LIFTBOAT平臺(tái)總體設(shè)計(jì)研究

曹　錦

(中船重工船舶與海洋工程裝備設(shè)計(jì)有限公司　武漢　430060)

LIFTBOAT平臺(tái)總體設(shè)計(jì)研究

曹錦

(中船重工船舶與海洋工程裝備設(shè)計(jì)有限公司武漢430060)

摘要LIFTBOAT平臺(tái)具有自升自航能力、使用靈活、造價(jià)低廉和經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)。文中以LIFTBOAT平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。針對(duì)LIFTBOAT平臺(tái)工作特點(diǎn)，提出此類平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)思路和方法。

關(guān)鍵詞LIFTBOAT總體設(shè)計(jì)樁腿升降系統(tǒng)

LIFTBOAT平臺(tái)是一種專為近海平臺(tái)提供鉆修井、完井、測(cè)井等輔助服務(wù)和海上油田作業(yè)的多功能自升自航式平臺(tái)。LIFFBOAT多功能平臺(tái)提供配套支持服務(wù)的應(yīng)用模式能夠解決目前海洋油田的各項(xiàng)增產(chǎn)、維修作業(yè)問(wèn)題，有效縮短作業(yè)周期，降低成本[1]。

1LIFTBOAT技術(shù)特點(diǎn)

(1) 具有自航與自升能力。LIFTBOAT配置有尾推進(jìn)器和首側(cè)推進(jìn)器，可自主航行，具備DP動(dòng)力定位能力，遷移航速在5~9 kn之間，自升能力相對(duì)自升式鉆井平臺(tái)較低。

(2) 較大甲板作業(yè)面積，能承載較強(qiáng)甲板載荷。LIFTBOAT是為油氣田的鉆井或生產(chǎn)平臺(tái)提供維修安裝服務(wù)的平臺(tái)，能完成各功能模塊在海上運(yùn)輸及組裝，能夠?yàn)殂@修機(jī)提供迅速、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸和作業(yè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)近距離快速搬遷、快速工作。因而LIFTBOAT平臺(tái)擁有較大的甲板面積并能承載較大甲板載荷，以便運(yùn)輸模塊和將待維修模塊轉(zhuǎn)至甲板上，并進(jìn)行維修處理。

(3) 升降作業(yè)頻繁、升降速度快。LIFTBOAT平臺(tái)相比常規(guī)的自升式平臺(tái)，其升降作業(yè)更加頻繁，每年的升降作業(yè)次數(shù)10~20倍于常規(guī)自升平臺(tái)。

(4) 自帶動(dòng)力和物資供應(yīng)、自存能力強(qiáng)。LIFTBOAT主機(jī)艙內(nèi)的柴油發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，可滿足LIFTBOAT航行、吊機(jī)載荷及鉆修機(jī)的動(dòng)力需求。LIFTBOAT上還隔出一定數(shù)量的艙室供壓載系統(tǒng)和鉆井系統(tǒng)使用，鉆、修井過(guò)程中所需要的油、水、氣、電等均通過(guò)管線及電纜輸送至生產(chǎn)平臺(tái)。

2平臺(tái)總體設(shè)計(jì)研究

2.1　主要尺度論證

通過(guò)LIFTBOAT工作特性和維修作業(yè)的技術(shù)要求，可確定平臺(tái)的主要尺度。LIFTBOAT主體區(qū)域?yàn)榉叫位蛉切拖潴w，上層建筑位于首部，中后部為開(kāi)敞甲板區(qū)域，甲板以下為機(jī)械處所和液艙或儲(chǔ)藏處所。再通過(guò)于平臺(tái)作業(yè)密切相關(guān)的技術(shù)參數(shù)如甲板作業(yè)面積，居住人數(shù)等參數(shù)，就可確定LIFTBOAT平臺(tái)主體部分需要的主尺度，本平臺(tái)要求甲板面積大于1 000 m2，居住人數(shù)50~100人，即基本確定平臺(tái)主體部分的主要尺度為長(zhǎng)56.4 m、寬39.6 m，型深則通過(guò)漂浮狀態(tài)下的重量估算和干舷核算來(lái)確定。

2.2　樁腿及樁靴

LIFTBOAT平臺(tái)的主體依靠樁腿的支撐才得以升離水面，使平臺(tái)處于站立作業(yè)狀態(tài)。樁腿除支承平臺(tái)的全部重量外，還需要承受各種環(huán)境外力的作用。樁腿的形式可分為殼體式和桁架式2種，殼體式是鋼板焊制的封閉式結(jié)構(gòu)，其截面形狀有圓型和方形，桁架式樁腿的截面形態(tài)為三角型或四方形。殼體式樁腿的制造比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，而桁架式樁腿由于桿件節(jié)點(diǎn)較多，故制造比較復(fù)雜，但其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為可減少作用在樁腿上的波浪力。殼體式樁腿的適用水深不超過(guò)60~70 m，水深更大則需用桁架式[2]。自升式平臺(tái)通常采用3樁腿或4樁腿形式，從減輕鋼料重量、減少樁腿數(shù)目、減少相應(yīng)的升降裝置的套數(shù)而言，3樁腿最為理想，但腿數(shù)減少，要求每根樁腿的舉升能力越大，使升降裝置的設(shè)計(jì)和制造更加困難，并且在預(yù)壓和風(fēng)暴中，若3樁腿中1根樁腿發(fā)生下陷，平臺(tái)將隨之傾斜，造成升降裝置、樁腿、平臺(tái)主體有關(guān)結(jié)構(gòu)的破壞。由于四腿支承的平臺(tái)具有較大的剛性，所以結(jié)合本平臺(tái)的作業(yè)海域的環(huán)境條件和工作特點(diǎn)，本方案采用了4根圓柱樁腿形式。樁腿長(zhǎng)度通過(guò)如下公式確定。

式中：h1為入泥深度；h2為設(shè)計(jì)水深；h3為設(shè)計(jì)波的波峰高度；h4為平臺(tái)主體底板和波峰間的空隙；h5為平臺(tái)主體深度；h6為固樁架高度；h7為設(shè)計(jì)裕量。

樁腿主要參數(shù)如下。

數(shù)量： 4。

形式： 圓柱。

直徑： 3 200 mm。

樁腿長(zhǎng)度： 90 m。

樁腿下端的結(jié)構(gòu)是直接與海底相接觸的，是支撐面和平臺(tái)基礎(chǔ)，主要形式為插樁式、箱型和沉墊式。插樁式適用于較硬的海底，箱型結(jié)構(gòu)是在樁腿的下端附裝一樁腳箱，通常稱為樁靴，通過(guò)增大海底支承面積來(lái)減小樁腿插入海底深度，從而提高插樁和拔樁作業(yè)安全性，適用于軟性地基。沉墊式是將幾個(gè)樁腿下端固定在一個(gè)共同的大沉淀上，適用于軟地基且海底平坦的區(qū)域。依據(jù)本平臺(tái)作業(yè)于軟性地基及承載力要求，設(shè)計(jì)采用樁靴形式，主要參數(shù)如下。

樁靴面積： 13 500×13 500 mm2。

樁靴高度： 2 m。

2.3　升降裝置

升降裝置安裝在樁腿和平臺(tái)主體的交接處，驅(qū)動(dòng)升降裝置使樁腿和主體作相對(duì)的上下運(yùn)動(dòng)；升降裝置還有把平臺(tái)主體固定在樁腿某一位置的作用，此時(shí)升降裝置主要承載垂直力，水平力由固樁裝置傳遞。常用的升降裝置有齒輪齒條式和頂升插銷式。齒輪齒條式工作連續(xù)可靠、升降速度快、控制簡(jiǎn)單、操作性能良好，多用于移位頻繁的平臺(tái)。其主要缺點(diǎn)是制造工藝要求較高。插銷式升降系統(tǒng)升降速度較齒輪齒條式較慢，但能吸振、工作平穩(wěn)、可靠，且不需要固樁裝置，對(duì)樁腿制造工藝要求較低。針對(duì)LIFTBOAT平臺(tái)升降作業(yè)頻繁，且升降速度要求較高的工作特點(diǎn)，選取齒輪齒條升降系統(tǒng)。

升降系統(tǒng)的舉升能力是升降操作對(duì)升降裝置

的主要要求，舉升能力受到齒輪齒條裝置的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的限制，舉升能力和重量組合的關(guān)系是

舉升能力=空載主體重量+可變載荷

平臺(tái)的升降速度由升降工況的要求時(shí)間決定，一般自升平臺(tái)的升降速度在0.15~0.3 m/min之間，LIFTBOAT由于升降更加頻繁，要求縮短升降時(shí)間，故LIFTBOAT升降系統(tǒng)的升降速度變化范圍在0.9~1.8 m/min。本平臺(tái)升降系統(tǒng)主要參數(shù)如下。

數(shù)量： 56。

起升能力： 1 400 t。

升降速度(船體)： 0.0~0.9 m/min。

升降速度(樁腿)： 0.0~1.0 m/min。

2.4　總體布置

該平臺(tái)采用齒輪齒條升降的四圓柱樁腿平臺(tái)，平臺(tái)主體采用矩形箱形結(jié)構(gòu)，四樁腿艏艉對(duì)稱布置，由3道縱艙壁和4道橫艙壁，將箱型平臺(tái)主體劃分成若干水密艙，形成具有較大抗扭剛性的平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)。平臺(tái)主要形式和區(qū)域布局見(jiàn)圖1。

圖1　平臺(tái)側(cè)視圖

平臺(tái)總布置設(shè)計(jì)中，防火和放爆等安全問(wèn)題是至關(guān)重要的，它涉及各類危險(xiǎn)區(qū)的定義、劃分；危險(xiǎn)區(qū)的機(jī)械設(shè)備和電氣裝置的布置等。本項(xiàng)目LIFTBOAT平臺(tái)的基本區(qū)域劃分基于如下思路：將平臺(tái)劃分為3大區(qū)域，即作業(yè)區(qū)、生活區(qū)和機(jī)電設(shè)備和儲(chǔ)存區(qū)域。平臺(tái)主甲板首端為平臺(tái)上建區(qū)域，由生活區(qū)域和駕駛控制區(qū)域組成，工程吊裝維修區(qū)域位于平臺(tái)甲板中后部，約1 100 m2裝載甲板區(qū)域，在左右舷設(shè)有70 t吊機(jī)各1臺(tái)，采用環(huán)繞樁腿形式，并設(shè)有機(jī)修間、CO2間，液壓站間等。平臺(tái)主體尾部主機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)布置區(qū)域，首部為液艙、廚房和儲(chǔ)藏室等生活配套區(qū)域。

3結(jié)語(yǔ)

LIFTBOAT作為具有獨(dú)特工作特性的自升式平臺(tái)，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意如下問(wèn)題。

(1) 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)中，樁腿位置安全需合理，樁腿間距大，雖抗傾穩(wěn)性好，但為保證平臺(tái)整體剛度，需增加結(jié)構(gòu)尺寸，使平臺(tái)重量增加；若過(guò)小，則抗傾穩(wěn)性不好，影響平臺(tái)總體性能。

(2) 注意研究移動(dòng)平臺(tái)與海船規(guī)范規(guī)格差異。如移動(dòng)平臺(tái)救生艇允許掛舷外設(shè)專用平臺(tái)直落式艇架，而海船不允許救生艇超出舷側(cè)；3 000 t以上貨船有船員房間面積和每室人數(shù)限制，而移動(dòng)平臺(tái)無(wú)限制要求，允許2人以上同室。

(3) 平臺(tái)搖擺性能。自升式平臺(tái)在海洋中拖航遭遇較大風(fēng)浪時(shí)，存在共振可能性，應(yīng)合理設(shè)計(jì)，改善平臺(tái)搖擺性能[3]。

(4) 平臺(tái)壓載艙布局盡量對(duì)稱均勻分布，合

理布局，滿足每根樁腿的預(yù)壓載要求。

LIFTBOAT具有尺度小、造價(jià)低，操作費(fèi)用少，且就位容易、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)；具備自升式平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)，海上作業(yè)時(shí)，樁腿立于海底，主體升至水面以上，工作穩(wěn)定，可在較復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)；可單獨(dú)完成海上大部分安裝維修作業(yè)任務(wù)，作業(yè)效率高，有效降低油田開(kāi)發(fā)綜合成本，從根本上改變了由于平臺(tái)場(chǎng)地、動(dòng)力、設(shè)備、安全設(shè)施等裝備能力不足形成的傳統(tǒng)作業(yè)方式，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-03-21

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.058