張力腿平臺輕型生活樓方案

袁行偉，李拓夷，郭術(shù)彪，任志巍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

目前世界上在建和在役的張力腿平臺共有30座，而國內(nèi)尚無此類平臺設(shè)計及工程經(jīng)驗。由于張力腿平臺屬于深水浮式平臺，因此在兼顧平臺性能和經(jīng)濟性的前提下，有效控制平臺上部組塊重量是影響張力腿平臺整體性能的關(guān)鍵因素。生活樓是平臺上部組塊中一個重要的組成部分，因此控制生活樓重量也就成為上部組塊設(shè)計過程中的一個重要環(huán)節(jié)。本文通過優(yōu)化生活樓總體布置，并對相關(guān)輕型結(jié)構(gòu)型式及舾裝材料進行對比及選擇，最終完成了張力腿平臺輕型生活樓方案。

1 海洋平臺生活樓分類及選型

目前海洋平臺生活樓按結(jié)構(gòu)型式分為兩大類，模塊單元式生活樓和整體式生活樓。

模塊單元式生活樓就是每個艙室單獨成塊，根據(jù)業(yè)主對生活樓功能的要求進行艙室模塊拼裝而組成的，如圖1所示。此類生活樓具有易組裝、造價高的特點，所以常用于海上在役平臺的改造項目。

圖1 模塊單元式生活樓Fig.1 Modular type living quarters

整體式生活樓按結(jié)構(gòu)型式分為梁柱式和板殼式兩類，這兩類結(jié)構(gòu)型式的生活樓各有優(yōu)劣。但板殼式結(jié)構(gòu)較常規(guī)的梁柱式結(jié)構(gòu)能更合理地優(yōu)化生活樓的重量。由于張力腿平臺對減重要求較高，所以宜采用結(jié)構(gòu)構(gòu)件小而輕的板殼式整體生活樓，如圖2所示。

板殼式整體生活樓的結(jié)構(gòu)主要由甲板、T型材、角鋼及圓管等組成，板殼式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于鋼圍壁(墻體)和甲板參與生活樓框架的整體強度計算，相比常規(guī)梁柱式結(jié)構(gòu)可有效減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，其結(jié)構(gòu)總重量較梁柱式生活樓減重約23%。

板殼式整體生活樓的建造形式可采用分層或分塊建造及吊裝方式，有利于最大限度地減重。

圖2 板殼式整體生活樓Fig.2 Integral type living quarters

2 板殼式整體生活樓總體布置規(guī)劃

根據(jù)張力腿平臺總圖中生活樓的外輪廓尺寸及功能要求對其總體布置進行規(guī)劃，生活樓外形尺寸為28×11.5×14 m，按四層進行布置，室外兩側(cè)均設(shè)置3 m寬的逃生通道，頂層設(shè)有直升機甲板。為了滿足規(guī)范對平臺人員逃生的要求，用于生活樓人員逃生的救生艇懸掛在與其臨近的組塊主甲板上[1]。

2.1 總體布置原則

生活樓的總體布置按下列原則進行規(guī)劃。

(1)分區(qū)明確，互不干擾。一層為公共區(qū)域，二層及三層為休息區(qū)域，四層為辦公區(qū)域。

(2)鉆完井期間在正常艙室床位不足的情況下，能夠?qū)⑽挥诙拥慕∩矸考八膶拥臅h室調(diào)整為住人艙室，從而滿足項目各階段對床位的需求。

(3)二層設(shè)置公共衛(wèi)生間，三層設(shè)置獨立衛(wèi)生單元，同時滿足各作業(yè)區(qū)對于生活樓衛(wèi)生間布置的不同需求。

(4)四層頂部的空調(diào)壓縮機組移至平臺組塊，僅保留換氣機組及靜音設(shè)備，避免設(shè)備運行噪聲影響其下方辦公室及居住艙室的正常使用[2]。面向生產(chǎn)區(qū)設(shè)置的辦公區(qū)域滿足鉆完井期間日夜監(jiān)守作業(yè)現(xiàn)場的要求，同時正常生產(chǎn)期間可將相鄰的兩個辦公室調(diào)整為其他用房，便于房間功能的再次調(diào)整。

2.2 總體布置方案

本項目生活樓設(shè)計定員為100人，其中一人艙室2間，兩人艙室5間，四人艙室22間。

生活樓一層為公共區(qū)域，設(shè)有廚房、餐廳、食品庫房(冷庫室、冷藏室)、配電間及應(yīng)急配電間、洗衣間、衛(wèi)生間、吸煙室、醫(yī)務(wù)室及吊貨區(qū)。醫(yī)務(wù)室設(shè)置在一層且靠近吊籠放置區(qū),便于平臺登程人員的信息錄入及平臺傷員的救治，醫(yī)生安排在二層靠近醫(yī)務(wù)室的艙室居住[3]，以滿足相關(guān)規(guī)范要求，相關(guān)布置如圖3所示。

生活樓二層為休息及娛樂區(qū)域，主要以居住和娛樂為主，除了設(shè)有更衣室、衛(wèi)生間、洗澡間、健身房外其余均為居住艙室，艙室外設(shè)置公共衛(wèi)生間。健身房內(nèi)的天花板預(yù)埋滑軌，在艙室床位緊張的情況下，可以通過增加舾裝壁板將健身房改為四人艙室和六人艙室，滿足特殊階段的床位需求，相關(guān)布置如圖4所示。

圖3 生活樓一層布置圖Fig.3 General layout for the first floor of living quarters

圖4 生活樓二層布置圖Fig.4 General layout for the second floor of living quarters

生活樓三層為休息區(qū)域，主要以居住為主，此層僅設(shè)有兩人艙室及四人艙室，艙室內(nèi)均設(shè)有獨立衛(wèi)生單元，艙室外不再設(shè)置公共衛(wèi)生間，從而保證了長期出海人員的起居舒適性，相關(guān)布置如圖5所示。

生活樓四層為辦公區(qū)域，主要以辦公為主，提供生產(chǎn)及鉆完井期間12人的辦公場所。其中，兩個相鄰辦公室舾裝壁板設(shè)置為可拆卸式，滿足鉆完井工作結(jié)束后的正常生產(chǎn)期間房間功能的再次分配。報房設(shè)置在四層，報務(wù)員也安排在四層且靠近報房的艙室居住，以滿足相關(guān)規(guī)范要求[4]，相關(guān)布置見圖6。

圖5 生活樓三層布置圖Fig.5 General layout for the third floor of living quarters

圖6 生活樓四層布置圖Fig. 6 General layout for the fourth floor of living quarters

生活樓頂層為設(shè)備區(qū)域，為了避免空調(diào)壓縮機組運行時產(chǎn)生的噪聲影響其下方辦公室及艙室的正常使用，已將位于生活樓頂層的空調(diào)壓縮機組移至組塊，頂層僅保留運行時噪聲較小的換氣機組及靜音設(shè)備。同時也根據(jù)項目要求對衛(wèi)星接收天線進行了合理規(guī)劃及布置，以保證平臺各類通訊及信號的穩(wěn)定性。相關(guān)布置如圖7所示。

生活樓頂部設(shè)有直升機甲板，通過優(yōu)化直升機甲板布置最大限度地降低了甲板重量，優(yōu)化后的直升機甲板為正八邊形，尺寸為21×21 m，滿足S-92型直升機起降要求[5]，相關(guān)布置如圖8所示。

圖7 生活樓頂層布置圖Fig.7 General layout for the roof of living quarters

圖8 直升機甲板布置圖Fig.8 General layout for helideck

3 板殼式整體生活樓輕型化方案

結(jié)合以往海洋平臺生活樓減重經(jīng)驗，制定了本項目張力腿平臺板殼式整體生活樓輕型化方案，主要從結(jié)構(gòu)減重和舾裝減重兩方面著手。

3.1 結(jié)構(gòu)減重方案

板殼式整體生活樓結(jié)構(gòu)型式與普通船體結(jié)構(gòu)相類似，主要由甲板片、大梁(T型材)、加強筋(角鋼)、立柱及其他附件構(gòu)成。結(jié)構(gòu)構(gòu)件型式如圖9所示。

本項目生活樓結(jié)構(gòu)的計算通過有限元計算軟件SESAM GeniE模塊完成，計算工況包括操作、極端、自存及運輸工況。其中，對大梁和立柱等主要結(jié)構(gòu)通過軟件中的BEAM CODE CHECK功能根據(jù)API及AISC相關(guān)規(guī)定進行校核，甲板及壁板通過軟件中的PLATE CODE CHECK功能根據(jù)CSR Bulk相關(guān)規(guī)定進行屈服及屈曲校核，校核結(jié)果均滿足規(guī)范要求[6]。相關(guān)校核結(jié)果如圖10所示。

3.2 舾裝材料減重方案

板殼式整體生活樓可減重的舾裝材料主要包括盥洗設(shè)施、艙室家具、防火保溫材料、圍壁天花板及甲板敷料等幾大類[7]。其中，盥洗設(shè)施使用輕型材料對于減重屬于“高費用、低收益”，所以本項目使用較少。新型鋁蜂窩家具較常規(guī)鋼制家具具有輕質(zhì)、美觀、耐腐蝕的優(yōu)點，可以增加艙室環(huán)境的美觀度和舒適度。防火保溫材料、圍壁天花板以及甲板敷料等使用輕型材料對于費用的影響較小，而且其防火保溫及隔音降噪性能均優(yōu)于常規(guī)舾裝材料，目前很多已投產(chǎn)項目都通過使用以上材料達到了減重的目的。

本項目采用輕型舾裝材料代替常規(guī)材料以達到減重的目的，相關(guān)舾裝材料減重方案如表1所示。

圖9 板殼式整體生活樓結(jié)構(gòu)型式Fig. 9 Structure type of the integral type living quarters

圖10 梁和板的模型校核結(jié)果Fig.10 Model checking results of beams and plates

3.3 整體式生活樓減重方案對比

常規(guī)固定平臺的梁柱式整體生活樓總干重約為1 040 t ，通過以上減重措施使得本項目板殼式整體生活樓總干重減為840 t ，實現(xiàn)了張力腿平臺生活樓輕型化的目標(biāo)，相關(guān)減重信息如表2所示。

通過表2可以推斷，在保證不改變生活樓主尺度、總體布置及艙室功能的前提下，通過以上減重方案使得張力腿平臺整體式生活樓總干重減輕了約200 t。其中，結(jié)構(gòu)方面減輕了150 t，舾裝方面減輕了50 t。

表1 舾裝材料減重方案

續(xù)表

表2 生活樓減重方案對比

4 結(jié) 語

通過對不同種類生活樓的分析及對比，最終確定了采用板殼結(jié)構(gòu)的整體式生活樓更滿足張力腿平臺對組塊減重的要求。在滿足相關(guān)規(guī)范及項目要求的情況下，合理優(yōu)化生活樓總體布置能夠減少其空間浪費，有利于生活樓的減重。通過采用板殼結(jié)構(gòu)型式及輕型舾裝材料最終完成了張力腿平臺輕型生活樓減重方案，與常規(guī)固定平臺生活樓相比減輕重量約20%。

[1] International Maritime Organization.International convention for the safety of life at sea[S].2009.

[2] 國際勞工組織(ILO).2006年海事勞工公約[S].2006.

[3] 呂津波.海洋平臺生活樓人體工程學(xué)設(shè)計研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[4] 中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.海上固定平臺安全規(guī)則[S].2000.

[5] International Maritime Organization.Code for the construction and equipment of mobile offshore drilling units[S].2001.

[6] American Bureau of Shipping.Common structural rules for bulk carriers[S].2006.

[7] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計使用手冊:舾裝分冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.