圓筒形殼體結構布置的製作方法
2023-04-25 17:36:06 1
專利名稱：圓筒形殼體結構布置的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及漂浮的海上結構，更具體的涉及圓筒形殼體或殼體的圓筒形部分。
背景技術：
海上油氣工業使用多種形式的漂浮系統，以提供「平臺」，從該平臺在水深處鑽孔和生產碳氫化合物，對於該水深、固定的平臺、海上鑽井架和其它建立底部的系統是較不經濟的或技術上是不可行的。用於這些目的最普通的漂浮系統是Spar平臺(Spars)、張力臂柱平臺(TLPs)、可半浸入水中的平臺(Semis)和傳統的橋形結構(Ships)。所有這些系統使用某形式的加強板結構，以形成它們的殼體。從廣義上來說，本發明總體上應用於那些系統，或那些系統的其中加強板部分是圓筒形的諸部分。本發明的附加方面尤其應用於橫剖面為圓形的圓筒形殼體。圓筒形殼體是Spas、單柱TLPs和Semis的臂柱(支柱)的最普通的特徵。
在現有技術中，結構布置和組裝方法基於多年來研製的船舶設計實踐。在這些系統中，首先通常使用例如結構角鋼或圓頭T形鋼的較小零件沿著圓筒形的縱向加固殼板或結構表層。然後將在一個方向加固的該板形成為帶有平行於圓筒體的中心線的這些加強件的整個圓筒體或圓筒體的一段。無論該形狀是彎曲的或平側邊的，都使用垂直於這些縱向加強件的桁架(girder)或框架將圓筒形狀鎖定在適當位置中。這些框架位於較均勻的間隔處，以將諸加強件的跨距限制於可接受的距離。可以使用如設計人員所確定的中間支持件縮短這些桁架或框架自身的跨距，以便通過選擇製造附加的支持件代替製造用於較長跨距的較大桁架或框架而優化設計。
諸縱向加強件的間距基於(1)在用於焊接到外殼板的該諸加強件之間的通道所要求的最小距離(約22至26英寸)和(2)殼體厚度和用於板彎曲檢查的加強件間距之間的平衡。為了使用中進行的檢查通入垂直於加強件的諸框架或桁架分開至少四英尺、直至八英尺，這取決於設計工程師如何選擇加強件尺寸和桁架間距的平衡。
像所有的漂浮系統那樣，圓筒形殼體被區分為對水密封的諸艙室，以適應特定數量的損壞(浸沒)，而不會下沉或傾覆。除了採用一組較小直徑的圓筒體以產生許多它的分艙的Spar原理的專用型式之外，圓筒形殼體的諸部分由對水密封的平板和艙壁被區分為諸艙室。由於這些殼體具有圓筒體，這些圓筒體與水平漂浮的船殼體比較在使用中是垂直漂浮的，因此在Spar殼體中這些術語可以具有某些不同的含義。在Spars、TLPs和其它深吃水的柱形殼體中，平板垂直於縱向加強件，艙壁平行於這些加強件，而在船中它們是相對的。在本文中的敘述將使用如用於Spars和帶有垂直取向的圓筒形部分的其它容器的術語。
現有技術從船舶設計實踐所轉移的縱向加強件被製造成在結構上連續通過或越過平板，從而當對圓筒休計算總彎曲能力時加強件被認為與殼體板在結構上一起發揮作用。這通過使加強件連續通過平板或者藉助於阻止加強件、不到達平板和在兩側附加託架、以代替在阻止加強件中失去的結構連續性，實現這結構。當加強件通過一平板時，在平板中的孔必須被密封，以便保持平板的不透水的完整性。當加強件不通過平板時，必須附加大量的託架，這些託架必須越過平板軸向對齊。這兩種方法很費工，從而成本較高。
在船舶中，設計主要受來自縱向彎曲而不是液體靜力的載荷的控制，在結構上保證殼體平板的長度上的加強件的該連續性。在1)垂直取向的、單圓筒形殼體中、2)在多臂柱TLPs和3)帶有比船舶吃水更深的水下支柱和浮筒的Semis中，來自液體靜力的載荷而不是來自縱向彎曲的載荷控制殼體結構的許多尺寸。對於這些漂浮系統，在船舶設計中如此有價值的加強件的結構連續性在非船型殼體中不是特別有價值。但是，在現有技術中，在載荷方面的這基本差異沒有反映在Spar和類似的圓筒形殼體的設計中。
圖1和2示出了一現有技術、圓筒形、Spar殼體結構布置的橫剖面圖。形狀為正方形或矩形的有平側面的被水淹沒的中央井100被設計成容納有規律排列的升降裝置。徑向艙壁180連接中央井100的角落到達外圓筒形殼體，並延伸在圓筒體的整個高度上。外殼體、中央井殼體和徑向艙壁殼體的諸縱向加強件120是連續的和通過桁架140，也通過將圓筒體劃分為諸不透水艙室的平板160。因為諸艙室必須是不透水的，因此在組裝之後必須密封在平板160中設置的以提供縱向加強件120的連續性的任何通道。這要求大量的勞動力，也由於大量的必須通過焊接被密封的區域增加了洩漏的危險。
徑向艙壁180對於在外殼上的桁架140產生很剛性的支持點。在為液體靜力的主載荷下，這些支持件無意中會使這些桁架起到在這些支持件之間跨越的彎曲件的作用，在圓筒形的情況下，阻止它們如處於壓縮狀態下的環那樣更有效地起作用。由於桁架140起「梁作用」而不是起壓縮環的作用，圓筒體中殼板承受液體靜載荷的負載量在使用之中也是很大的，這是由於僅僅一部分平板是有效的作為桁架的壓縮邊緣(有效寬度)。
中央井100的直邊200在主要的液體靜載荷之下必定引起中央井100的桁架140起彎曲件的作用。徑向艙壁180自身在一相鄰的艙室被掩沒的情況下僅僅受到液體靜載荷，在這情況下，桁架也起到跨越在中央井殼和外殼之間的彎曲件的作用。用於這些殼體和艙壁的所有桁架必須位於相同的水平面內，以便它們的終端能夠被繫緊在一起，以提供結構連續性。因此，這些終端具有在它們相互連接處的複雜的彎曲的過渡段。要求這些很費工的過渡段以在這些高載荷位置減小「熱點」應力，但是它們僅僅減小、不清除、這些應力的數值。因此，通常在桁架板中包括附加的費工的插入板，以將剩餘的熱點應力減小到可允許的應力之下的數值。附加「釋放託架」220(用於桁架的不在一平面內的聯接板型側向支撐)，以支持桁架防止張力彎曲。
現有技術中用於圓筒形殼體的結構框架的布置直接影響關於製造子組件的設計和整個殼體的豎立。在Spar殼體的現有技術中，圓筒形容器在平面(帶有徑向艙壁)和縱向(帶有平板)被劃分為諸段(諸子組件)。事先在夾具中製造圓筒體的這些部分，然後運到最後組裝工地，在那裡將它們連接在一起，形成整個圓形諸段。通常在它們的側邊上構造這些子組件，以主要使用段的重量使外殼與夾具或模子的曲率一致。在結構完成的先期狀態中從夾具拆下這些子組件和轉動180度，以便完成在外殼上的預裝配，然後再轉動以便被連接成為在它的側邊上裝配的殼體圓筒體。對於Semis和TLPs的圓筒形柱通常垂直裝配，而關於Semi′s的浮筒圓筒體和關於Spars的圓筒體通常水平裝配。當通過製造支持件在一側支持它們時組裝的圓筒體要求諸子組件很剛性，以避免在下部上附加其它部分時的下部的不可接受的變形。雖然這些部分在夾具中製成為扇形體時自然很剛性，從而適合於承受來自水平組件的載荷，但是這剛性不適合將諸部分裝配在一起的靈活性。其結果是產生在豎立操作的剛性要求方面與準備工作的矛盾，複雜了組裝過程。
發明內容
本發明通過提供較簡單的結構和改變在主結構中的載荷路線以使用已知技術中不使用的在平板中的承載能力克服已知技術中的諸缺點。
本發明提供改進的漂浮圓殼體結構布置。由不透水密封的諸平板將殼體分為諸段。在各段中，圍繞外殼體的內側徑向分開的諸縱向桁架在到達平板之前和在平板處終止，不貫穿平板。該諸縱向桁架的一端連接於橫越平板延伸到達內和外殼體的諸徑向桁架，諸另一端連接於諸平板、直接與諸徑向桁架對齊。在外殼的內圓周上的板加強結構連接於外殼和諸縱向桁架。圍繞內殼的外圓周分開的諸縱向桁架沿著內殼的長度延伸，並以與外殼上的諸縱向桁架的相同方式連接於諸徑向桁架和平板。由彎曲形成諸同心圓的角鋼或圓頭T形鋼加強諸平板，諸平板再由圍繞諸平板分開的和跨越在內和外殼之間諸徑向桁架支持。在垂直方向用諸圓形段組裝諸艙室，使在豎立期間自身重量引起的變形最小。轉動所完成的諸圓形段到達水平位置，以與其它諸段連接，形成一完整的圓筒體。
尤其用所附的並形成本揭示內容的一部分的權利要求書指示出了為本發明的特點的新穎性的許多特徵。為了更好地理解本發明和通過它的使用所獲得的成本效益，將涉及形成本揭示內容的一部分的、其中示出了一較佳實施例的附圖和敘述部分。
在形成要說明書的一部分的該附圖中，附圖中的相同的標號表示相同的或對應的部分，在附圖中圖1和2示出了在不同高度處現有技術殼體布置的橫剖視圖。
圖3示出了按照本發明的圓筒形殼體。
圖4示出了按照本發明的圓筒形剖面。
圖5和6示出了本發明的橫剖視圖。
圖7示出了由縱向桁架和徑向桁架組成的用於一艙室的徑向框架。
圖8示出了在兩平板之間的外殼體的加強的一部分。
圖9示出了在外殼和中央井殼處的縱向桁架和徑向桁架的詳細結構。
圖10A和10B示出了外殼縱向桁架與艙室的平板的組裝和一艙室與另一艙室的連接。
圖11示出了帶有處於適當位置中的全部增強結構的完整艙室。
具體實施例方式
圖3是用於與下方敞開構架或桁架支持部分12連接的、按照本發明的圓筒形殼體10的側視圖。在美國專利號5,558,467中揭示了漂浮的上殼體與敞開的構架的組合。殼體10的外部具有與按照已知技術構造的漂浮的殼體相同的外觀。在圖4-11中示出了本發明的結構布置。殼體10基本上由端對端相互連接在一起的多個圓筒形段形成。除了取決於各段的水深的某些內部構件的尺寸之外，從工程觀點看各段的內部結構基本相同。雖然圓筒形漂浮殼體可以由具有不同的內部結構的諸段形成，但是從成本和效率考慮較佳的是利用相同的內部結構型式形成所有的段。
考慮以上結構選擇，本發明原理涉及殼體10的至少一段和較佳地所有段由具有中央圓形缺口219的一平圓板221、諸加強件223、諸徑向桁架228、內殼222、諸縱向桁架224、外殼225、諸縱向桁架227和第二板加固結構226組成。
平圓板221(圖5和6)由多個金屬件形成或由一大金屬件切割成形。平圓板221位於適合於構造殼體段的諸支持件上。平圓板具有中央圓形缺口219，以及可以設置有用於進入軸232的第二圓形缺口231。較佳地彎曲成與板221同中心的諸加強件223(圖5，7，9，11)位於板221上，並由任何適當方法、例如手工的或跟蹤或半自動的焊接設備焊接在適當位置中。這產生了在垂直方向越過所有徑向桁架的所有加強件的優點，它使諸加強件易於焊接到諸徑向桁架。使用彎曲的加強件的另一優點是在諸加強件之間和在諸加強件和內、外殼體之間平板的諸跨距相等。較佳的是將諸加強件223的諸部分布置成使形成一連接的加強件223所需要的諸連接不徑向重疊。設置有用於接納加強件223的開放的空間的徑向桁架228位於板221上，並焊接於板221和加強件223。徑向桁架228較佳地設置有剛性連接於該桁架的邊緣的一凸緣，用於加固目的。在由製造者確定的時候，將管狀進入軸232放置在切去部分231內，並焊接於平板221和相應的徑向桁架228，以便在軸和平板之間形成不透水的密封，並在使用中支撐進入軸的重量。
為了易於進入，較佳的是在完成外殼225之前形成內殼222，並連接於平板221。
將形成內殼222的金屬被切割成諸段，切割成滾軋板的一部分圓周的長度(通常1/8至1/3)和較佳地高度(寬度)。殼體段的該部分高度和圓周將取決於製造者。將該金屬件機加工滾軋到內殼的圓周尺寸，並放在與內殼曲率匹配的一夾具模子上。如果需要，將附加的金屬件放在該夾具模子上，並焊接在一起，以形成一殼體段的高度。然後將諸縱向桁架224放在該金屬件上，並焊接在適當位置中，以類似方式形成內殼的其餘諸段。
用內殼的諸端部的靠近平板221的一端使該內殼豎立，諸縱向桁架224與諸徑向桁架228對齊，並與平板221對齊和垂直，以及將該殼體段焊接於平板，以形成不透水的密封。還將諸縱向桁架224焊接於諸徑向桁架228。以類似方式使內殼的其餘諸段定位和焊接在適當位置中，以完成內殼。通過焊接使形成內殼的諸段拼接在一起，以形不透水的密封。
將形成外殼225的金屬板被切割成諸段，該諸段較佳地連接在一起形成一板，切割成整個殼體段或部分殼體段的高度和一部分圓周(通常1/8至1/3)。可以將諸縱向桁架227放置和焊接在適當位置中，同時金屬板處於平的位置中。此時第二板加固結構226的諸縱向部分也可以定位和焊接在適當位置中。該金屬板的上、下邊放在夾具模子中，該夾具模子具有外殼的所需曲率。幾乎不用力或不附加力該板的重量使該板在夾具上形成為外殼的曲率。然後將跟隨外殼的內側圓周的(如圖8清楚地所示)第二板加固結構226的諸部分定位和焊接在適當位置中。
用外殼的一部分的諸端部的靠近平板221的外邊緣的一端部使該外殼的一部分豎立，並使諸縱向桁架227與諸徑向桁架228對齊(圖10A和10B)。將該金屬板焊接到平板，以形成不透水的密封，並將諸縱向桁架227焊接到諸徑向桁架228。將形成外殼的其餘諸段定位和焊接在適當位置中。通過焊接將形成外殼的諸段拼接在一起，形成不透水的密封。圖11示出了一完成的殼體段。
當製造者對於該結構認為需要時和在對建造過程最有效時、在預製造和豎立順序中的任何時候附加命名外殼側板或內部進入梯的附件。
為了將殼體的一段連接於鄰近一段，在內和外殼體之間、在與平板相對的端部處放置類似於自由車輪上的輪輻的臨時豎立支持組件(未示出)。被構造的段被安置在滑動導軌上和被轉動，以致該殼體段的縱向軸線處於水平位置，被放置成靠近也處於水平位置的先前所構造的殼體段。帶有平板的諸殼體段的端部被放置成靠近相鄰殼體段的有臨時支持組件的端部。該兩段一起移動，然後將外殼、內殼和進入軸殼板焊接在一起。反覆該過程，以形成所需的殼體。
本發明提供了若干優點。
按照具有僅由諸平板221分隔的圓筒體，除最上室之外完全取消了徑向艙壁。這些室分隔是所謂平板或艙壁取決於使用中的圓筒體的方位。在該討論中，我們涉及垂直於圓筒體軸線的分隔，從而涉及是「縱向」平行於圓筒體的軸線的諸部分。
利用結構布置加強內、外殼體222、225的殼板，在該結構布置中主要加強件是在諸平板221之間縱向跨越的諸桁架224、227，該諸平板221被安置成將殼體細分為諸艙室。這些縱向桁架224、227執行兩個主要功能、將從殼體板和角鋼和中間環/桁架的它的附加板加強結構226所收集的載荷直接傳送到諸平板221和直接增大諸殼板承受在各殼體段中的總軸向載荷的能力。
用於圓筒體的該結構與傳統的加強結構形成明顯的不同，在傳統結構中使用位於平行於平板/艙壁的諸平面中的諸環和環形框架，以收集來自殼板和附加板加強結構的載荷。在環框架方案中，由環框架收集的在殼板上的外部載荷橫越和圍繞各環框架高度分布，與相鄰的環框架高度或平板上的載荷相對無關。在現有技術中，平板簡單地代替其中要求分艙以致在平板上的主載荷來自垂直於各平板表面的液體靜力的環框架。
在本發明的縱向桁架結構中，由附加板加強結構226或直接從殼板收集殼板上的外部載荷，大體上類似於現有技術，但是，不是與平板221單獨地作用的桁架224、227，在這些桁架224、227的各端處由桁架將外部板載荷直接傳送到平板221。在桁架224、227的諸端部的載荷是顯著的，但是平板221固有地具有關於承受在它們的加強板的平面內的載荷的很大能力。通過在總結構方案中結合圓筒體加強的諸平板，在水平面中的諸平板221的很大儲備能力(在現有技術中不使用)在很少成本或不附加成本的情況下被動用了，同時來自桁架224、227的附加載荷不影響諸平板221細分殼體成為諸艙室和承受關聯的液體靜力設計載荷的能力。
在本發明的方案中，各縱向桁架224、227的各端與直接在桁架224、227之上或之下的平板221上的徑向桁架228對齊。通過附圖中所示的簡單連接238，縱向桁架224、227與徑向桁架228結合形成抗彎矩的結構框架230，該結構框架在圍繞各室的均勻徑向圖形中取向。
沿著外殼長度的縱向附加板加強結構(角鋼或圓頭T形鋼)226位於諸縱向桁架224、227之間，以加強件226有意地不是結構上連續越過平板221的方式終止在平板221的表面或平板221之前。這消除了在平板的各側上用加強件或附加託架貫穿平板以產生結構連續性的實際情況。從而，使加強件226的功能專門起作用以增加外殼板的彎曲能力，並不具有分布到圓筒體222的有效橫剖面區域以承受軸向和彎曲應力的附加功能。僅僅由縱向桁架224、227增加殼板軸向和彎曲能力、僅僅具有一專用功能為彎曲加強件、藉助於不需要對齊它們和使它們結構連續越過各平板221，顯著地簡化了加強件226的製造。
底部敞開的(被淹沒的)中央井218是圓形的，而不是矩形的，沒有徑向艙壁，在吃水線之下的它殼板是自由的，總是作用在來自包含在內部的水的液體靜力載荷的張力之中。使用該殼體上的縱向桁架224、227實現了徑向框架和保證中央井具有顯著的附加的彎曲能力。
縱向設置諸主桁架具有若干優點1)使用在現有技術中不使用的平板221的較大的「平面內」能力以承受和平衡在各殼體段上的外部液體靜力載荷。這直接導致更有效地使用鋼材。
2)允許主桁架是直的，而不是彎曲的或部分彎曲的。這些直桁架能夠具有沿著它們的長度的不同深度，以適應不同的載荷，例如隨深度變化的液體靜力載荷。不變深度或變化深度的直桁架比現有技術中的彎曲桁架在製造和超越平面地支撐方面是更成本有效的。
3)直桁架更易於分析和設計。
4)通過在殼體上使縱向桁架224、227與平板221上的徑向桁架228對齊產生抗彎矩框架與沒有這些框架的現有技術比較具有若干優點。
a.與「銷端」桁架比較，對於任何某桁架尺寸、在框架結構中的桁架的該端固定給予它們更大的能力承受彎曲載荷。
b.縱向桁架成為結構上連續而不實際貫穿平板。這連續性允許這些桁架幫助殼板承受圓筒體中的總軸向載荷，而不需要閉合在平板中的大量的貫穿孔。
c.在各室處這些徑向框架的諸加強件相結合以承受存在於中央井殼和外殼之間的圓筒體內的軸向剪力的主要部分。
5)在桁架的諸端處反作用力的載荷轉移進入平板的直接特性允許這些連接採用簡單的角縫焊接。
能夠從單個進入軸232進入沒有徑向艙壁的諸艙室。
桁架和其它加強件的簡單的形狀和連接實際上消除了在該結構系統中的局部「熱點應力」，從而取消了在現有技術中是普遍的在殼加強環中的「諸插入板」。
在殼體進行拼接的側面上角鋼/殼體T形加強件終止於平板之前改進了殼板關於裝備的靈活性和對齊，並改進了進入到殼板內部以便進行焊接和檢驗焊接。
權利要求
1.由端對端連接在一起的多段形成的一圓形漂浮殼體中，至少一段殼體包括a.具有一中央圓形缺口的一平圓板；b.連接於所述平圓板的多個彎曲的加強件；c.連接於所述平圓板和所述彎曲加強件的多個徑向桁架；d.連接於在所述平圓板內的中央圓形缺口的一內殼；e.沿著所述內殼的外圓周的長度延伸的和圍繞所述內殼的外圓周徑向分開的多個縱向桁架；f.連接於所述平圓板的外圓周的一外殼；g.連接於所述外殼的內圓周、並終止於所述平圓板和所述諸徑向桁架的多個縱向桁架；以及h.連接於所述外殼的內圓周和所述縱向桁架的一附加板加強結構。
2.按照權利要求1所述的殼體段，其特徵在於，所述內殼對所述平圓板的連接形成一不透水的密封。
3.按照權利要求1所述的殼體段，其特徵在於，所述外殼對所述平圓板的連接形成一不透水的密封。
4.按照權利要求1所述的殼體段，其特徵在於，連接於所述外殼的所述諸縱向桁架與所述平圓板上的所述諸徑向桁架對齊。
5.按照權利要求1所述的殼體段，其特徵在於，連接於所述外殼的所述諸縱向桁架不貫穿所述平圓板。
6.按照權利要求1所述的殼體段，其特徵在於，所述附加板加強結構包括角鐵。
7.按照權利要求1所述的殼體段，其特徵在於，所述附加板加強結構包括圓頭T形鋼。
8.由端對端連接在一起的多段形成的一圓形漂浮殼體中，至少一段殼體包括a.具有一中央圓形缺口的一平圓板；b.連接於所述平圓板的多個彎曲的加強件；c.連接於所述平圓板和所述彎曲加強件的多個徑向桁架；d.用一端連接於所述平圓板內的中央圓形缺口和與所述平圓板形成一不透水的密封的一內殼；e.沿著所述內殼的外圓周的長度延伸的和圍繞所述內殼的外圓周徑向分開的多個縱向桁架；f.用一端連接於所述平圓板的外圓周和與所述平圓板形成一不透水的密封的一外殼；g.連接於所述外殼的內圓周、並終止於所述平圓板和所述諸徑向桁架、以及與所述平圓板的兩側上的所述諸徑向桁架對齊而不貫穿所述平圓板的多個縱向桁架；以及h.連接於所述外殼的內圓周和所述縱向桁架的一附加板加強結構。
9.按照權利要求8所述的殼體段，其特徵在於，所述附加板加強結構包括角鐵。
10.按照權利要求8所述的殼體段，其特徵在於，所述附加板加強結構包括圓頭T形鋼。
全文摘要
改進的漂浮圓殼體結構布置。由不透水密封的平板將殼體分為多段。各段中圍繞外殼體內側徑向分開的縱向桁架在到達平板之前和在平板處終止不貫穿。縱向桁架一端連接於橫越平板伸到內外殼體的徑向桁架，另一端連接於平板、直接與徑向桁架對齊。外殼的內圓周上的板加強結構連接於外殼和縱向桁架。圍繞內殼外圓周分開的縱向桁架沿著內殼長度延伸，並以與外殼上的縱向桁架的相同方式連接於徑向桁架和平板。由彎曲形成同心圓的角鋼或圓頭T形鋼加強平板，平板由圍繞平板分開的和跨越在內和外殼之間徑向桁架支持。在垂直方向用圓形段組裝諸艙室，使在豎立期間自身重量引起的變形最小。轉動所完成的圓形段到達水平位置，以與其它段連接，形成完整的圓筒體。
文檔編號B63B35/44GK1824573SQ20061000929
公開日2006年8月30日 申請日期2006年2月21日 優先權日2005年2月22日
發明者R·M·康弗斯, Y·C·帕克 申請人:斯帕特克股份有限公司