CN1824573A - 圆筒形壳体结构布置 - Google Patents

Abstract

改进的漂浮圆壳体结构布置。由不透水密封的平板将壳体分为多段。各段中围绕外壳体内侧径向分开的纵向桁架在到达平板之前和在平板处终止不贯穿。纵向桁架一端连接于横越平板伸到内外壳体的径向桁架，另一端连接于平板、直接与径向桁架对齐。外壳的内圆周上的板加强结构连接于外壳和纵向桁架。围绕内壳外圆周分开的纵向桁架沿着内壳长度延伸，并以与外壳上的纵向桁架的相同方式连接于径向桁架和平板。由弯曲形成同心圆的角钢或圆头T形钢加强平板，平板由围绕平板分开的和跨越在内和外壳之间径向桁架支持。在垂直方向用圆形段组装诸舱室，使在竖立期间自身重量引起的变形最小。转动所完成的圆形段到达水平位置，以与其它段连接，形成完整的圆筒体。

Description

圆筒形壳体结构布置

相关申请

本申请涉及和要求2005年2月22日递交的临时申请系列号60/654,994的权益。

技术领域

本发明总体上涉及漂浮的海上结构，更具体的涉及圆筒形壳体或壳体的圆筒形部分。

背景技术

海上油气工业使用多种形式的漂浮系统，以提供“平台”，从该平台在水深处钻孔和生产碳氢化合物，对于该水深、固定的平台、海上钻井架和其它建立底部的系统是较不经济的或技术上是不可行的。用于这些目的最普通的漂浮系统是Spar平台(Spars)、张力臂柱平台(TLPs)、可半浸入水中的平台(Semis)和传统的桥形结构(Ships)。所有这些系统使用某形式的加强板结构，以形成它们的壳体。从广义上来说，本发明总体上应用于那些系统，或那些系统的其中加强板部分是圆筒形的诸部分。本发明的附加方面尤其应用于横剖面为圆形的圆筒形壳体。圆筒形壳体是Spas、单柱TLPs和Semis的臂柱(支柱)的最普通的特征。

在现有技术中，结构布置和组装方法基于多年来研制的船舶设计实践。在这些系统中，首先通常使用例如结构角钢或圆头T形钢的较小零件沿着圆筒形的纵向加固壳板或结构表层。然后将在一个方向加固的该板形成为带有平行于圆筒体的中心线的这些加强件的整个圆筒体或圆筒体的一段。无论该形状是弯曲的或平侧边的，都使用垂直于这些纵向加强件的桁架(girder)或框架将圆筒形状锁定在适当位置中。这些框架位于较均匀的间隔处，以将诸加强件的跨距限制于可接受的距离。可以使用如设计人员所确定的中间支持件缩短这些桁架或框架自身的跨距，以便通过选择制造附加的支持件代替制造用于较长跨距的较大桁架或框架而优化设计。

诸纵向加强件的间距基于(1)在用于焊接到外壳板的该诸加强件之间的通道所要求的最小距离(约22至26英寸)和(2)壳体厚度和用于板弯曲检查的加强件间距之间的平衡。为了使用中进行的检查通入垂直于加强件的诸框架或桁架分开至少四英尺、直至八英尺，这取决于设计工程师如何选择加强件尺寸和桁架间距的平衡。

像所有的漂浮系统那样，圆筒形壳体被区分为对水密封的诸舱室，以适应特定数量的损坏(浸没)，而不会下沉或倾覆。除了采用一组较小直径的圆筒体以产生许多它的分舱的Spar原理的专用型式之外，圆筒形壳体的诸部分由对水密封的平板和舱壁被区分为诸舱室。由于这些壳体具有圆筒体，这些圆筒体与水平漂浮的船壳体比较在使用中是垂直漂浮的，因此在Spar壳体中这些术语可以具有某些不同的含义。在Spars、TLPs和其它深吃水的柱形壳体中，平板垂直于纵向加强件，舱壁平行于这些加强件，而在船中它们是相对的。在本文中的叙述将使用如用于Spars和带有垂直取向的圆筒形部分的其它容器的术语。

现有技术从船舶设计实践所转移的纵向加强件被制造成在结构上连续通过或越过平板，从而当对圆筒休计算总弯曲能力时加强件被认为与壳体板在结构上一起发挥作用。这通过使加强件连续通过平板或者借助于阻止加强件、不到达平板和在两侧附加托架、以代替在阻止加强件中失去的结构连续性，实现这结构。当加强件通过一平板时，在平板中的孔必须被密封，以便保持平板的不透水的完整性。当加强件不通过平板时，必须附加大量的托架，这些托架必须越过平板轴向对齐。这两种方法很费工，从而成本较高。

在船舶中，设计主要受来自纵向弯曲而不是液体静力的载荷的控制，在结构上保证壳体平板的长度上的加强件的该连续性。在1)垂直取向的、单圆筒形壳体中、2)在多臂柱TLPs和3)带有比船舶吃水更深的水下支柱和浮筒的Semis中，来自液体静力的载荷而不是来自纵向弯曲的载荷控制壳体结构的许多尺寸。对于这些漂浮系统，在船舶设计中如此有价值的加强件的结构连续性在非船型壳体中不是特别有价值。但是，在现有技术中，在载荷方面的这基本差异没有反映在Spar和类似的圆筒形壳体的设计中。

图1和2示出了一现有技术、圆筒形、Spar壳体结构布置的横剖面图。形状为正方形或矩形的有平侧面的被水淹没的中央井100被设计成容纳有规律排列的升降装置。径向舱壁180连接中央井100的角落到达外圆筒形壳体，并延伸在圆筒体的整个高度上。外壳体、中央井壳体和径向舱壁壳体的诸纵向加强件120是连续的和通过桁架140，也通过将圆筒体划分为诸不透水舱室的平板160。因为诸舱室必须是不透水的，因此在组装之后必须密封在平板160中设置的以提供纵向加强件120的连续性的任何通道。这要求大量的劳动力，也由于大量的必须通过焊接被密封的区域增加了泄漏的危险。

径向舱壁180对于在外壳上的桁架140产生很刚性的支持点。在为液体静力的主载荷下，这些支持件无意中会使这些桁架起到在这些支持件之间跨越的弯曲件的作用，在圆筒形的情况下，阻止它们如处于压缩状态下的环那样更有效地起作用。由于桁架140起“梁作用”而不是起压缩环的作用，圆筒体中壳板承受液体静载荷的负载量在使用之中也是很大的，这是由于仅仅一部分平板是有效的作为桁架的压缩边缘(有效宽度)。

中央井100的直边200在主要的液体静载荷之下必定引起中央井100的桁架140起弯曲件的作用。径向舱壁180自身在一相邻的舱室被掩没的情况下仅仅受到液体静载荷，在这情况下，桁架也起到跨越在中央井壳和外壳之间的弯曲件的作用。用于这些壳体和舱壁的所有桁架必须位于相同的水平面内，以便它们的终端能够被系紧在一起，以提供结构连续性。因此，这些终端具有在它们相互连接处的复杂的弯曲的过渡段。要求这些很费工的过渡段以在这些高载荷位置减小“热点”应力，但是它们仅仅减小、不清除、这些应力的数值。因此，通常在桁架板中包括附加的费工的插入板，以将剩余的热点应力减小到可允许的应力之下的数值。附加“释放托架”220(用于桁架的不在一平面内的联接板型侧向支撑)，以支持桁架防止张力弯曲。

现有技术中用于圆筒形壳体的结构框架的布置直接影响关于制造子组件的设计和整个壳体的竖立。在Spar壳体的现有技术中，圆筒形容器在平面(带有径向舱壁)和纵向(带有平板)被划分为诸段(诸子组件)。事先在夹具中制造圆筒体的这些部分，然后运到最后组装工地，在那里将它们连接在一起，形成整个圆形诸段。通常在它们的侧边上构造这些子组件，以主要使用段的重量使外壳与夹具或模子的曲率一致。在结构完成的先期状态中从夹具拆下这些子组件和转动180度，以便完成在外壳上的预装配，然后再转动以便被连接成为在它的侧边上装配的壳体圆筒体。对于Semis和TLPs的圆筒形柱通常垂直装配，而关于Semi′s的浮筒圆筒体和关于Spars的圆筒体通常水平装配。当通过制造支持件在一侧支持它们时组装的圆筒体要求诸子组件很刚性，以避免在下部上附加其它部分时的下部的不可接受的变形。虽然这些部分在夹具中制成为扇形体时自然很刚性，从而适合于承受来自水平组件的载荷，但是这刚性不适合将诸部分装配在一起的灵活性。其结果是产生在竖立操作的刚性要求方面与准备工作的矛盾，复杂了组装过程。

发明内容

本发明通过提供较简单的结构和改变在主结构中的载荷路线以使用已知技术中不使用的在平板中的承载能力克服已知技术中的诸缺点。

本发明提供改进的漂浮圆壳体结构布置。由不透水密封的诸平板将壳体分为诸段。在各段中，围绕外壳体的内侧径向分开的诸纵向桁架在到达平板之前和在平板处终止，不贯穿平板。该诸纵向桁架的一端连接于横越平板延伸到达内和外壳体的诸径向桁架，诸另一端连接于诸平板、直接与诸径向桁架对齐。在外壳的内圆周上的板加强结构连接于外壳和诸纵向桁架。围绕内壳的外圆周分开的诸纵向桁架沿着内壳的长度延伸，并以与外壳上的诸纵向桁架的相同方式连接于诸径向桁架和平板。由弯曲形成诸同心圆的角钢或圆头T形钢加强诸平板，诸平板再由围绕诸平板分开的和跨越在内和外壳之间诸径向桁架支持。在垂直方向用诸圆形段组装诸舱室，使在竖立期间自身重量引起的变形最小。转动所完成的诸圆形段到达水平位置，以与其它诸段连接，形成一完整的圆筒体。

尤其用所附的并形成本揭示内容的一部分的权利要求书指示出了为本发明的特点的新颖性的许多特征。为了更好地理解本发明和通过它的使用所获得的成本效益，将涉及形成本揭示内容的一部分的、其中示出了一较佳实施例的附图和叙述部分。

附图说明

在形成要说明书的一部分的该附图中，附图中的相同的标号表示相同的或对应的部分，在附图中：

图1和2示出了在不同高度处现有技术壳体布置的横剖视图。

图3示出了按照本发明的圆筒形壳体。

图4示出了按照本发明的圆筒形剖面。

图5和6示出了本发明的横剖视图。

图7示出了由纵向桁架和径向桁架组成的用于一舱室的径向框架。

图8示出了在两平板之间的外壳体的加强的一部分。

图9示出了在外壳和中央井壳处的纵向桁架和径向桁架的详细结构。

图10A和10B示出了外壳纵向桁架与舱室的平板的组装和一舱室与另一舱室的连接。

图11示出了带有处于适当位置中的全部增强结构的完整舱室。

具体实施方式

图3是用于与下方敞开构架或桁架支持部分12连接的、按照本发明的圆筒形壳体10的侧视图。在美国专利号5,558,467中揭示了漂浮的上壳体与敞开的构架的组合。壳体10的外部具有与按照已知技术构造的漂浮的壳体相同的外观。在图4-11中示出了本发明的结构布置。壳体10基本上由端对端相互连接在一起的多个圆筒形段形成。除了取决于各段的水深的某些内部构件的尺寸之外，从工程观点看各段的内部结构基本相同。虽然圆筒形漂浮壳体可以由具有不同的内部结构的诸段形成，但是从成本和效率考虑较佳的是利用相同的内部结构型式形成所有的段。

考虑以上结构选择，本发明原理涉及壳体10的至少一段和较佳地所有段由具有中央圆形缺口219的一平圆板221、诸加强件223、诸径向桁架228、内壳222、诸纵向桁架224、外壳225、诸纵向桁架227和第二板加固结构226组成。

平圆板221(图5和6)由多个金属件形成或由一大金属件切割成形。平圆板221位于适合于构造壳体段的诸支持件上。平圆板具有中央圆形缺口219，以及可以设置有用于进入轴232的第二圆形缺口231。较佳地弯曲成与板221同中心的诸加强件223(图5，7，9，11)位于板221上，并由任何适当方法、例如手工的或跟踪或半自动的焊接设备焊接在适当位置中。这产生了在垂直方向越过所有径向桁架的所有加强件的优点，它使诸加强件易于焊接到诸径向桁架。使用弯曲的加强件的另一优点是在诸加强件之间和在诸加强件和内、外壳体之间平板的诸跨距相等。较佳的是将诸加强件223的诸部分布置成使形成一连接的加强件223所需要的诸连接不径向重叠。设置有用于接纳加强件223的开放的空间的径向桁架228位于板221上，并焊接于板221和加强件223。径向桁架228较佳地设置有刚性连接于该桁架的边缘的一凸缘，用于加固目的。在由制造者确定的时候，将管状进入轴232放置在切去部分231内，并焊接于平板221和相应的径向桁架228，以便在轴和平板之间形成不透水的密封，并在使用中支撑进入轴的重量。

为了易于进入，较佳的是在完成外壳225之前形成内壳222，并连接于平板221。

将形成内壳222的金属被切割成诸段，切割成滚轧板的一部分圆周的长度(通常1/8至1/3)和较佳地高度(宽度)。壳体段的该部分高度和圆周将取决于制造者。将该金属件机加工滚轧到内壳的圆周尺寸，并放在与内壳曲率匹配的一夹具模子上。如果需要，将附加的金属件放在该夹具模子上，并焊接在一起，以形成一壳体段的高度。然后将诸纵向桁架224放在该金属件上，并焊接在适当位置中，以类似方式形成内壳的其余诸段。

用内壳的诸端部的靠近平板221的一端使该内壳竖立，诸纵向桁架224与诸径向桁架228对齐，并与平板221对齐和垂直，以及将该壳体段焊接于平板，以形成不透水的密封。还将诸纵向桁架224焊接于诸径向桁架228。以类似方式使内壳的其余诸段定位和焊接在适当位置中，以完成内壳。通过焊接使形成内壳的诸段拼接在一起，以形不透水的密封。

将形成外壳225的金属板被切割成诸段，该诸段较佳地连接在一起形成一板，切割成整个壳体段或部分壳体段的高度和一部分圆周(通常1/8至1/3)。可以将诸纵向桁架227放置和焊接在适当位置中，同时金属板处于平的位置中。此时第二板加固结构226的诸纵向部分也可以定位和焊接在适当位置中。该金属板的上、下边放在夹具模子中，该夹具模子具有外壳的所需曲率。几乎不用力或不附加力该板的重量使该板在夹具上形成为外壳的曲率。然后将跟随外壳的内侧圆周的(如图8清楚地所示)第二板加固结构226的诸部分定位和焊接在适当位置中。

用外壳的一部分的诸端部的靠近平板221的外边缘的一端部使该外壳的一部分竖立，并使诸纵向桁架227与诸径向桁架228对齐(图10A和10B)。将该金属板焊接到平板，以形成不透水的密封，并将诸纵向桁架227焊接到诸径向桁架228。将形成外壳的其余诸段定位和焊接在适当位置中。通过焊接将形成外壳的诸段拼接在一起，形成不透水的密封。图11示出了一完成的壳体段。

当制造者对于该结构认为需要时和在对建造过程最有效时、在预制造和竖立顺序中的任何时候附加命名外壳侧板或内部进入梯的附件。

为了将壳体的一段连接于邻近一段，在内和外壳体之间、在与平板相对的端部处放置类似于自由车轮上的轮辐的临时竖立支持组件(未示出)。被构造的段被安置在滑动导轨上和被转动，以致该壳体段的纵向轴线处于水平位置，被放置成靠近也处于水平位置的先前所构造的壳体段。带有平板的诸壳体段的端部被放置成靠近相邻壳体段的有临时支持组件的端部。该两段一起移动，然后将外壳、内壳和进入轴壳板焊接在一起。反复该过程，以形成所需的壳体。

本发明提供了若干优点。

按照具有仅由诸平板221分隔的圆筒体，除最上室之外完全取消了径向舱壁。这些室分隔是所谓平板或舱壁取决于使用中的圆筒体的方位。在该讨论中，我们涉及垂直于圆筒体轴线的分隔，从而涉及是“纵向”平行于圆筒体的轴线的诸部分。

利用结构布置加强内、外壳体222、225的壳板，在该结构布置中主要加强件是在诸平板221之间纵向跨越的诸桁架224、227，该诸平板221被安置成将壳体细分为诸舱室。这些纵向桁架224、227执行两个主要功能、将从壳体板和角钢和中间环/桁架的它的附加板加强结构226所收集的载荷直接传送到诸平板221和直接增大诸壳板承受在各壳体段中的总轴向载荷的能力。

用于圆筒体的该结构与传统的加强结构形成明显的不同，在传统结构中使用位于平行于平板/舱壁的诸平面中的诸环和环形框架，以收集来自壳板和附加板加强结构的载荷。在环框架方案中，由环框架收集的在壳板上的外部载荷横越和围绕各环框架高度分布，与相邻的环框架高度或平板上的载荷相对无关。在现有技术中，平板简单地代替其中要求分舱以致在平板上的主载荷来自垂直于各平板表面的液体静力的环框架。

在本发明的纵向桁架结构中，由附加板加强结构226或直接从壳板收集壳板上的外部载荷，大体上类似于现有技术，但是，不是与平板221单独地作用的桁架224、227，在这些桁架224、227的各端处由桁架将外部板载荷直接传送到平板221。在桁架224、227的诸端部的载荷是显著的，但是平板221固有地具有关于承受在它们的加强板的平面内的载荷的很大能力。通过在总结构方案中结合圆筒体加强的诸平板，在水平面中的诸平板221的很大储备能力(在现有技术中不使用)在很少成本或不附加成本的情况下被动用了，同时来自桁架224、227的附加载荷不影响诸平板221细分壳体成为诸舱室和承受关联的液体静力设计载荷的能力。

在本发明的方案中，各纵向桁架224、227的各端与直接在桁架224、227之上或之下的平板221上的径向桁架228对齐。通过附图中所示的简单连接238，纵向桁架224、227与径向桁架228结合形成抗弯矩的结构框架230，该结构框架在围绕各室的均匀径向图形中取向。

沿着外壳长度的纵向附加板加强结构(角钢或圆头T形钢)226位于诸纵向桁架224、227之间，以加强件226有意地不是结构上连续越过平板221的方式终止在平板221的表面或平板221之前。这消除了在平板的各侧上用加强件或附加托架贯穿平板以产生结构连续性的实际情况。从而，使加强件226的功能专门起作用以增加外壳板的弯曲能力，并不具有分布到圆筒体222的有效横剖面区域以承受轴向和弯曲应力的附加功能。仅仅由纵向桁架224、227增加壳板轴向和弯曲能力、仅仅具有一专用功能为弯曲加强件、借助于不需要对齐它们和使它们结构连续越过各平板221，显著地简化了加强件226的制造。

底部敞开的(被淹没的)中央井218是圆形的，而不是矩形的，没有径向舱壁，在吃水线之下的它壳板是自由的，总是作用在来自包含在内部的水的液体静力载荷的张力之中。使用该壳体上的纵向桁架224、227实现了径向框架和保证中央井具有显著的附加的弯曲能力。

纵向设置诸主桁架具有若干优点：

1)使用在现有技术中不使用的平板221的较大的“平面内”能力以承受和平衡在各壳体段上的外部液体静力载荷。这直接导致更有效地使用钢材。

2)允许主桁架是直的，而不是弯曲的或部分弯曲的。这些直桁架能够具有沿着它们的长度的不同深度，以适应不同的载荷，例如随深度变化的液体静力载荷。不变深度或变化深度的直桁架比现有技术中的弯曲桁架在制造和超越平面地支撑方面是更成本有效的。

3)直桁架更易于分析和设计。

4)通过在壳体上使纵向桁架224、227与平板221上的径向桁架228对齐产生抗弯矩框架与没有这些框架的现有技术比较具有若干优点。

a.与“销端”桁架比较，对于任何某桁架尺寸、在框架结构中的桁架的该端固定给予它们更大的能力承受弯曲载荷。

b.纵向桁架成为结构上连续而不实际贯穿平板。这连续性允许这些桁架帮助壳板承受圆筒体中的总轴向载荷，而不需要闭合在平板中的大量的贯穿孔。

c.在各室处这些径向框架的诸加强件相结合以承受存在于中央井壳和外壳之间的圆筒体内的轴向剪力的主要部分。

5)在桁架的诸端处反作用力的载荷转移进入平板的直接特性允许这些连接采用简单的角缝焊接。

能够从单个进入轴232进入没有径向舱壁的诸舱室。

桁架和其它加强件的简单的形状和连接实际上消除了在该结构系统中的局部“热点应力”，从而取消了在现有技术中是普遍的在壳加强环中的“诸插入板”。

在壳体进行拼接的侧面上角钢/壳体T形加强件终止于平板之前改进了壳板关于装备的灵活性和对齐，并改进了进入到壳板内部以便进行焊接和检验焊接。

Claims (10)

1.由端对端连接在一起的多段形成的一圆形漂浮壳体中，至少一段壳体包括：

a.具有一中央圆形缺口的一平圆板；

b.连接于所述平圆板的多个弯曲的加强件；

c.连接于所述平圆板和所述弯曲加强件的多个径向桁架；

d.连接于在所述平圆板内的中央圆形缺口的一内壳；

e.沿着所述内壳的外圆周的长度延伸的和围绕所述内壳的外圆周径向分开的多个纵向桁架；

f.连接于所述平圆板的外圆周的一外壳；

g.连接于所述外壳的内圆周、并终止于所述平圆板和所述诸径向桁架的多个纵向桁架；以及

h.连接于所述外壳的内圆周和所述纵向桁架的一附加板加强结构。

2.按照权利要求1所述的壳体段，其特征在于，所述内壳对所述平圆板的连接形成一不透水的密封。

3.按照权利要求1所述的壳体段，其特征在于，所述外壳对所述平圆板的连接形成一不透水的密封。

4.按照权利要求1所述的壳体段，其特征在于，连接于所述外壳的所述诸纵向桁架与所述平圆板上的所述诸径向桁架对齐。

5.按照权利要求1所述的壳体段，其特征在于，连接于所述外壳的所述诸纵向桁架不贯穿所述平圆板。

6.按照权利要求1所述的壳体段，其特征在于，所述附加板加强结构包括角铁。

7.按照权利要求1所述的壳体段，其特征在于，所述附加板加强结构包括圆头T形钢。

8.由端对端连接在一起的多段形成的一圆形漂浮壳体中，至少一段壳体包括：

a.具有一中央圆形缺口的一平圆板；

b.连接于所述平圆板的多个弯曲的加强件；

c.连接于所述平圆板和所述弯曲加强件的多个径向桁架；

d.用一端连接于所述平圆板内的中央圆形缺口和与所述平圆板形成一不透水的密封的一内壳；

e.沿着所述内壳的外圆周的长度延伸的和围绕所述内壳的外圆周径向分开的多个纵向桁架；

f.用一端连接于所述平圆板的外圆周和与所述平圆板形成一不透水的密封的一外壳；

g.连接于所述外壳的内圆周、并终止于所述平圆板和所述诸径向桁架、以及与所述平圆板的两侧上的所述诸径向桁架对齐而不贯穿所述平圆板的多个纵向桁架；以及

h.连接于所述外壳的内圆周和所述纵向桁架的一附加板加强结构。

9.按照权利要求8所述的壳体段，其特征在于，所述附加板加强结构包括角铁。

10.按照权利要求8所述的壳体段，其特征在于，所述附加板加强结构包括圆头T形钢。

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