迟少艳，杨 青，钟 晨

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

“TIGER”钻井船结构设计

迟少艳，杨 青，钟 晨

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

以上海船厂总承包的“TIGER”钻井船为工程对象，阐述了中国船舶及海洋工程设计研究院开发设计的国内第一艘深水钻井船所涉及的结构布置、结构设计、波浪载荷和结构强度计算等特点，尤其对月池开孔的结构设计作了论述，并对开孔区域的屈服强度和疲劳寿命进行了计算，同时对结构设计的重点和钻井功能配合的若干问题进行了阐述，为后续钻井船的总体设计提供借鉴。

钻井船；月池开孔；波浪载荷；结构设计；强度校核；疲劳寿命

0 引 言

深水钻井船是一种用途广泛的海上特种结构物，是海洋油气资源开发的主力装备之一。深海钻井船技术难度高，附加值大，其设计建造反映了一个国家在海洋油气开发装备上的研发水平；目前，世界钻井船主要建造国家为韩国、日本及一些欧洲国家，世界上能够从事钻井船设计的公司也主要集中于欧美国家。为紧紧抓住目前国际造船业不断向中国转移的有利时机，做好自主研发，掌握深海钻井船的关键技术，为国内船厂竞标和接单做好充足的技术储备，2011年底，中国船舶及海洋工程设计研究院承担了国内首艘自主设计的“TIGER”钻井船的设计任务。

“TIGER”钻井船是上海船厂总承包的2+2系列钻井船，采用8点锚泊定位，自航，主要设备国产化，船东为OPUS OFFSHORE，设计寿命25a。该设计的特点是船体综合效率高，紧凑的设计使该型钻井船拥有较高的成本优势，属于经济型深水钻井船。

详细阐述了在“TIGER”钻井船的设计过程中需要关注的不同于常规船舶的结构设计特点。

1 设计规范

1.1适用规范

该船入ABS（美国船级社），需满足ABS MODU 规范（RULES FOR BUILDING AND CLASSING MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS ）和钢制海船规范（RULES FOR BUILDING AND CLASSING STEEL VESSELS）相关要求。另ABS于2011年8月份发布了专门针对钻井船的指导性文件“ABS GUIDE FOR BUILDING AND CLASSING DRILLSHIPS HULL STRUCTURAL DESIGN AND ANALYSIS”，要求于2012 年1月1日起强制执行。此指导性文件综合了MODU和SVR中对钻井船的相关要求和对疲劳强度和屈曲强度的相关要求，是专门针对钻井船结构设计和分析的指导性文件。

1.2规范特点

相比较于常规钢制海船规范，钻井船指导性文件有以下特点：

1） 船体结构强度要求基于净尺寸，即建造构件尺寸应在净尺寸基础上增加腐蚀裕量；

2） 上部模块及其与船体界面结构强度要求基于建造构件尺寸，即已包含腐蚀裕量；

3） 常规腐蚀裕量对应的船舶设计寿命为20a，超过20a的设计寿命时，规范有具体的每多1a增加的腐蚀厚度要求；

4） 船体梁波浪载荷计算公式，是在IACS（国际船级社协会）建议公式基础上增加了反映环境恶劣程度的系数β，在无限航区条件下β=1.0。系数β可根据ABS钻井船的程序“SEAS”计算得到；

5） 主船体的疲劳热点除了常规强框架、横壁水平桁趾端外，还包括月池开孔角隅；

6） 有限元分析的许用应力与网格尺寸有密切的关系，网格尺寸分为骨材间距、1/2骨材间距、1/3骨材间距、1/4骨材间距、1/5～1/10骨材间距和板厚网格。

2 船舶概况

钻井船区别于常规船舶的最大特点就是船舶中部的月池开孔，以及用于钻井作业相关的设备，典型的钻井船布置见图1。

对于“TIGER”钻井船，月池开孔位于船中偏后的位置，月池开孔长度≈1/8船长。月池开孔上方设置有钻台、猫道和井架。月池向艉布置有钻杆堆放区、机舱、艉部泵舱、艉部绞车舱和推进设备舱等。月池开孔两侧布置有固井单元、泥浆处理间、P-TANK舱、钻井相关工作间等。月池向艏布置有隔水管堆放区、散料堆放区、泥浆池、泥浆泵舱、艏部设备舱、艏部泵舱和艏部绞车舱等。月池开孔的对角方向设有两台80t的吊机。生活楼和直升机甲板亦设置在艏部，总布置见图2。

2.1主尺度

2.2作业能力

3 船体结构设计

对于结构设计而言，钻井船与其他船舶和海洋结构物相比，其最大特点就是在船舯处布置有一个垂向贯穿船体、腔内有自由液面、内外海水相连的月池结构。因此，钻井船结构设计最基本且最重要的因素是月池开孔对船体结构的影响。

3.1舯横剖面

有效地进行舯横剖面设计，是提高钻井船总纵强度、进而实施钻井作业功能的重要方面。由于月池开孔的存在，使得月池横向开孔范围内的所有纵向构件在此间断，大大降低了其总纵强度。为弥补月池开孔对总强度的损失，舯横剖面采用纵骨架型式，主船体通常采用高强度钢，且增加月池开孔外侧的甲板板和船底板的厚度。结合各层甲板/平台的设备载荷，通常月池开孔范围外侧的甲板板材较厚，在纵向范围上，跨出月池开孔后，甲板板厚逐渐向两端过渡，以补偿月池开孔引起的甲板/底板等参与总强度的有效度。

典型的月池开孔区域的舯横剖面见图3。钻井船通常为单甲板、双层底结构，根据布置需要设置适当的中间平台。为了提高钻井作业的安全性，在月池开孔周围设有隔离空舱。隔离空舱的纵壁在月池开孔外侧如无法有效延伸，应注意有效过渡。月池围壁结构应考虑适当加强，以抵抗月池内部流体在外界波浪和船体垂荡、纵摇和横摇运动共同作用下的复杂流体运动。对于影响层高的强力构件的尺寸，应在方案前期预估，避免与设备布置、功能实现干涉。对于主船体内的重液货舱，确定构件尺寸时应计入其液体密度影响，如泥浆池，盐水舱等。

横剖面结构布置和初步确定构件尺寸时，除了要满足规范要求的总强度和局部强度外，还应根据其设备布置情况，对易于发生振动响应的区域进行振动评估，尤其是动力设备密集的区域，应综合考虑其结构强度和刚度，在保证强度的基础上尽量减小振动响应。

图2　“TIGER”钻井船总布置

3.2波浪载荷

钻井船属于海洋工程特殊船舶，相对运输船来说比较宽扁，其主尺度不满足规范规定的适用范围。而且钻井船中部设有月池开孔，其浮力有较大损失，且甲板设备众多，质量分布较常规船舶差异较大，因此波浪载荷需根据作业海况进行预报。考虑航行路线及作业海域的不确定性，宜选取北大西洋波浪分布图进行长期预报。该船采用DNV的SESAM /WADAM分析软件进行波浪载荷长期预报，建立的三维湿表面模型见图4。

从图4可知，湿表面模型需模拟月池开孔，以计入其浮力损失。直接计算得到的波浪弯矩沿船长方向的分布见图5，根据计算结果，波浪弯矩在月池开孔处呈现出不光顺的数值凹陷，但直接计算的波浪弯矩和波浪剪力均大于规范计算值，其中波浪弯矩比规范值增加约50%，波浪剪力比规范值增加约90%。

图3　 典型横剖面

图4　三维湿表面模型

图5　波浪弯矩预报值

3.3月池开孔影响

月池开孔除对总强度有影响外，还会产生应力集中，尤其对于主甲板的月池开孔，开孔处还承受上方钻台支腿传递的较大载荷，应力集中问题更加突出。因此在设计之初，应充分考虑月池开孔的位置和钻台支腿结构的相对位置，尽量避免将钻台支腿坐落于月池开孔角隅处。

由于功能需要，钻台支腿无法避开月池角隅，因此造成角隅处应力过大。为降低应力水平，采取抛物线形状的角隅开孔、加大开孔半径和采用高强度的厚板。

由于月池开孔的存在，使得内外海水相通，其内部流体在外界波浪和船体垂荡、纵摇和横摇运动共同作用下，可能形成垂向活塞运动和水平晃荡运动，甚至出现甲板上浪。其动载荷与作业海况、月池开孔尺寸、船体固有特性相关。因此月池开孔的围壁结构应充分考虑此内部流体载荷的影响，并加强相应结构。

另外，月池开孔的存在，会显著增加船体阻力，尤其是中低速航行时。为减少航行阻力，提高经济性，可采用临时关闭月池开孔的方法，但会增加初期投入成本，该船在月池后壁的底部采用了增加了切角的方式，经过模型试验对比，采用约24°的月池切角，对航行阻力有较大的改善，月池后壁切角见图6。

图6　月池后壁切角

3.4舱段有限元直接强度计算

为进一步校核总强度载荷和钻台支腿传递的局部载荷对月池开孔区域结构的影响，选取船中月池开孔区域及其前后各一个舱段，进行舱段有限元强度校核。对于月池开孔角隅、钻台支腿与主甲板连接界面处结构，建立了细化有限元模型，进行屈服强度和疲劳强度分析。

舱段有限元计算模型见图7，关键区域的细化有限元屈服强度计算结果见表1。典型月池开孔角隅处应力云图见图8。

图7　月池开孔计算模型

图8 主甲板月池开孔角隅处应力云图（艉）

表1　关键区域的细化有限元屈服强度计算结果

根据表1可知，关键区域的实际最大应力均小于许用应力，满足规范要求。其中，艏部的主甲板月池开孔角隅相对于艉部的月池开孔角隅，在采取了增大开孔半径、角隅下方设加强筋、增加主甲板板厚的结构加强方式后，降低了应力水平。

疲劳强度计算应考虑迁移工况和作业工况，每种工况所占比例根据其使用需要确定，该船为 20%和80%。

以月池开孔区域的6处疲劳热点为例，计算疲劳寿命（见表2）。典型月池开孔角隅处疲劳热点有限元模型见图9、10。

图9　 主甲板月池开孔角隅疲劳计算点（艏）

图10　主甲板月池开孔角隅疲劳计算点（艉）

表2　疲劳热点处的计算疲劳寿命

4 结构设计和设备布置协调

对于布置型船舶，结构布置和设备布置是相互制约的两个因素。尤其对于紧凑型的钻井船，结构设计尤其要注意与设备布置、操作空间、维护等进行协调，在保证强度的基础上，尽量使得舱室布局合理，操作方便、可行，而且要控制较优的结构重量。

以散料堆放区为例，散料堆放区位于二甲板，舱室尺寸为18.2m×21.6m，上方为主甲板隔水管堆放区（甲板设计载荷较大），下方为泥浆泵舱。根据船东意见，为便于散料堆放区的叉车行走和散料堆放，不希望在散料堆放区设置支柱。但从结构强度和经济型考虑，如不设支柱，会导致主甲板强横梁和纵桁的尺寸过大，影响层高，刚度也差。因此需要不断协调支柱的数量、位置、尺寸和布置，求得相对合理的解决方案。

5 结 语

国内深水钻井船的研发起步较晚，实船设计并建造尚属国内首次。以工信部下达的钻井船自主研发课题为契机，通过对“TIGER”钻井船布置、结构设计特点、波浪载荷直接计算预报、月池开孔效应、关键节点强度和疲劳等进行研究，提出了深水钻井船结构设计需要重点关注且有别于常规船舶的几个方面，旨在为钻井船结构设计者提供建议和参考。但不同月池开孔形状/尺寸的钻井船，其月池影响不尽相同，尤其是月池内流体的动载荷效应，还应根据实际情况，具体分析。

［1］ Guide for building and classing drillsihps ［S］. ABS. 2011.

［2］ Rules for building and classing steel vessel rules ［S］. ABS. 2012.

［3］ Rules for building and classing mobile offshore drilling units［S］. 2012.

“TIGER” Drilling Vessel Structural Design

CHI Shao-yan， YANG Qing， ZHONG Chen
（Marine Design& Research Institute of China， Shanghai 200011）

While taking the drilling vessel “TIGER” under general contracting by Shanghai Shipyard as the engineering object， this paper elaborates the first domestic deepwater drilling vessel designed by Marine Design & Research Institute of China （MARIC） from the features such as structural layout， structural design， wave loads and structural strength calculation， especially the discussion on the structural design of moon pool opening. Calculations on the yielding strength and fatigue life of opening regions are performed. Meanwhile， the key point of moon pool structural design and problems concerning coordination with drilling function are elaborated to provide some guidance for the general design of following drilling vessels.

drilling vessel； moon pool opening； wave loads； structural design； strength evaluation； fatigue life

U674.38+1.02

A

2095-4069 （2016） 01-0007-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.002

2015-03-19

迟少艳，女，高级工程师。1976年生，2002年大连理工大学船舶与海洋工程专业硕士研究生毕业，从事船舶与海洋工程设计、分析工作。