海洋平台设计原理_第七章_自升式平台
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海洋平台设计原理
主讲人：何炎平 倪崇本
上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 二〇一六年·十一月
上海交通大学本科生课程
第七章 自升式平台
1. 概述； 2. 工作原理和结构组成； 3. 设计要求及环境条件； 4. 主尺度与总体布置； 5. 重量分类与计算； 6. 桩腿型式和构造； 7. 桩腿强度校核； 8. 结构强度直接计算； 9. 学习与工作思路； 10. 思考与作业。
7.3 设计要求及环境条件
二、设计要求
设计要求以设计任务书的形式给出； 设计任务书的详简无一定标准，由平台业主给出； 设计任务书是平台设计的基础，关系到设计工作的成 败优劣； 设计过程中也可能发现设计任务书的不合理之处，此 时需要协商和解决； 有经验的成熟业主往往还有自己的特殊要求和偏好； 现实中，还存在标准船型（平台）在无业主前先行建 造的情况。
7.3 设计要求及环境条件
二、设计要求
平台的型式（有时还提出论证要求）； 船级，即新设计平台入哪个船级社的级； 环境条件，具体内容见后面； 可变载荷，相对于装载能力； 移航方式； 定位方式； 钻探设备或其它设备； 机电设备、消防救生设备、船员配备及生活设施。
2016/11
第七章 自升式平台
30
上海交通大学本科生课程
第七章 自升式平台
3
上海交通大学本科生课程
7.1 概述
自升式平台主要类型：
自升式钻井平台；
自升式生产平台；
自升式修井平台；
自升式生活平台；
自升自航船（LiftBoat）；
自升自航风电安装船；
自升式起重船； 自升式工程船（打桩、整平、 钻孔爆破）；
等等。
2016/11
第七章 自升式平台
4
上海交通大学本科生课程
站立工况，平台主体受到重力、风力和作业载荷，桩腿则受到浮力、
重力、风浪流诸外力的联合作用，平台的安全性取决于坐底稳性和结
构强度。坐底稳性包括抗倾稳性、抗滑稳性，以及地基承载力和不均
匀沉陷等。结构强度包括主体的总强度，桩腿的整体稳定性、弯压强
度和局部强度。
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第七章 自升式平台
29
上海交通大学本科生课程
7.2 工作原理和结构组成
一、概述
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特点：
船体和多个桩腿； 桩腿可升降； 升降装置系统； 航行或拖航时为船或驳船； 着底时为站立的平台； 站立时受到水动力载荷小； 土体和桩腿的支持能力； 环境和作业载荷和变化； 补给、冷却水、上下平台等。
第七章 自升式平台
5
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7百度文库2 工作原理和结构组成
36.01m/s（70kn） 51.44m/s（100kn）
36.01m/s（70kn） 51.44m/s（100kn） 25.8m/s（50kn）
第七章 自升式平台
7
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7.2 工作原理和结构组成
二、自升式平台的构成
升降装置
平台主体 桩腿
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第七章 自升式平台
8
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7.2 工作原理和结构组成
二、自升式平台的构成
平台主体（上船体）结构：平台主体主要提供生产和生活的场地， 并在拖航或航行时提供浮力； 桩腿结构：桩腿的主要作用是支撑平台在海上作业，并将平台所受 的载荷传递给海底地基，桩腿的最下端还配置桩脚箱（或沉垫）； 升降装置：是提升或下降桩腿或船体的装置，并在拖航时支撑桩腿 和在升起时支撑平台； 完成预定功能的作业设备，如：起重机、钻机； 动力设备、供电设备、生活设备等。
升降装置的动力系统； 船体上的升降装置； 桩腿上的升降结构和固桩结构。
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第七章 自升式平台
11
上海交通大学本科生课程
7.2 工作原理和结构组成
三类升降装置
间断升降装置：液压升降装置； 准连续升降装置：双作用液压升降装置； 连续升降装置：齿轮齿条升降装置、钢丝绳滑轮 升降装置。
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������2——风暴潮高， ������ ； ������3——最大设计波浪在基准水面上的高度， ������ 。
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
1.作业水深
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
2016/11
第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
齿轮齿条升降的锁紧
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
自升式平台操作程序与工况； 设计要求； 环境条件。
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第七章 自升式平台
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
3.某平台设计环境条件实例
设计最大作业水深： 设计环境温度： 海水温度： 钢结构设计温度： 设计风速 正常作业工况： 风暴自存工况： 拖航工况： 完整稳性，油田拖航： 完整稳性，远洋拖航： 破舱稳性：
122m（400ft） -20℃～+45℃ -2℃～+35℃ -20℃
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
4.工况四：预压
自升式平台除沉垫型外都需要预压；
为了使自升式平台不会由于钻井机械等引起的振动、风浪流等环境外
力、起重作业等引起的倾覆力矩等原因而使桩腿继续下陷或突然下陷，
从而避免平台严重倾斜甚至倾倒等危险现象，在平台主体举升到规定
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第七章 自升式平台
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上海交通大学本科生课程
7.3 设计要求及环境条件
2.工况二：下桩及提桩
下桩是把桩腿下放到离海底只有几米的地方； 提桩则是把桩腿从海底拔出以后向上提升的过程； 下桩和提桩时平台处于漂浮状态，但桩腿水中部分的长度以及平 台的重心、浮心和质量惯性矩等要素均在不断发生变化，因此平 台的初稳性、大角度稳性和摇摆等性能也随之变化； 随着桩腿的下降，作用在桩腿上的流体动力和惯性力等不断增加， 桩腿和主体的联接处将承受较大的静力和动力，特别是桩腿和海 底相接触和碰撞的情况。
高度（相应于一定的空气间隙）以前，必须对全部桩腿进行预压；
三桩腿的自升式平台靠设置的一个或多个压载舱预压；
四桩腿的平台可以采用压载水舱预压，也可以利用自升的重量进行对
角线预压；
预压载荷应达到按风暴状态计算得到的某一规定值，其大小约为正常
工作载荷的1.5～2.0倍。
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第七章 自升式平台
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第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
平台主体的平面形状
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第七章 自升式平台
10
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7.2 工作原理和结构组成
三、升降装置
升降装置的功能是完成升降船和升降桩腿的工作，并在着底作业时保 证平台固定位置，在拖航时保持桩腿固定位置。整个升降装置系统包括：
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
1.作业水深
峰隙系指平台在站立状态下，主体结构最低构件下缘与最大设计波高 的波峰之间的净空距离（见图4.3.1.1）。峰隙������不小于������1和1.2m之小者：
������1 = 0.1 ������1 + ������2 + ������3 ������ 式中： ������1——天文潮高， ������；
7.3 设计要求及环境条件
一、自升式平台操作程序与工况
操作程序； 工况一：移航； 工况二：放桩及提桩； 工况三：插桩及拔桩； 工况四：预压； 工况五：站立工况。
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
操作程序
非自航的自升式平台就位一 般采用锚或拖轮； 移位频繁的非自航自升式平 台也有配舵桨，用于工地移 位和助航； 自航自升式平台利用自身配 置的螺旋桨就位。
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第七章 自升式平台
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7.1 概述
海上自升式平台诞生于1950年。有各种用途的自升式平台， 但以自升式钻井平台最典型，数量也最多。自升式平台由一个平 台主体（漂浮于水面时为浮体）和若干桩腿所组成。
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建造数量最多的移动式平台； 特点：站立在海中形成稳性的工作平台； 兼有“移动式”和“固定式”的特点； 应用范围广，不同功能平台类型多； 最大工作水深有一定的限制（150米以内）； 等等。
连续升降装置：齿轮齿条升降装置
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第七章 自升式平台
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上海交通大学本科生课程
7.2 工作原理和结构组成
连续升降装置：齿轮齿条升降装置
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第七章 自升式平台
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上海交通大学本科生课程
7.2 工作原理和结构组成
连续升降装置：齿轮齿条升降装置
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第七章 自升式平台
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第七章 自升式平台
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上海交通大学本科生课程
7.3 设计要求及环境条件
作业水深； 环境温度； 风、浪、流、冰； 地质条件； 极限海况； 作业海况； 迁移海况。
三、环境条件
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
1.作业水深
自升式钻井平台一般来讲有标准的系列，如：； 其它平台往往根据实际工程需求确定，也有系列，如： GustoMSC的SEA、 NG系列； 峰隙的概念和天文潮、风暴潮的概念。
第七章 自升式平台
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上海交通大学本科生课程
7.2 工作原理和结构组成
间断升降装置：液压升降装置
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第七章 自升式平台
13
上海交通大学本科生课程
7.2 工作原理和结构组成
准连续升降装置：双作用液压升降装置
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第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
就位
下桩 预压 升起主体 固桩
移航
固桩
提桩
拔桩 一般需冲桩
下降主体
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钻井等作业
不同自升式平台作业功能不同，站立还有抗风暴能 力和工况。
第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
1.工况一：移航和就位
移航有：自航、拖航、助航、运输等不同方式； 拖航分：一般拖航（正常拖航）和风暴拖航（极限拖航状态）； 移航时平台类似驳船，但尺度比较为特殊，且桩腿升起后高，因而 其稳性、耐波性和强度都较驳船不同； 移航时需校核桩腿的强度。
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7.3 设计要求及环境条件
5.工况五：站立工况
包括：作业工况和自存工况；
作业工况：正常环境条件下平台进行预定作业功能的工况，平台的可
变载荷一般取为满载，其值有时较升降工况和自存工况大；
自存工况：平台遭遇一百年一遇的特大环境载荷时停止作业但仍能够
自存的工况，一般可变载荷较小，但环境载荷大得多；
7.2 工作原理和结构组成
连续升降装置：齿轮齿条升降装置
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第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
三种锁定方式
气囊式 插销式 齿块式
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第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
固桩装置
作业和拖航均需要固桩； 一般采用楔块结构，填充 船体和桩腿之间的间隙； 每根桩腿设间距较大的上、 下两处固桩。
各种工况： 航行或拖航（桩腿高）
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第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
各种工况：
站立的作业工况（不同功 能）； 站立的风暴自存工况； 升降桩腿和升降船体（过渡 工况、环境条件限制）； 预压工况（抵御载荷变化）； 拔桩工况（对储备浮力的要 求）。
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1.作业水深
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
2.迁移工况的环境条件
油田迁移：风速不小于36m/s（70kn），波浪载荷按照油田 内迁移环境条件确定波浪要素，且与海流按最不利情况进行 组合； 远洋迁移：风速不小于51.5m/s（100kn），波浪载荷按最大 迁移环境条件确定波浪要素，且与海流载荷按最不利情况进 行组合。
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第七章 自升式平台
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上海交通大学本科生课程
7.3 设计要求及环境条件
3.工况三：插桩及拔桩
下桩后平台定位，并迅速将全部桩腿同步下放到触地，以避免移位； 操作对包括风、浪、流等的环境条件有限制； 插桩的过程为平台的重量由浮力支持过渡到由桩腿支持的过程，平台 由漂浮状态过渡到海底支撑状态的过程； 当平台完成作业需要离开时，首先下降船体到预定的浮态吃水，开始 试拔桩腿，如拔不起来，则可继续下降主体超过预定吃水一定量，再 行试拔，并可动用冲桩喷射系统，直至可以提起。
主讲人：何炎平 倪崇本
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第七章 自升式平台
1. 概述； 2. 工作原理和结构组成； 3. 设计要求及环境条件； 4. 主尺度与总体布置； 5. 重量分类与计算； 6. 桩腿型式和构造； 7. 桩腿强度校核； 8. 结构强度直接计算； 9. 学习与工作思路； 10. 思考与作业。
7.3 设计要求及环境条件
二、设计要求
设计要求以设计任务书的形式给出； 设计任务书的详简无一定标准，由平台业主给出； 设计任务书是平台设计的基础，关系到设计工作的成 败优劣； 设计过程中也可能发现设计任务书的不合理之处，此 时需要协商和解决； 有经验的成熟业主往往还有自己的特殊要求和偏好； 现实中，还存在标准船型（平台）在无业主前先行建 造的情况。
7.3 设计要求及环境条件
二、设计要求
平台的型式（有时还提出论证要求）； 船级，即新设计平台入哪个船级社的级； 环境条件，具体内容见后面； 可变载荷，相对于装载能力； 移航方式； 定位方式； 钻探设备或其它设备； 机电设备、消防救生设备、船员配备及生活设施。
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第七章 自升式平台
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7.1 概述
自升式平台主要类型：
自升式钻井平台；
自升式生产平台；
自升式修井平台；
自升式生活平台；
自升自航船（LiftBoat）；
自升自航风电安装船；
自升式起重船； 自升式工程船（打桩、整平、 钻孔爆破）；
等等。
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站立工况，平台主体受到重力、风力和作业载荷，桩腿则受到浮力、
重力、风浪流诸外力的联合作用，平台的安全性取决于坐底稳性和结
构强度。坐底稳性包括抗倾稳性、抗滑稳性，以及地基承载力和不均
匀沉陷等。结构强度包括主体的总强度，桩腿的整体稳定性、弯压强
度和局部强度。
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7.2 工作原理和结构组成
一、概述
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特点：
船体和多个桩腿； 桩腿可升降； 升降装置系统； 航行或拖航时为船或驳船； 着底时为站立的平台； 站立时受到水动力载荷小； 土体和桩腿的支持能力； 环境和作业载荷和变化； 补给、冷却水、上下平台等。
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7百度文库2 工作原理和结构组成
36.01m/s（70kn） 51.44m/s（100kn）
36.01m/s（70kn） 51.44m/s（100kn） 25.8m/s（50kn）
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7.2 工作原理和结构组成
二、自升式平台的构成
升降装置
平台主体 桩腿
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7.2 工作原理和结构组成
二、自升式平台的构成
平台主体（上船体）结构：平台主体主要提供生产和生活的场地， 并在拖航或航行时提供浮力； 桩腿结构：桩腿的主要作用是支撑平台在海上作业，并将平台所受 的载荷传递给海底地基，桩腿的最下端还配置桩脚箱（或沉垫）； 升降装置：是提升或下降桩腿或船体的装置，并在拖航时支撑桩腿 和在升起时支撑平台； 完成预定功能的作业设备，如：起重机、钻机； 动力设备、供电设备、生活设备等。
升降装置的动力系统； 船体上的升降装置； 桩腿上的升降结构和固桩结构。
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7.2 工作原理和结构组成
三类升降装置
间断升降装置：液压升降装置； 准连续升降装置：双作用液压升降装置； 连续升降装置：齿轮齿条升降装置、钢丝绳滑轮 升降装置。
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������2——风暴潮高， ������ ； ������3——最大设计波浪在基准水面上的高度， ������ 。
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7.3 设计要求及环境条件
1.作业水深
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7.3 设计要求及环境条件
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7.2 工作原理和结构组成
齿轮齿条升降的锁紧
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自升式平台操作程序与工况； 设计要求； 环境条件。
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3.某平台设计环境条件实例
设计最大作业水深： 设计环境温度： 海水温度： 钢结构设计温度： 设计风速 正常作业工况： 风暴自存工况： 拖航工况： 完整稳性，油田拖航： 完整稳性，远洋拖航： 破舱稳性：
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4.工况四：预压
自升式平台除沉垫型外都需要预压；
为了使自升式平台不会由于钻井机械等引起的振动、风浪流等环境外
力、起重作业等引起的倾覆力矩等原因而使桩腿继续下陷或突然下陷，
从而避免平台严重倾斜甚至倾倒等危险现象，在平台主体举升到规定
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2.工况二：下桩及提桩
下桩是把桩腿下放到离海底只有几米的地方； 提桩则是把桩腿从海底拔出以后向上提升的过程； 下桩和提桩时平台处于漂浮状态，但桩腿水中部分的长度以及平 台的重心、浮心和质量惯性矩等要素均在不断发生变化，因此平 台的初稳性、大角度稳性和摇摆等性能也随之变化； 随着桩腿的下降，作用在桩腿上的流体动力和惯性力等不断增加， 桩腿和主体的联接处将承受较大的静力和动力，特别是桩腿和海 底相接触和碰撞的情况。
高度（相应于一定的空气间隙）以前，必须对全部桩腿进行预压；
三桩腿的自升式平台靠设置的一个或多个压载舱预压；
四桩腿的平台可以采用压载水舱预压，也可以利用自升的重量进行对
角线预压；
预压载荷应达到按风暴状态计算得到的某一规定值，其大小约为正常
工作载荷的1.5～2.0倍。
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7.2 工作原理和结构组成
平台主体的平面形状
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三、升降装置
升降装置的功能是完成升降船和升降桩腿的工作，并在着底作业时保 证平台固定位置，在拖航时保持桩腿固定位置。整个升降装置系统包括：
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7.3 设计要求及环境条件
1.作业水深
峰隙系指平台在站立状态下，主体结构最低构件下缘与最大设计波高 的波峰之间的净空距离（见图4.3.1.1）。峰隙������不小于������1和1.2m之小者：
������1 = 0.1 ������1 + ������2 + ������3 ������ 式中： ������1——天文潮高， ������；
7.3 设计要求及环境条件
一、自升式平台操作程序与工况
操作程序； 工况一：移航； 工况二：放桩及提桩； 工况三：插桩及拔桩； 工况四：预压； 工况五：站立工况。
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操作程序
非自航的自升式平台就位一 般采用锚或拖轮； 移位频繁的非自航自升式平 台也有配舵桨，用于工地移 位和助航； 自航自升式平台利用自身配 置的螺旋桨就位。
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7.1 概述
海上自升式平台诞生于1950年。有各种用途的自升式平台， 但以自升式钻井平台最典型，数量也最多。自升式平台由一个平 台主体（漂浮于水面时为浮体）和若干桩腿所组成。
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建造数量最多的移动式平台； 特点：站立在海中形成稳性的工作平台； 兼有“移动式”和“固定式”的特点； 应用范围广，不同功能平台类型多； 最大工作水深有一定的限制（150米以内）； 等等。
连续升降装置：齿轮齿条升降装置
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连续升降装置：齿轮齿条升降装置
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作业水深； 环境温度； 风、浪、流、冰； 地质条件； 极限海况； 作业海况； 迁移海况。
三、环境条件
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1.作业水深
自升式钻井平台一般来讲有标准的系列，如：； 其它平台往往根据实际工程需求确定，也有系列，如： GustoMSC的SEA、 NG系列； 峰隙的概念和天文潮、风暴潮的概念。
第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
间断升降装置：液压升降装置
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7.2 工作原理和结构组成
准连续升降装置：双作用液压升降装置
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7.2 工作原理和结构组成
就位
下桩 预压 升起主体 固桩
移航
固桩
提桩
拔桩 一般需冲桩
下降主体
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钻井等作业
不同自升式平台作业功能不同，站立还有抗风暴能 力和工况。
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1.工况一：移航和就位
移航有：自航、拖航、助航、运输等不同方式； 拖航分：一般拖航（正常拖航）和风暴拖航（极限拖航状态）； 移航时平台类似驳船，但尺度比较为特殊，且桩腿升起后高，因而 其稳性、耐波性和强度都较驳船不同； 移航时需校核桩腿的强度。
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7.3 设计要求及环境条件
5.工况五：站立工况
包括：作业工况和自存工况；
作业工况：正常环境条件下平台进行预定作业功能的工况，平台的可
变载荷一般取为满载，其值有时较升降工况和自存工况大；
自存工况：平台遭遇一百年一遇的特大环境载荷时停止作业但仍能够
自存的工况，一般可变载荷较小，但环境载荷大得多；
7.2 工作原理和结构组成
连续升降装置：齿轮齿条升降装置
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第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
三种锁定方式
气囊式 插销式 齿块式
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第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
固桩装置
作业和拖航均需要固桩； 一般采用楔块结构，填充 船体和桩腿之间的间隙； 每根桩腿设间距较大的上、 下两处固桩。
各种工况： 航行或拖航（桩腿高）
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第七章 自升式平台
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7.2 工作原理和结构组成
各种工况：
站立的作业工况（不同功 能）； 站立的风暴自存工况； 升降桩腿和升降船体（过渡 工况、环境条件限制）； 预压工况（抵御载荷变化）； 拔桩工况（对储备浮力的要 求）。
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1.作业水深
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
2.迁移工况的环境条件
油田迁移：风速不小于36m/s（70kn），波浪载荷按照油田 内迁移环境条件确定波浪要素，且与海流按最不利情况进行 组合； 远洋迁移：风速不小于51.5m/s（100kn），波浪载荷按最大 迁移环境条件确定波浪要素，且与海流载荷按最不利情况进 行组合。
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第七章 自升式平台
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7.3 设计要求及环境条件
3.工况三：插桩及拔桩
下桩后平台定位，并迅速将全部桩腿同步下放到触地，以避免移位； 操作对包括风、浪、流等的环境条件有限制； 插桩的过程为平台的重量由浮力支持过渡到由桩腿支持的过程，平台 由漂浮状态过渡到海底支撑状态的过程； 当平台完成作业需要离开时，首先下降船体到预定的浮态吃水，开始 试拔桩腿，如拔不起来，则可继续下降主体超过预定吃水一定量，再 行试拔，并可动用冲桩喷射系统，直至可以提起。