010自升式平台方案设计毕业论文

 2020-04-03 11:04

摘 要

海洋自升式钻井平台以其优良的性能在近海油气资源开发领域占据着极其重要的地位。本文采用中国船级社(CCS)《海上移动平台入级与建造规范(2012)》的要求,参考船舶与海洋平台设计建造相关的教辅书籍,应用母型设计法换算出本文设计平台的主尺度参数。本文主要运用了船舶静力学、海洋平台设计原理中的有关理论,对“010”自升式钻井平台做了初步方案设计和各项稳性校核。

本文分为四个章节,开篇的绪论部分交代了海洋自升式钻井平台的研究意义和背景、国内外研究现状,并且对行业未来的发展趋势作了些许预测。接下来的版块主要包含对平台的方案设计和对平台的各项性能参数进行计算并校核。文章方案设计部分根据设计任务书的要求,在满足平台设计规范的前提下,确定了平台的主尺度参数,对平台的整体布局以及空间规划做了总体布置,利用AutoCAD与Excel的功能函数进行了平台静水力计算;根据载重线公约对平台干舷做了修正,然后进行了平台各项性能的计算及校核,并对平台不同工况下的完整稳性与站立稳性进行了校核。校核结果满足规范要求,说明该平台的设计方案可行。

关键词:“010”自升式平台;方案设计;性能计算;稳性校核

Abstract

Marine jack-up drilling platform occupies an extremely important role in the offshore oil and gas resource exploitation with its excellent performance. Complying with the requirements of China Classification Society's (CCS) “Code for the Classification and Construction of Offshore Mobile Platforms (2012)”, referring to the supplementary books relate to the design and construction of ships and offshore platforms, this paper adopts parental design method to attain the main parameters of the platform in design. Though applying the relevant theories in the principles of ship statics and offshore platform design, and the preliminary design and stability checks for the “010” jack-up drilling platform are carried out.

This paper is divided into four chapters. The introductory chapter begins with the description of the research significance and background of marine jack-up drilling platform, the state-of-the-art of developments in China and abroad, and gives some ideas about the future development trend. The following chapters mainly include the preliminary design and the calculation and verification of various performance parameters of the platform. In accordance with the requirements of the specification, as well as under the premise of meeting the platform design regulations, the preliminary design includes determining the main scale parameters and arranging the overall layout and spatial planning of the platform; then utilizing the functional functions of AutoCAD and Excel, the platform hydrostatics is calculated; according to the load line convention, the platform freeboard is modified; the some stability performances of the platform under different operation conditions are calculated and checked, such as the intact stability and standing stability. The verification results meet the requirements of the specification and regulation, it indicats that the preliminary design of the platform is feasible.

Key words: “010” jack-up platform; preliminary design; performance calculation; stability check

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究的背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内外自升式钻井平台研究发展状况 1

1.3自升式钻井平台的发展趋势 2

第二章 自升式钻井平台的方案设计 3

2.1平台设计任务 3

2.2平台的主尺度要素 3

2.2.1主尺度要素定义 3

2.2.2获得设计平台主尺度要素 3

2.3设计平台总体布置划分 7

2.4空平台的重量计算及其重心位置确定 8

2.4.1空平台的重量近似计算 8

2.4.2平台可变载荷重量确定 8

2.4.3平台重心位置确定 10

2.5平台的静水力要素 11

2.5.1建立空间直角坐标系 11

2.5.2平台各项静水力指标计算结果 12

第三章 海洋环境载荷计算 15

3.1平台设计的各种工况和系列载荷参数 15

3.1.1作用在平台上的环境载荷参数 15

3.2风载荷计算 15

3.2.1计算方法 16

3.2.2设计平台风倾力矩计算结果 18

3.3平台海流载荷计算 24

3.3.1海流载荷的计算方法 24

3.3.2平台海流载荷计算结果 25

3.4平台作业海域波浪载荷 25

3.4.1平台波浪载荷的计算方法 25

3.4.2平台波浪载荷的计算结果 26

第四章 平台设计的相关性能校核 29

4.1设计平台最小干舷值校核 29

4.1.1设计平台未修正干舷值的确定 29

4.1.2设计平台关于长度的修正值的确定 29

4.1.3设计平台关于方形系数修正之后的最小干舷值的确定 29

4.1.4设计平台关于型深的修正值的确定 30

4.1.5设计平台关于上层建筑的修正值的确定 30

4.1.6设计平台关于舷弧的修正值的确定 31

4.2设计平台完整稳性校核 31

4.2.1建立平台稳性计算坐标系 32

4.2.2平台完整稳性校核一般准则 32

4.2.3平台设计的动稳性校核 33

4.3设计平台站立稳性校核 35

4.3.1平台站立稳性一般准则 35

4.3.2平台抗倾稳定性校核 36

4.3.3设计平台抗滑稳定性校核 40

参考文献 42

致谢 43

第一章 绪论

1.1研究的背景及意义

石油气资源是当前世界最主要的消耗品,是全球各国国民经济发展的命脉,为了保持国民经济稳定发展,必须保证稳定供给足量的石油天然气资源。伴随着世界经济的迅速发展,能源的消耗速度呈指数倍上升,而石油天然气资源仍旧是当今世界的主要能源。现今全球的石油储量日趋减少,陆上石油气资源储量随着各个国家开采力度的增大更加紧缺。进入21世纪以来,随着各国发展对石油需求的不断增加,石油开采速度呈指数增长,石油储备量严重匮乏。据不完全统计,全球近海石油储量约为1000万亿吨,其中已发现380万吨。

我国拥有漫长的海岸线及广阔的海洋国土面积,在我国沿海和近海海域蕴藏着丰富的海洋石油气资源。作为海上油气资源钻探开采的主要设备,海洋自升式钻井平台在近海油气资源开发领域占据着极其重要的地位。在实际的应用中,它主要是用来支撑和存放巨大的工作钻机、为钻井工作人员提供居住地点、对开采的原油等资源进行存放和分离的场所[3]。与特定的油气储存设施和许多海上工程船舶相比,海上钻井平台的存在具有更为基本的实际作用。

海洋自升式钻井平台属于可移动型平台,其定位功能优异且作业稳定,可在各种不同的海底土壤环境下作业,工作水深范围大,有着灵活的移动能力,便于建造,因而在现阶段的海洋平台发展建造中,自升式钻井平台长期处于主导地位。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内外自升式钻井平台研究发展状况

当前世界,海洋工程主要制造商大多集中在美国、韩国、新加坡和少数西欧国家。现阶段,新加坡和韩国等国家在中、浅水域中高端层次海洋平台设计建造领域技术相对成熟,时至今日,这些国家正在向层次更高端的深水高技术平台设计建造领域进发;而美国和西欧等国家的海工装备的发展核心则是设计、研发和建造高层次的深水高科技海洋平台装备。

与国外相比,中国海洋油气装备的发展相对较晚,技术基础薄弱,核心设备和关键技术主要是进口的,国内只有少数厂家在这方面取得了一定的进展。国内海工技术力量的薄弱,严重抑制了我国石油产业的发展,导致对外国公司长期依赖。而我国海岸线漫长,拥有辽阔的海域,目前经济的发展已高度依赖海洋。加之中共十八大报告提出的关于“海洋强国”的建设目标,自升式平台的研究与建设迫在眉睫,是我国要想复兴中华成为世界强国的必由之路。

虽然近年来中国在近海平台建设和技术研究方面做了大量工作,取得了可喜的成绩,但在技术实力和技术水平方面,中国仍处于相对落后的地位。目前,中国使用的主机、动力系统、特种设备和自动化工具等平台和船体在发达国家仍然需要投入大量资金。在海洋钻井、平台定位、系统控制和自动检测和事故处理等方面,中国与发达国家仍有较大差距。因此,中国必须加快海上平台科学研究步伐,努力赶超世界发达国家,最后迈进全球海上石油装备强国的行列。

1.3自升式钻井平台的发展趋势

1)海工装备钻井平台技术被极少数国家垄断的局面将渐渐被打破

在海上钻井平台发展的过程中,美国、挪威等西方发达国家由于起步早,积累了一定的经验,一直领导和垄断海洋深水技术的发展。但近年来,中国、巴西、韩国和日本等国家都意识到海洋资源丰富,并参与海洋资源的勘探开发。未来,全球海洋平台设备技术的发展将呈现出多样性和齐头并进的局面。

2)海洋钻井平台将向智能化、自动化方向发展

面对海,陆,空等各种复杂的自然环境,严格的海上安全和技术规范,海上平台的安全性决定了海上油气资源的顺利开采。 同时为了保证平台的运行效率,降低人员的劳动强度,减少人工操作造成的误差,海洋平台设备的开发对自动化和智能控制技术提出了更新的要求。

第二章 自升式钻井平台的方案设计

2.1平台设计任务

此次任务要求设计的平台为三桩腿、非自航、主体为单甲板、双层底的三角形箱形结构的长度为68m的自升式平台。其可供96人居住,主要用于在水深为90m的南海海域进行钻探作业。

2.2平台的主尺度要素

2.2.1主尺度要素定义

5. 基线

基线:过平台底板上缘一条水平的线。

6. 干舷甲板

平台干舷甲板指的是平台上露天甲板最高的一层。

7. 空平台重量

空平台重量指的是自升式平台整体舾装、钢料加上其搭载的设备和平台管路中正常工作状态所需的液体的重量和平台固定压载,但不包括储存在液舱内的水、油、消耗品、储存物品、可变载荷、船员和行李重量。

2.2.2获得设计平台主尺度要素

设计平台主尺度要素的确定是通过母型设计法获得的。详见表2.1:

1. 对平台的主体长度和作业水深按照任务书要求进行赋值。

2. 除了平台桩腿的总长度需要另外计算之外,平台其他的主尺度要素均可按照母型的主体长度和设计书要求的设计平台主体长度进行比值比例近似处理获得。

表2.1 母型平台的主尺度参数

部位

项目

南海“007”号

单位

平台主体部分

主体长度(L)

72

m

主体宽度(B)

71.5

m

平台型深(D)

9.1

m

设计吃水(d)

6.1

m

平台井口槽尺寸

16.4×17.6

m×m

空平台重量

13703.26

t

平台重心高度

13m

m

方形系数(Cb)

0.78

平台桩腿

桩腿型式

三角桁架式

桩腿数目

3

桩腿总长

151.4

m

桩腿横向中心距

50.7

m

桩腿纵向中心距

44

m

桩腿弦杆中心距

11.8

m

平台作业水深

106

m

图2.1 海洋平台桩腿部分长度具体分析划分

母型平台桩腿部分长度的具体参数表如下表2.2所示:

表2.2 母型平台桩腿部分的具体桩腿参数

成分

大小

单位

平台作业水深

106

m

作业海域波高

16.5

m

作业海域波周期

11

s

平台桩腿入土深度

8.7

m

图2.2 南海海域波峰高度划分示意图

图2.3 波峰高度对照求取图

最终得出的设计平台桩腿尺度如表2.3所示:

表2.3 桩腿的计算

平台入土深度Ha

平台作业海域水深Hb

平台作业海域波峰高度Hc

峰隙Hd

型深He

平台升降室高Hf

余量Hg

总长H

8.7m

90m

12.5m

1.2m

8.6m

8.5m

6.8m

136.3m

设计平台主尺度参数值如下表2.4所示:

表2.4 设计平台主尺度

部位

项目

设计船数值

单位

设计平台主体

型式

井口槽式,三角箱形

主体长度(L)

68

m

主体宽度(B)

67.5

m

平台型深(D)

8.6

m

平台设计吃水(d)

5.8

m

平台井口槽尺寸

15.5×16.6

m×m

方形系数(Cb

0.78

平台桩腿

桩腿型式

三角形桁架式

桩腿数目

3

桩腿总长

136.3

m

桩腿横向中心距

47.9

m

桩腿纵向中心距

41.6

m

桩腿弦杆中心距

11.1

m

平台作业水深

90

m

2.3设计平台总体布置划分

进行平台总布置设计需要绘制出平台主甲板布置图、上层建筑布置图以及液舱布置图等。在重工设计领域,施工作业安全是要求每个人身体力行的准则。平台设计过程中,根据规范结合海洋平台设计类书籍可知:a.需将非危险区同危险区隔离开来,在受到保护的位置布置应急设备与控制中心室,生活区需布置于最为安全的地方;b.但凡划为危险区的地方都需尽量远离含引燃源的地方。c.在进行平台的布置时,还应考虑到如何使用常年主导风向。例如:当发生爆炸或者失火时,能使得烟气不进入生活区、应急站、避难所等地方。d.必须把生活区域和作业有关的危险区域区分开来。

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