船舶与海洋工程毕业设计：20m水深固定平台结构设计.doc

1、 本科毕业论文 （ 20 届） 20m 水深固定平台结构设计 所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 毕业设计 摘要 摘要 随着经济的高速发展，全球对能源的需求逐渐加大，海上石油成为世界各国关注的对象，所以海洋平台的开发将成为未来的热门研究对象。本次 设计为四单桩钢质导管架海洋平台，钢质导管架平台是一种典型的固定式海洋平台，这种平台的主要构件包括导管架、桩以及甲板上部结构。本文是参照母型海洋平台并按照相关设计规范完成的渤海海域简易四桩腿导管架式采油平台的设计。本平台是以渤海地区的自然环境条件为设计依据，参照母型平台提出了设计平台的主尺度。本文按照中

2、国船级社的浅海固定平台建造与检验规范，对平台进行了风载荷、冰载荷、浪流载荷的计算，计算了该台设计方案中平台用的导管架重量并用 PATRAN 建立了平台的有限元模型，并对该种方案进行了整体静力分析，通过软件分析最 终确定了设计平台的尺度；在确定平台的主尺度的基础上对平台进行桩基承载力的校核，从而确定设计的安全性。 关键词 钢质导管架平台；静力分析； PATRAN 毕业设计 摘要 Designing of Jacket Platform at 20m Depth Sea Abstract With the rapid development of the economy, the global d

3、emand for energy increased gradually, offshore oil has become the object of concern around the world. Thus the development of offshore platforms will become a hot research topic. This design for the four-pile steel jacket platform .Steel jacket platform is a typical fixed offshore platform .The main

4、 components of this platform include the jacket, the piles and structures of the upper deck. This dissertation is based on a master model of Jacket platform. And it has four-pile steel. This platform is in the environment of the Bohai Sea. The schemes of the structure are proposed in the design .In

5、this paper, according to the Rules of Construction and Inspection of Shallow Water Fixed Platforms by China Classification Society (CCS),the environment load such as the wind load, the wave and current load and the ice load are calculated .By using the Software of PATRAN ,the static analysis of the

6、jacket platform is made to calculate the stress and the strain of the structure . By the comparison of the numerical results, the final designing of the jacket platform is made .And finally , the foundation bearing capacity of the pile is calculated. Key words steel jacket structure; static analysis

7、; PATRAN 毕业设计 正文 目录 1 前言 . 2 1.1 引言 . 2 1.2 国内外海洋平台发展状况 . 2 1.3 我国海洋平台发展与国外的差距 . 4 1.4 本毕业设计的主要内容 . 4 2.环境条件和设计依据 . 5 2.1 平台用途和主要功能 . 5 2.2 环境条件 . 5 2.3 平台设计依据 . 6 2.4 计算工况 . 6 3.平台选型和主尺度 . 7 3.1 平台结构形式 . 7 3.2 平台主尺度 . 8 3.3 平台选型方案 . 8 4. 平台载荷计算 . 9 4.1 一般要求 . 9 4.2 风荷载 . 9 4.3 波浪载荷 . 10 4.4 海流载荷 .1

8、1 4.5 冰载荷 . 12 4.6 计算结果和加载的方法 . 12 4.7 平台甲板设备载荷 . 14 5. Patran 软件概况及相关单元说明 . 15 5.1 Patran 的简介 . 15 5.2 有限元法基本思路 . 15 6平台模型的建立 . 16 6.1 结构简化 . 16 6.2 边界条件 . 16 6.3 计算程序 . 16 6.4 建模 . 17 7.平台桩基承载力校核 . 54 7.1 轴向承载力计算公式 :. 54 7.2 基桩轴向承载力计算 . 55 7.3 轴向基桩承载力校核 . 57 8.设计总结 . 58 8.1 设计目标及完成情况 . 58 毕业设计 正文

9、1 8.2 设计过程中遇到的问题及其解决办法 . 58 8.3 设计感想 . 58 9.致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 59 外文翻译 . 61 毕业设计 正文 2 1 前言 1.1 引言 21 世纪是海洋资源开发的世纪，随着国际石油竞争的激烈，海洋石油的开采也达到了前所未有的高峰。我国海域内也发 现的大量的大型油气盆地，尤其在南海区域内发现大量石油。 我国滩海油田目前采用的平台，大部分是国产的导管架式平台。 导管架平台是海洋平台结构的主要形式之一。导管架平台具有传力路线明确， 受力性能好 ， 承载能力强， 构造简单，无附加外凸的节点构件， 次要构件连接简便 ， 建筑外表美观，而

10、且更易于维护保养的优点，是应用较多的一种平台。 1.2 国内外海洋平台发展状况 国际： 移动式平台 : 坐底式平台 自升式平台 钻井船 半潜式平台 张力腿式平台 牵索塔式平台 ； 固定式平台 :导管架式平台 重力式平台 1.钻井模块既可 以放到固定平台上，也可以采用移动式平台，但是上部模块价格比较贵，一套要好几亿美元以上，所以一般都可以移植到移动式上面，一般是打一枪换一个地方。半潜式钻井平台是由座底式平台发展而来。到目前为止，半潜式钻井平台已经经历了第一代到第六代的历程。自升式钻井平台现在大多改造时都采取了悬臂梁结构。关于钻井船，在中国海域好象还没有一艘浮式钻井船（这里面不是技术原因，是地缘政

11、治，固定式的好说话）。 2.固定平台包括导管架固定平台、深水顺应塔固定平台、混凝土固定平台等。由于混凝土平台自重很大，对地基要求很高，使用受到限制。 导管架平台使用水深一般小于 300m，世界上大于 300m 水深的导管架平台仅 7 座。 3. 浮式平台包括张力腿平台（ TLP）、浮筒式平台（ SPAR）、半潜式平台（ SEMI）等，需要结合 SCR 等深海立管和水下生产系统等进行生产。 从 2003 2007 年的 5 年间，在墨西哥湾、西非近海等海域，全世界将共有 116艘浮式生产储油卸油系统投入工作，其中浮船式 FPSO 77 艘， TLP 平台 16 艘， Spar 平台 13 艘，半

12、潜式采油平台 10 艘。 据 Offshore统计，截至 2005年 8 月，全世界有FPSO(包括新建和改装 )总计 145 艘。其中新建 (包括已建、在建以及还处于订单状态 )的 69 艘 FPSO 大部分都是由韩国、中国、日本、新加坡这 4 国承担，在已知建造船厂的43 艘 FPSO 中， 4 国共占了 35 艘，接近 81.4。为已知建造厂商的 FPSO 主要建造国所占比例：已知的 43 艘新建 FPSO 中，韩国 14 艘，中国 9 艘。新加坡 7 艘，日本 5 艘。韩国建造市场以三星重工为主，从其 1993 年建造第一艘 FPSO 算起，三星重工已建造或即将建造的 FPSO 共有

13、10 艘，其次为现代重工 3 艘，而大宇船舶与海洋工程也在 1999年建造过 1 艘；中国的建造市场分配较平均，分别 为大连新厂 3 艘、青岛北海船厂 1 艘、外高桥船厂 3 艘、沪东船厂 1 艘、江南造船厂 1 艘：新加坡建造市场方面， (私营 )日立毕业设计 正文 3 罗宾船坞有限公司 3 艘，吉宝远东 3 艘，吉宝造船厂 1 艘；日本建造市场分配也相对平均，石川岛播磨重工、名村造船公司、三井造船公司、三菱重工、日本钢管公司各 1 艘。在 76艘改装的 FPSO中 (包括已改装、在改装以及还处于订单状态 )，已知改装船厂的 FPSO有 65 艘，其中 41 艘都是由新加坡的厂商改装，接近

14、63.1，主要为裕廊造船厂和吉宝造船厂 (裕廊造船厂 16 艘，吉宝造船厂 21 艘 )。统计结果显示，中、日、韩 3 国 在改装方面似乎兴趣乏乏，韩国仅现代重工改装过 2 艘，中国则仅有沪东船厂在 1990 年改装过 1 艘，而日本同样只有住友重型机械公司、石川岛播磨重工和佐世保重工各改装过 1艘。从订单来看，截至 2004 年 9 月， FPSO 的订单数为 1 6 艘，而到 2005年 8 月，订单增加到 27 艘，主要下单国家为巴西、尼日利亚、安哥拉、澳大利亚和中国。 2006 年统计。现今世界仅有 Spar 平台 14 艘， DDCV 平台 1 艘， SCF 平台 1 艘。工作海域除

15、在建的“Kikeh” 号 Spar 平台将在马来西亚外，其余均布置在墨西哥湾。在已知总装厂商的 14艘 Spar 平台和 DDCV 平台中，集中在美国 J.Ray McDermott 公司手中 9 艘 Spar 平台、 1艘 DDCV 平台，另外 Technip 公司 3 艘 Spar 平台， Litton Ingalls 造船公司 1艘 Spar平台。而上部模块和船体的建造也基本集中在 J.Ray McDermott 和 Technip 公司手中。而中、日、韩这 3 个造船总产量占世界 90以上的传统造船强国在 Spar 平台领域暂时无所作为。由于技术和海域海况的缘故，估计未来一段时间内 S

16、par 平台的建造市场仍将掌握在上述几家厂商手中，客户也将以美国墨西哥湾为主，其它国家 仅马来西亚订购1 艘 2005 年 10 月刊统计，当今世界已建或在建的 TLP 平台和 TLWP 平台总计为 23 艘(TLP18 艘， TLWP5 艘 )。在已知装配厂商的 17艘 TLP 平台和 TLWP 平台中，荷兰 Heerema公司独占鳌头，承担了其中 5 艘 TLP 平台、 2 艘 TLWP 平台的总装，占到将近 41.2。此外， Guif 海事公司承担 4 艘 TLP 平台，美国 J.Ray McDermott 公司 3 艘 TLP 平台，Aker-Gulf 海事公司 2 艘 TLP 平台，

17、新加坡的远东莱文斯顿造船有限公司 (FELS)承担了1 艘 TLWP 平台。而从船体 (下沉箱 )建造 来看，韩国的三星重工和大宇船厂分别承建 5艘和 3 艘，其它大部分船体则均由意大利和美国的公司建造，另外新加坡方面也负责了2 艘 TLP 平台的船体建造。从订单情况看，美国墨西哥湾是 TLP 平台的传统用户，其 TLP的投入量仍将缓慢持续增长，而西非地区现对 TLWP 平台有着较大兴趣，加上油、气开发潜力巨大，预计未来订单量还会有所增加。 2006 年统计，世界现有 Semi-FPS 平台和DDS 平台 43 艘，主要工作地为美国墨西哥湾、北欧和巴西。在 DDS 平台建造方面。主要厂商为韩国

18、现代重工、大宇船舶与海洋工程、新加坡远东莱文斯顿造船 有限公司、 PPL船厂、俄罗斯 Vyorg 船厂以及其它一些日本、欧洲知名船厂。在运营方面，工作水深排世界前 15 名的半潜式平台中，巴西国家石油 (BR)占 9 艘，英国石油公司 (BP)2 艘，壳牌石油 1 艘，美国 ATP 油气公司 1 艘， Chevron 公司 1 艘，美国 Anadarko 石油公司 (APC)1艘。目前主要下单国家为美国和巴西 国内：海上可移动钻井装置一般包括坐底式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台、钻井船四种。第一座自升式钻井平台“德朗 1 号” ,建于 1950 年 ,但到 1953 年毕业设计 正文

19、 4 成了一座永久性的固定式平台。第一座移动自 升式钻井平台是 1954年建的“滨海 51号”。1954 年建的“嘎斯先生号”是提升甲板式的自升式平台。 1955 年建造了第一座三腿自升式钻井平台“天蝎号” ,首次在桁架式桩腿上使用了齿条和齿轮升降系统。 1956 年滨海公司的 54 号钻井平台在桁架式桩腿上使用液压升降系统。 1957 年建的“嘎斯先生号”开始用液压升降系统的沉垫支承式装置。 1967 年建的“德莱塞 1 号”开始具有自定位功能。到 1974 年移动自升式钻井平台就能在 105m 的水深作业。自升式钻井平台一般分独立桩腿自升式和沉垫式支承两种类型。 半潜式钻井平台是从坐底 式

20、平台演化而来的 ,1961 年在一座坐底式钻井平台“蓝水1 号”加装立柱建成第一座半潜式钻井平台。 1963 年建成第一座三角形半潜式钻井平台“海洋钻井者号”。 1964 年建的“蓝水 2 号”是第一座长方形半潜式钻井平台。 20 世纪70 年代 ,半潜式钻井平台开始装上推进器 ,便于托航和定位。 1973 年以后建造的大多数半潜式钻井平台具有某种自航功能。 1978 年建成第一座动力定位半潜式钻井平台Sedco709 号。 1953 年第一艘移动式旋转钻井船投入使用 ,该船可在 120m 水深作业 ,钻井深度达2100m。一般改装普通轮船或专门设计建 造移动式钻井船。钻井船的船体可以是一个或

21、者两个。随着石油工业科学技术的不断完善与进步 ,海上可移动钻井装置在钻井能力、工作水深、可变载荷、生活设施、安全环保、自动化程度等方面都有很大的发展。目前海上可移动钻井装置已发展到第五代 ,大多数可以自航并配有动力定位装置到更深的作业海域钻探更深的井。 1.3 我国海洋平台发展与国外的差距 目前国内与国外相比主要差距在于：一是国内只能设计建造浅水水域的平台，而国外海洋平台工作水深已达 300 3000m；二是建造筒型基础采油平台的技术还没有过关；三是还不能设计 建造多功能 结 构简便的轻型采油平台。 1.4 本毕业设计的主要内容 本文进行了浅海 20 米水深海上采油导管架平台的设计，主要包括以

22、面内容 : 1.学习 Patran 有限元软件在平台结构中的应用 ; 2.平台选型、主尺度和构件尺寸的确定 ; 3.环境载荷计算及各工况载荷的组合 ; 4.用有限元软件建立平台有限元模型 ; 5.对平台进行静强度校核 ; 6.对平台进行动力分析 7.平台地基承载力校核 毕业设计 正文 5 2.环境条件和设计依据 2.1 平台用途和主要功能 此导管架采油平台为四桩腿导管架式 单井采油平台，包括甲板、导管架、桩基等部分。桩腿形式为摩擦桩基础，平台上部设备重量为 200t。 2.2 环境条件 开发三号工作环境是在渤海，所以选择的环境载荷应该是渤海湾的自然情况下的情况。 2.2.1 设计水深 设计水深

23、 20 m 2.2.2 潮位 校核高水位（ 50 年重现期） 3.08m 设计高水位 1.48m 平均海平面 0.00m 设计低水位 -0.69m 校核 低水位 -2.32m 2.2.3 波浪 自存工况 100 年一遇 最大波高 H=6m 最大波浪周期 T=8.65s 2.2.4 海流 本海区潮流的运动形式为往复流，主流的方向大致与等深线平行，涨潮流的方向约为 ESE 向，落潮流为 WNW。海流最大速度 1.029m/s 2.2.5 风 设计风速 工况设计风速下 36.0m/s 自存状态设计风速下 51.5m/s 2.2.6 海冰 设计冰厚（ 50 年一遇 ） 0.45m 抗压强度 1717k

24、Pa 毕业设计 正文 6 2.3 平台设计依据 单一应力分量，以及适当时这类应力的直接合成，均不应超过由下列公式求得的许用应力值 : sS （ 2.1） 式中 许用应力， MPa ; s 规定 的最低屈服点或屈服强度， MPa ; S 安全系数； 对轴向拉应力及弯曲应力 S=1.67； 0.6 s ； 材料的屈服极限 s =240MPa； 所以平台的弯曲和轴向许可应力 =240 0.6=144MPa； 2.4 计算工况 我们考虑平台最危险情况就可以了，在自存情况下平台具有最危险工况，我们只要检验自存状态平台的强度即可。 平台在自存状态下受到风冰载荷 作用： 风 +冰 +甲板载荷 , 作用方向 :横向 风 +冰 +甲板载荷 , 作用方向 :纵向 风 +冰 +甲板载荷 , 作用方向 :斜向 平台在自存状态下受到风浪流作用： 风 +浪 +流 +甲板载荷，作用方向 :横向 风 +浪 +流 +甲板载荷，作用方向 :纵向 风 +浪 +流 +甲板载荷，作用方向 :斜向