CN103803016A - 一种自升式钻井平台风载荷确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种自升式钻井平台风载荷确定方法，根据自升式钻井平台的功能布置特点，归纳出确定自升式钻井平台所遭受风载荷所需确定的结构和设备，并根据自升式钻井平台总布置图和结构图读取结构和设备的尺寸，得到一个能够包络结构和设备的立方体，后采取本发明所提供的确定方法确定任意风速下结构和设备所遭受的风载荷。本发明在设计阶段只需确定结构和设备在平台总体坐标系三个坐标轴X、Y、Z方向的尺寸，就可使用本发明方法对所有自升式钻井平台或类似平台快速而精确地进行风载荷确定分析，避免了繁重复杂甚至结果不精确的风载荷确定工作。

Description

一种自升式钻井平台风载荷确定方法

技术领域

本发明涉及海洋工程设计技术领域，更具体地说，涉及自升式钻井平台设计过程中风载荷的确定方法。

背景技术

自升式钻井平台是目前数量最多的钻井平台。自升式钻井平台所遭受风载荷的大小约为平台遭受所有外界环境载荷大小的一半，因此风载荷确定是对自升式钻井平台进行总强度分析、主船体强度分析以及其他分析的最重要的外载荷之一。但自升式钻井平台上遭受风载荷的结构和设备数量多、排放复杂，如平台的总布置侧视图图1和平台的总布置俯视图图2所示，为一典型的自升式钻井平台布置图，在水面以上遭受风载荷的结构和设备主要有：桩腿1，主船体2，悬臂梁3，钻台4，井架5，吊机6，吊机7，吊机8，管堆场9，锚机10，栏杆11，桩腿锁紧液压动力站12，锚支架13，排烟管14，生活楼15，救生艇16，灯和灯杆17，直升机甲板18，直升机19，散热器平台20，呼吸空气系统气瓶21，带缆桩22，起锚绞车23，右舷升降结构24，左舷升降结构25，艏部升降结构26，油漆柜27等。在不同风向下，结构和设备的受风面不同，而且结构和设备之间又有相互遮蔽作用，因此不同风向下结构和设备所遭受的风载荷完全不同。

已有的公开发表的文献和报告中，所给出的需要确定风载荷的结构和设备并不相同，无一定的规律性；

已有的公开发表的文献和报告中，在具体确定风载荷时，将结构和设备的各个受风面一一列出来，依次确定每一个风向下每个结构和设备的各个受风面的受风角和有效受风面积，再依次确定得到各受风面的风载荷。

这种繁琐的风载荷确定过程很容易漏掉某个受风面，且很容易在确定有效受风面积时出错，给风载荷的确定工作带来十分的麻烦，工作效率低下。

以图7所示某主船体的外型图为例，采用现有技术方式确定风载荷。设测得风向角为135°。

现有技术主船体风载荷确定中，分别确定三个受风面的风载荷，步骤如下：

1.确定该风向角下的受风面：此时主船体遭受风载荷的受风面有面a、面b和面c三个面，通过测量获得。

2.量取受风面的尺寸：设面a、面b和面c三个面水平方向的长度分别为a、b和c，高度皆为主船体的型深h。

3.确定受风面的面积，分别为：ah、bh和ch。

4.量取受风面与风向角的夹角θ′：本例中风向角θ=135°，则面a与风向的夹角为135°，面b与风向的夹角为135°-θ，面c与风向的夹角为45°。

5.确定受风面的有效受风面积，分别为：ah·sin135°、bh·sin(135°-θ)和ch·sin45°。

6.确定形状系数C_s，高度系数C_h，风速V，从而确定各项风载荷F。

现有技术的方法，详细过程如下表所示：

项目

长

高

θ′°

Cs

面积

有效受风面积

Ch

V

F

面a

a

h

135

ah

ah·sin135°

面b

b

h

135-θ

bh

bh·sin(135°-θ)

面c

c

h

45

ch

ch·sin45°

上述繁琐的风载荷确定过程很容易漏掉某个受风面，且很容易在确定有效受风面积时出错，给风载荷的确定工作带来十分的麻烦，工作效率低下。

发明内容

本发明针对上述问题，结合自升式钻井平台的特点，明确了典型自升式钻井平台风载荷确定时需考虑的结构和设备，并设计一种适合自升式钻井平台风载荷确定的快速而准确方法。通过本发明的应用，可快速而准确地得到作用在自升式钻井平台上的风载荷

为了达到上述目的，本发明提供了一种自升式钻井平台风载荷确定方法，包括如下步骤：

S1、通过测量或设计获取自升式钻井平台上所有结构和设备的尺寸信息，包括沿X轴方向的长度L、沿Y轴方向的宽度B、沿Z轴方向的高度H；

S2、确定风向，从而确定钻井平台上受风的结构和设备，并筛选出各个所述受风的结构和设备受风面的尺寸信息，包括长度、宽度、高度；

S3、筛除受风载荷小的结构和设备，分三种：

a、完全遮蔽的结构和设备；

b、结构物的截面最大尺寸小于0.3m，且截面最大尺寸与长度之比小于0.2的结构和设备；

c、长度、宽度或高度皆小于平台主船体长度的百分之一的结构和设备；

从而筛选出需要确定受风载荷的结构和设备；

S4、分情况分别确定S3中筛选出的结构和设备的受风载荷：

a、对于桁架式桩腿的弦杆、水平撑杆和斜撑杆，利用公式(1)确定风载荷f：

$f=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{C}_D\mathrm{DV}\left|V\right|---\left(1\right)$

其中，ρ为空气密度；C_D为风载荷确定拖曳力系数；D为结构物的特征尺寸（可保守地取过垂直于风向的结构物截面形心的最大尺寸，如对于截面为矩形的结构物，特征尺寸为结构截面的对角线）；V为风速;

b、其余结构和设备的风载荷，利用公式(2)确定如下：

F=0.611V²C_hC_sA    (2)

其中，C_h为高度系数；C_s为形状系数；

A为结构物和设备的受风面积，通过如下过程获得：

结构或设备的对角线Loa长度为：

$\mathrm{Loa}=\sqrt{L^2+B^2}$

令水平面对角线Loa与长度L的夹角为α，则：

α=arctan(B/L)

令风向角θ为风向与平台中纵剖面的水平夹角，由平台艉部吹向艏部时风向角θ为0°，逆时针为正；则任意风向角θ下的受风面积A为：

此外，对于井架含有挡风墙、天车、缆线和大钩等，吊机含有驾驶室、大钩，直升机甲板下含有输油管、支撑结构和扶梯，受风面积A需再乘以60%进行计算。

本发明一种自升式钻井平台风载荷确定方法，根据自升式钻井平台的功能布置特点，归纳出确定自升式钻井平台所遭受风载荷所需确定的结构和设备，并根据自升式钻井平台总布置图和结构图读取结构和设备的尺寸，得到一个能够包络结构和设备的立方体，后采取本发明所提供的确定方法确定任意风速下结构和设备所遭受的风载荷。本发明在设计阶段只需确定结构和设备在平台总体坐标系三个坐标轴方向的尺寸，就可使用本发明方法对所有自升式钻井平台或类似平台快速而精确地进行风载荷确定分析，避免了繁重复杂甚至结果不精确的风载荷确定工作。

附图说明

图1为参照平台的总布置侧视图；

图2为参照平台的总布置俯视图；

图3为受风面积确定包络图（俯视）；

图4为受风面积确定包络图（侧视）；

图5为受风面积确定立方体图；

图6为受风面积确定水平图；

图7所示某主船体的外型图。

具体实施方式

本发明自升式钻井平台风载荷确定方法，首先需要熟悉自升式钻井平台总布置图，熟悉暴露在风场中的平台设备和结构，筛除那些遭受风载荷比较小的结构和设备，这些结构和设备本身体积小，加上遮蔽效应的影响，其所遭受的风载荷大小在整个平台所遭受风载荷大小中的比例很小。

具体以图1和图2所示工程平台说明，筛除包括锚机10，栏杆11，桩腿锁紧液压动力站12，锚支架13，排烟管14，灯和灯杆17，呼吸空气系统气瓶21，带缆桩22，起锚绞车23。艏部升降结构26被生活楼15所包围，因此确定中也筛除其所遭受的风载荷。这样，对于典型的自升式钻井平台，需要确定风载荷的结构和设备包括：桩腿1，主船体2，悬臂梁3，钻台4，井架5，吊机6，吊机7，吊机8，管堆场9，生活楼15，救生艇16，直升机甲板18，直升机19，散热器平台20，右舷升降结构24，左舷升降结构25，油漆柜27。

在确定风载荷的时候，筛除了那些本身体积小的结构和设备，筛除了那些完全处于遮蔽区域的结构和设备，这样将可能使得最终确定得到的风载荷较小，但具体确定风载荷时不考虑结构和设备之间的遮蔽效应，则可抵消由于筛除某些结构和设备所带来的影响，且结果合理可靠。

确定结构和设备所遭受风载荷大小的关键是其受风面积的确定。本发明采用一立方体将需要确定风载荷的结构或设备外形完全包络进去，如图3和4所示为确定生活楼15所遭受风载荷时如何确定立方体的例子，该立方体的长度L等于生活楼15沿平台长度方向的总长度，该立方体的宽度B等于生活楼15沿平台宽度方向的总宽度，该立方体的高度H等于生活楼15沿垂直方向的总高度，从而得到如图5所示的一立方体。

确定立方体的尺寸后，按照本发明给出的非常简便的方法即可得到任意风向下的受风面积，从而完成所有风载荷的确定。

具体过程为：

确定风载荷的结构和设备，包括桩腿1，主船体2，悬臂梁3，钻台4，井架5，吊机6，吊机7，吊机8，管堆场9，生活楼15，救生艇16，直升机甲板18，直升机19，散热器平台20，右舷升降结构24，左舷升降结构25，油漆柜27。

分别确定作用在各结构和设备上的风载荷。桁架式桩腿1的弦杆、水平撑杆和斜撑杆属于细长结构物，桩腿1上附属结构较少，利用下列公式确定作用在单位长度细长结构物上的风载荷f：

$f=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{C}_D\mathrm{DV}\left|V\right|$

其中，

ρ为空气密度；

C_D为风载荷确定拖曳力系数；

D为结构物的特征尺寸；

V为风速。

其余结构和设备的风载荷确定公式如下：

F=0.611V²C_hC_sA

其中，

C_h为高度系数；

C_s为形状系数；

A为结构物和设备的受风面积。

确定结构或设备所遭受的风载荷的关键是其受风面积A的确定。对于结构内部中空但会放置管线设备的结构，如悬臂梁3，确定其受风面积A时应将其视作内部满实的结构体。

受风面积A的具体确定方法如图3和4所示的生活楼15的例子，本发明采用一立方体将需要确定风载荷的结构完全包络在其中，立方体如图5所示。该立方体的长度L等于生活楼15沿平台长度方向的总长度，该立方体的宽度B等于生活楼15沿平台宽度方向的总宽度，该立方体的高度H等于生活楼15沿垂向的总高度。本发明中，确定该立方体受风面积的具体方法如下：

该立方体水平面如图6所示，其对角线Loa长度为：

$\mathrm{Loa}=\sqrt{L^2+B^2}$

令水平面对角线Loa与长度L的夹角为α，则：

α=arctan(B/L)

令风向角θ为风向与平台中纵剖面的水平夹角，由平台艉部吹向艏部时风向角θ为0°，逆时针为正。则任意风向角θ下的受风面积A为：

井架5，吊机6，吊机7，吊机8，直升机甲板18下的桁架结构的受风面积A则将满实投影面积的60%作为受风面积A。此处的60%，是经风洞试验和详细计算验证的最优取值，将满实投影面积的60%作为此类结构物的受风面积完全满足风载荷计算的要求。随着高度的不同，这些结构和设备的高度系数C_h不同，水平剖面面积的大小也不同，则按照同一高度系数内取一将结构和设备包络进去的立方体进行受风面积A的确定。

以主船体所遭受风载荷确定为例说明本发明的优越性。如图7所示为某主船体的外型图，假设风向角为135°。利用本发明确定主船体风载荷的步骤如下：

1.量取包络主船体的立方体尺寸L、B、H。

2.输入形状系数C_s，高度系数C_h，风速V，风向角θ，自动确定风载荷F。

本发明涉及如下表所示的确定表格：

通过对比背景技术中现有技术方法的过程可以发现，现有技术的确定方法需要确定受风面，量取受风面的外形尺寸，并确定每一个受风面的受风角和有效受风面积，最后输入高度系数C_h，形状系数C_s和风速V才能得到风载荷。而采用本发明，只需要量取包络结构和设备立方体的尺寸L、B、H，输入高度系数C_h，形状系数C_s，风速V和风向角θ，即可自动得到任意风向角θ下的风载荷F，整个确定分析过程非常简洁清晰。

本发明首先筛除那些遭受风载荷比较小的结构和设备，包括结构物的截面最大尺寸小于0.3m，且截面最大尺寸与长度之比小于0.2的独立细长结构物，如灯杆；包括结构物和设备本身尺寸小，其长度、宽度或高度皆小于平台主船体长度的百分之一，如锚支架，排烟管，带缆桩，起锚绞车。筛除被完全遮蔽的结构，如被环形生活楼和其他结构物所包围的升降结构。

井架含有挡风墙、天车、缆线和大钩结构，吊机含有驾驶室、大钩，直升机甲板下含有输油管、支撑结构和扶梯，它们不能简单地视为由细长结构物组成的桁架式结构物，经相关风洞试验和详细计算验证，其受风面积A可按一侧满实投影面积的60%来计算，这样使得计算过程简便而计算结果又比较可靠。

本发明采用该方法进行风载荷的确定，无需考虑进行风载荷确定的结构和设备的范围，也无需对结构和设备的每一个受风面进行分析，避免了以前自升式钻井平台风载荷确定时杂乱而繁杂的过程。采用该方法进行风载荷确定，整个分析过程简单有序，结果合理可靠，非常适于实际工程项目的设计分析。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种自升式钻井平台风载荷确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过测量或设计获取自升式钻井平台上所有结构和设备的尺寸信息，包括长度L、宽度B、高度H；

S2、确定风向，从而确定钻井平台上受风的结构和设备，并筛选出各个所述受风的结构和设备受风面的尺寸信息，包括长度、宽度、高度；

S3、筛除受风载荷小的结构和设备，分三种：

a、完全遮蔽的结构和设备；

b、结构物的截面最大尺寸小于0.3m，且截面最大尺寸与长度之比小于0.2的结构和设备；

c、长度、宽度或高度皆小于平台主船体长度的百分之一的结构和设备；

从而筛选出需要确定受风载荷的结构和设备；

S4、分情况分别确定S3中筛选出的结构和设备的受风载荷：

a、对于桁架式桩腿的弦杆、水平撑杆和斜撑杆，利用公式(1)确定风载荷f：

$f=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{C}_D\mathrm{DV}\left|V\right|---\left(1\right)$

其中，ρ为空气密度；C_D为风载荷确定拖曳力系数；V为风速;

D为结构物的特征尺寸，取过垂直于风向的结构物截面形心的最大尺寸；

b、其余结构和设备的风载荷，利用公式(2)确定如下：

F=0.611V²C_hC_sA    (2)

其中，C_h为高度系数；C_s为形状系数；

A为结构物和设备的受风面积，通过如下过程获得：

结构或设备的对角线Loa长度为：

$\mathrm{Loa}=\sqrt{L^2+B^2}$

令水平面对角线Loa与长度L的夹角为α，则：

α=arctan(B/L)

令风向角θ为风向与平台中纵剖面的水平夹角，由平台艉部吹向艏部时风向角θ为0°，逆时针为正；则任意风向角θ下的受风面积A为：

此外，对于井架含有挡风墙、天车、缆线和大钩、吊机含有驾驶室、大钩，以及直升机甲板下含有输油管、支撑结构和扶梯的结构，受风面积A需再乘以60%进行计算。

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