船体结构课件.pptx

1、构造,Harbin Engineering University船舶与海洋工程结构物,前言海洋蕴藏着丰富的海洋生物、石油、天然 气及矿产资源。21世纪是海洋世纪，目前，世界各国，尤其是发达国家已将海运、海防、海洋开发研究列为人类科学研究的重要领域。我校也将“三海一核”作为学校的办学特色。为适应这种社会需要，船舶与海洋工程专 业的研究范围，已经不限于一般的船舶，而 扩展到海洋工程所涉及到的其它部分，如各 种工程船舶、海洋石油平台、海洋潜器等。在我国，已有越来越多工程技术人员在从 事上述海洋工程的设计研究工作。,Harbin Engineering University,第一章,绪论,Harbin

2、 Engineering University,从工程技术角度，海洋工程主要分为两大部分1 资源开发技术（5种）深海矿物勘探、开采、储运技术；海底石油、天然气钻探、开采、储运技术；海水资源与能源利用（淡化、提炼、潮汐、波力、温差等）技术；海洋生物养殖、捕捞技术；海底地形地貌的研究等。,Harbin Engineering University,2 装备设施技术（3种）,海洋探测装备（海洋各种科学数据的采集、结果分析，各种海况下的救助、潜水）技术；海洋建设（港口、海洋平台、海岸及海底建 筑）技术；海洋运载器工程设备（水面各种船舶、半潜 平台、潜水潜器、水下工作站、水下采油装置、水下军用设施等)技

3、术等。,按广义的海洋工程概念，本课程的 内容应是海洋工程装备设施技术范畴。在这个范畴中，目前应用范围较广、发 展较快、技术较成熟的是海洋建筑技术 与海洋运载器技术。,本课程重点介绍上述两种技术中的海 洋固定平台、海洋水面船舶、海洋半潜 平台、海洋坐底平台、海洋潜器的结构。,Harbin Engineering University,Harbin Engineering University,实际上，广义的海洋工程应该包括,整个船舶工程和海洋工程。既使将船舶 工程与海洋工程分为两个学科，其所研 究的内容、范围也是很难严格区别，很 难彼此独立的；而且作为结构研究，人 们更难将其严格区分。例如：人们

4、可以将一个运输船舶改 装为一个石油钻井船；一个用于军事目的如侦察、救生潜 器与用于深海勘探的潜器从结构上更不 会有太大的区别。因此,本课程名称为：船舶与海洋工程结构物构造 课程性质为：,专业技术基础课是船舶工程结构物构造与海洋工程结构物构造的综合 是船舶与海洋工程专业的必修课由于海洋工程中的船舶和潜器等的一般情况在大 一的船舶概论中都已讲述，本章就不详细介绍，本章主要介绍海洋平台的种类。,Harbin Engineering University,Harbin Engineering,University,1.1海洋平台的种类,1）移动式平台(坐底式平台,（6种）,自升式平台 钻井船半潜式平台

5、 张力腿式平台牵索塔式平台),2）固定式平台(混凝土重力式平台（2种）钢质导管架式平台）,1.1.1移动式平台,移动式平台是一种装备有钻井设备，并能从一个井位移到另一个井位的平台，它可用于海上石油的钻探和生产。1.坐底式平台坐底式平台又叫钻驳或插桩钻驳，适 用于河流和海湾等30m以下的浅水域。不但 作业水深有限，而且也受到海底基础(平坦及坚实程度)的制约。所以这种平台发展缓 慢。,Harbin Engineering University,Univer然sity 而我国渤海沿岸的胜利油田、大港 油田和辽河油田等向海中延伸的浅海海 域，潮差大而海底坡度小，对于开发这 类浅海区域的石油资源，坐底式

6、平台仍有较大的 发展前途。,Harbin Engineering,图1-1为我国自行设 计建造的“胜利1号”坐底式 钻井平台。“胜利1号”坐底式钻井平台。,80年代初，人们开始注意北极海域的 石油开发，设计、建造极区坐底式平台 也引起海洋工程界的兴趣。目前已有几 座坐底式平台用于极区，图1-2即是其中 一种，它可加压载坐于海底，然后,在平台中央填砂石以 防止平台滑移，完 钻井后可排出压载 浮，并移至另一井,成起 位。,Harbin Engineering University,图12 极区坐底式平台,图1-3为三角形坐底式平台，平台 由三个粗立柱,与多个细圆柱组 成，每个大立柱 下部有一个矩形

7、 箱体。,Harbin Engineering University,图13 三角形坐底式平台,图1-4为单立柱坐底式平台，平台 下部由两根水平,布置粗圆柱及一些 细圆柱组成一个水 平框架，使平台稳 稳地坐于海底。,Harbin Engineering University,图l4为单立柱坐底式平台,2 自升式平台,又称甲板升降式或桩腿式平台，见图1-5、图1-6。优点主要是所需钢材少、造价低，在 各种海况下都能平稳地进行钻井作业；缺点 是桩腿长度有限，使它的工作水深受到限制，最大的工作水深约在120m左右。超过此水深，桩腿重量增 加很快，同时拖航时桩 腿升得很高，对平台稳 性和桩腿强度都不利

8、，见图1-5为壳体式桩腿 自升式平台。,Harbin Engineering,University,桁架式 桩腿自 升式平 台。,Harbin Engineering,图1U-ni6ve为rsity,3 钻井船钻井船是浮船式钻井平台，它通常是 在机动船或驳船上布置钻井设备。平台是 靠锚泊或动力定位系统定位。,按其推进能力，分为自航式、非自航 式；按船型分，有端部钻井、舷侧钻井、船中钻井和双体船钻井；按定位分，有一 般锚泊式、中央转盘锚泊式和动力定位式。浮船式钻井装置船身浮于海面，易受波浪 影响，但是它可以用现有的船只进行改装，因而能以最快的速度投入使用。图17为 一钻井船。,Harbin En

9、gineering University,Harbin Engineering University,图1-7钻井船,4 半潜式平台,随着海洋石油开发的发展，作业海 域已延伸到更深的海域，在深海中使用 受水深限制的自升式和坐底式平台，难 以完成钻井作业，而钻井船由于在开阔 的海域摇摆大，故作业率很低。所以摇 摆性能好，在相当深的海域能进行钻井 作业的半潜式平台就应运而生。半潜式 平台可采用锚泊定位和动力定位，锚泊 定位的半潜式平台一般适用于200m一 500m水深的海域内作业。,Harbin Engineering University,半潜式和坐底式钻井装置统称为支柱稳定 式钻井装置。坐沉在

10、海底的称为坐底式(或可 沉式)，浮在水中的为半潜式。半潜式平台有三角形、矩形、五角形和“V”字形之分。图1-8至图1-12所示为半潜式平台的几种形式。,Harbin Engineering University,图1-8,图1-10,图1-11,图1-9,图18至图112所示为半潜式平台的几种形式,图1-12,“V”字形半潜式平台,Harbin Engineering University,由于它具有小的水线面面积，使整个 平台在波浪中的运动响应较小，因而它 具有出色的深海钻井的工作性能，一般在作业海况下其升沉不大于(1m1.5m)，水平位移不大于水深的5%6%，平台的纵横倾角不大于(23)。

11、这种性 能对漂浮于水面的钻井平台具有十分重要的意义.,Harbin Engineering University,5 牵索塔式平台,牵索塔式平台得名于它支撑平台 的结构如一桁架式的塔，该塔用对称 布置的缆索将塔保持正浮状态。在平 台上可进行通常的钻井与生产作业。原油一般是通过管线运输，在深水中 可用近海装油设施进行输送。,图113为牵索塔式平台。牵索塔式平台比 导管架平台、重 力式平台更适合 于深水海域作业，它的应用范围在 200m650m,Harbin Engineering University,图1-13 牵索塔式平台,牵索塔式平台在波浪载荷作用下的动态响应数值 分析指出，其桩基处的弯矩

12、比塔的其它部分要小 得多，整个系统上的水平力也主要由系缆系统承 受。从其恢复力与塔的偏离平衡位置的关系曲线可以 看出，当塔的偏离增大到一定程度时，系在牵索 上原来固定在缆索上而沉于海底的重块被提起离 开海底，从而使索内的张力增加变得缓慢，亦即 比重块未被提起时吸收更多的能量。这样在遇到大幅值长周期的风暴波时，系统变软，更大的顺应性出现。,力腿式平台,Harbin Engineering,6Un.ivers张ity,张力腿式平台是利用 绷紧状态下的锚索产生的 拉力与平台的剩余浮力相 平衡的钻井平台或生产平 台，如图114所示。张力腿式平台也是 采用锚泊定位的。张力 腿式平台自1954年提出设想以

13、来，迄今已有近60年的历史。图1-14 张力腿式平台,作用于张力腿式平台上的各种力并不是稳定 不变的。在重力方面会因载荷与压载水的改变而 变化；浮力方面会因波浪峰谷的变化而增减；扰 动力方面因风浪的扰动会在垂向与水平方向产生 周期变化。所以张力腿的设计，必须周密考虑不 同的载荷与海况。对于平台的水下构件，不论垂向或水平的，都会因波浪的波峰与波谷的作用而产生影响。因 此如何选取水下构件的形状与尺度，使波浪扰动 力的作用为最小，减小平台在波浪中的运动以及 锚索上的周期性载荷，是张力腿式平台的研究课 题之一。,一般张力腿式平台的重心高、浮心低，非锚 泊情况时要求初稳性高为正值，为此要求稳心半 径大或

14、水线面的惯性矩大，这样在平台发生严重 事故时，仍能正浮于水面。要求达到此目的，就要把立柱设计得较粗，这样必然会使平台在波浪中的运动响应较大。也 有一种把立柱设计得很细，虽然初稳性高可能出 现负值，但在锚索拉力的作用下也是稳定的。,这种平台在波浪中的运动响应较小，造价也 可能低些，不过安全性差些。,1.1.2固定式平台,固定式平台一般是平台固定一处不能整体 移动。混凝土重力式平台这种平台的重量可达数十万吨，正是依靠 自身的巨大重量，平台直接置于海底。现在已有 大约20座混凝土重力式平台用于北海，如图1 15(a)。钢质导管架式平台钢质导管架式平台通过打桩的方法固定于海底，它是目前海上油田使用最广

15、泛的一种平台，如图115(b)。,Harbin Engineering University,图1-15（a)混凝土重力式平台,图1-15(b)钢质导管架式平台,Harbin Engineering University,第二章船体（沉垫）结构,海洋工程结构物可以分为移动式 和固定式两种，移动式海洋工程结构 大都有一个封闭箱体结构，以保证能 提供足够的浮力，漂浮于海面或海中 一定深度。这种封闭的箱形壳体结构，实际上是一般船舶的主体结构，也是 其它海洋平台的主要部分，我们称之 为船体或沉垫(平台中)。本章主要介 绍船舶(沉垫）主体结构。,Harbin Engineering,University

16、,2.1船体与沉垫的受力状态,2.1.1 船体与沉垫的两种主要工作状态活动式平台要经过建造、下水、停泊、拖航、作业及检修等不同的过程，但在工 作期间，船体与沉垫有两种明显不同的工 作状态，即拖航(漂浮)状态和作业状态。船体处于漂浮状态时，其受力和变形同 一般海上驳船并无原则区别。,Harbin Engineering University,一、船体与沉垫在漂浮状态的受力,1 船体的总纵强度作用在船体上的重力、浮力、波浪水动力和惯性力等 而引起的船体绕水平横轴的弯曲称为总纵弯曲，总纵弯 曲由静水总纵弯曲和波浪总纵弯曲两部分叠加而成。船 体抵抗总纵弯曲变形和破坏的能力称为船体总纵强度。(1)船体在静水中的总纵弯曲船舶在静水中受到的外力有船舶及其装载的重力和水 的浮力。重力包括船体本身结构的重量和机器、装备、燃料、水、供应品、船上人员及行李和载货的重量。,Harbin Engineering University,重力的方向向下，合力P通过船舶的重心 G点。浮力的方向向上，浮力D等于船体排开 水的体积V和水的重度乘积，其合力通过浮 心B点。重力和浮力在静水中处于平衡状态。,设想将船体沿船长方