标，进行平台的总体性能和结构设计分析关键技术研究，设计出一种较传统四立柱大型半潜式生产平台具有总体性能优越、用钢量少、成本较低、易于建造、便于海上安装、建造周期短的新型半潜式生产平台结构形式。本文主要介绍结构设计过程和关键技术。

1 平台概况

三立柱大型半潜式生产储卸油平台针对我国南海典型深水油气田，以潜在深水边际油气田开发项目为依托，结合陵水17-2深水气油田开发工程项目，进行结构设计及优化研究，并应用了基于油水置换原理的高效储油技术方案。平台主要包括3个立柱、3个浮箱、1套平台定位系泊系统和平台上部设施，总体布置如图1所示。

三立柱大型半潜式生产储卸油平台主要参数如表1所示。

2 船体结构规范设计 2.1 环境条件

平台的设计环境条件为1年操纵、100年极端和1000年生存条件工况。设计水深为1500 m，主要环境数据包括风、波浪和流，具体如表2所示。

2.2 设计压头计算

船体结构规范设计的主要荷载是局部水压，包括外部海水静压、内部压载水静压、破损情况下的海水和波浪动压力。可以根据API规范的公式计算所有设计环境条件下的外部压头。计算内部压头要考虑压载、舱室试验和不同环境条件下的破损淹没等多种载荷条件。所求得的压头还要除以FPI规范^[5]的许用系数，以获得有效压头。船体结构各部分的最终设计压头是该部分计算的有效压头的最大值。

外部压头根据API 公式^[6]计算：

$ H_z=z+\frac{H_w}{2}\left(\frac{{\rm{cosh}}[k(d-z)]}{{\rm{cosh}}kd}\right)。$

其中：z为静水面以下的深度；H_w为波高 ；k=2π/λ，其中 λ为波长；d为静水深度；λ=gT²/2π 。

在外部压头计算中，除API公式外，还引入由垂荡和纵摇运动引起的水位增加的水位修正。

在计算内部压头之前，必须首先确定所有舱室的通风口高度。各设计工况下用于设计压头计算的允许增加系数如表3所示。

修正后的有效压头如表4所示。

为了简化计算过程，制作了计算压头的程序软件，从而大大提高了计算效率。

2.3 结构规范设计

结构规范设计中获得的结构尺寸称为“最小尺寸”。一般而言，结构的最终尺寸不应小于“最小尺寸”。根据飞溅区腐蚀余量、结构有限元分析结果和设计经验或客户要求，对结构进行加固。

船体主体结构可分为两类：一种是平板结构，包括立柱的甲板和舱壁、浮箱的顶部/底部和舱壁；另一种是曲面结构，包括立柱的外壳、内壳和隔离舱壁。2种结构都有各自的设计方法。

水密舱壁平板结构根据美国船级社入级规范ABS FPI 5b-1-2进行设计。对于非水密舱壁则根据美国船级社钢质船入级规范5C-1-4/15.13节的要求。

与矩形截面立柱设计相比，圆形立柱的环梁跨度相对较大，给结构的轻量化设计带来了困难。立柱的外壳和内壳由圆柱壳组成，而对于立柱壳结构设计，环向应力对壳体强度有重要影响，其设计规范相对于平板结构的设计规范（如FPI规则）不适用。对于立柱壳结构，规范设计采用了挪威船级社入级规范DNV-RP-c02的屈曲计算方法，这一设计方法在海洋工程界已经非常成熟。

3 总体强度分析 3.1 坐标系和定义波浪方向

模型总体坐标系的原点位于船体底部的几何中心。y轴指向平台北，x轴指向平台东，z轴指向上。0°的波浪方向对应于x轴，90°的波浪方向对应于y轴。强度分析的模型坐标系和波浪方向如图2所示。

3.2 材料参数

杨氏模量E= 2.06×10³ MPa，泊松比γ= 0.3，质量密度ρ= 7.85×10⁻⁶ kg/mm³。

3.3 计算工况

选取1年操作工况的波浪和100年极端工况的波浪等环境数据作为计算工况，采用典型的中国南海的数据资料。

3.4 强度评估标准

船体结构用钢的最小屈服应力为345 MPa，再参考美国船级社入级规范ABS MODU 和 FPI，屈服强度评估标准如表5所示。

对于平板结构，屈曲校核应符合挪威船级社入级规范DNV-RP-C201，对于曲面结构，屈曲校核应符合挪威船级社入级规范DNV-RP-C202，允许系数η_p=γ_mη₀，其中，γ_m=1.15; η₀ 为基本使用系数；p为修正的使用系数，具体数值如表6所示。

3.5 有限元模型的建立

在有限元软件中建立三维有限元模型，所有的甲板、外壳板、内壳板、底板、舱壁等板壳结构和强构件的腹板使用壳单元模拟。所有纵向加强筋均采用梁单元；腹板为板单元的强构件翼缘采用扁钢截面的梁单元^[7]。采用质量点单元对上部结构设施、生活区、VDL、船体储存、系泊缆张力和立管载荷的重量进行模拟。

网格尺寸从250～1000 mm不等,具有大曲率或相对较小边缘的结构采用250～500 mm的网格，如浮箱与立柱连接的结构。甲板、舱壁和规则的立柱外壳板的网格尺寸为700～1000 mm。

该模型大致包含20万个单元，其中梁单元约9万个，其余为四节点或三节点壳单元。有限元模型如图3所示。

对结构模型的质量还要进行校正，方法是通过对模型中的结构的材料密度进行修改，从而调整总体模型的质量分布，以达到符合平台重量控制报告要求的目的。有限元模型的总质量和重心要调整到与预估质量相差0.1%以内^[8]。

环境力作用在模型单元的湿表面上，典型加载条件下湿表面上的动态压力如图4所示。

3.6 边界条件

为避免整体结构模型的刚体运动，三立柱半潜平台六自由度需要约束。边界条件的选定如图5所示，约束如下：3个垂向（Z）约束；2个横向（Y）约束；1个纵向（X）约束。

3.7 屈服强度评估

利用有限元软件对三立柱半潜平台结构模型进行了分析计算，操作和极端条件下的最大应力如表7和表8所示。操纵和极限工况的最大UC值位置的结果云图显示如图6和图7所示。

3.8 屈曲强度评估

三立柱高效半潜平台船体结构基于修正的使用系数的屈曲强度评估结果如表9～表12所示。

3.9 计算结果分析及强度评估

通过有限元软件的分析，获得了三立柱半潜平台船体结构的应力分布。操作工况的应力最大UC值为1.12，极限工况应力最大UC值为0.95。除部分热点应力外，应力值均低于许用应力^[9]。屈曲强度校核也满足强度要求。三立柱半潜平台船体结构总体强度基本满足规范要求，热点应力超过许用应力的区域为连接区域，将在详细设计阶段进行加强。

4 结　语

以三立柱高效半潜式生产储油平台船体设计为基础，通过结构规范设计和结构强度分析，介绍了平台结构设计的主要过程。

规范设计利用船级社相关规范，计算出船体结构板厚和型材规格等相关尺寸。结构强度分析采用有限元的计算方法对三立柱半潜平台结构进行了结构强度校核，按照船级社规范相关章节进行结构强度评估，验证了规范设计的正确与否，从而对船体结构进行进一步优化。