桁架式樁腿自升自航式服務平臺開發(fā)設(shè)計

姚俊卿， 方 舟

(1. 天海融合防務裝備技術(shù)股份有限公司， 上海 201612；2. 嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學院， 浙江 嘉興314031)

0 引 言

自升式服務平臺作為離岸工程的重要輔助裝備，起源于墨西哥灣水域，主要為海上油田提供設(shè)備維護及人員住宿等支持服務。其在外形上具備常規(guī)船舶的特點，通過裝備的升降裝置和樁腿將船體抬離水面，工作時不受海水運動的影響，保證了海上作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性，可在相對惡劣的海況下持續(xù)作業(yè)，擴大作業(yè)窗口期，有效提升作業(yè)效率。近年來，越來越多的船舶所有人認識到該型海工裝備的優(yōu)越性，使其在國際上更多的水域得以利用，由此也對該型裝備提出了更多的功能需求并推動了自升式服務平臺技術(shù)的不斷發(fā)展。目前自升式服務平臺已廣泛應用于海上油田生產(chǎn)以及海上風電施工等各種水上工程中。

自升式平臺受其作業(yè)形式的限制，作業(yè)水深能力是其最重要的指標之一。隨著各種離岸工程和海洋資源的開發(fā)不斷向深海推進，市場對自升式服務平臺的作業(yè)水深提出了更高的要求。隨著作業(yè)水深的增加，傳統(tǒng)自升式服務平臺使用的殼體式樁腿截面增大，所受波浪力大幅增加，樁腿重量增加明顯，經(jīng)濟性急劇下降。桁架式樁腿自升式服務平臺的設(shè)計初衷來源于自升式鉆井平臺，隨著作業(yè)水深的增加，鉆井平臺的樁腿均采用桁架式結(jié)構(gòu)。當作業(yè)水深超過60 m時，桁架式樁腿重量輕，受環(huán)境載荷小的優(yōu)點愈發(fā)突出。隨著大型化自升式風電安裝平臺的出現(xiàn)，桁架式樁腿承受載荷大的優(yōu)點也使其具備更好的經(jīng)濟性。

自升式服務平臺起源于美國，近年來得益于歐洲對自升式服務平臺的大力發(fā)展，功能逐漸多樣化，隨著升降系統(tǒng)技術(shù)的成熟，自升式服務平臺也具備了向大型化發(fā)展的條件，國際上已經(jīng)出現(xiàn)采用桁架式樁腿的大型自升式風電安裝平臺，國內(nèi)也在探尋該方向的發(fā)展需求。

早期的自升式服務平臺由自升式鉆井平臺簡化而來，一般設(shè)置3條樁腿，尺度較小，并配備輔助推進裝置。后經(jīng)歐洲市場大力推廣，逐步演變?yōu)?條樁腿形式，帶有推進裝置并具有動力定位能力。國外已有取得船級社自航符號的自升式服務平臺，并逐漸成為新造自升式服務平臺的主流配置。國內(nèi)已具備設(shè)計平臺推進裝置進行輔助推進的成功經(jīng)驗，近年來受國際潮流影響，也陸續(xù)開始從事自升自航式服務平臺的基本開發(fā)設(shè)計。桁架式樁腿在該型平臺上的成功應用可使該型平臺應用到更深的水域，獲得更大的市場空間。

1 桁架式樁腿自升自航式服務平臺概況

本文研究的平臺入級美國船級社，掛巴拿馬旗。平臺主體為船型外觀，由于是自航式平臺，有嚴格的航速指標，因此平臺尾部設(shè)置3臺全回轉(zhuǎn)推進器，首部設(shè)置3臺管隧式側(cè)向推進器。平臺有4條桁架式樁腿，采用電動齒輪齒條升降方式，樁腿底部設(shè)有樁靴，可適用于多種土層升降作業(yè)，最大作業(yè)水深80 m。

平臺主要作業(yè)形式是航行至預定區(qū)域并定位，利用升降裝置及樁腿將平臺主體抬離水面，獲得穩(wěn)定的作業(yè)平臺，為各種離岸工程提供支持服務。因此，該平臺設(shè)置了2臺繞樁式起重機，單臺最大起重能力為300 t。繞樁式起重機不占用甲板面積，并最大限度地減小起吊作業(yè)盲區(qū)對舷內(nèi)和舷外的影響，增大起重機有效吊距對甲板的覆蓋范圍。

作為海上服務平臺，居住能力是重要考核指標。平臺首部設(shè)有可居住250人的生活區(qū)，生活區(qū)主要位于主甲板以上，共4層，駕駛和控制中心位于上建最頂部的第5層。平臺上建前部設(shè)有直升機平臺，在平臺站立狀態(tài)下可供直升機起降，適停機型為S92A/S61N。

1.1 主要尺度及參數(shù)

平臺主尺度見表1。該平臺按照美國船級社和巴拿馬當局的有關(guān)規(guī)范、規(guī)則要求進行設(shè)計，取得美國船級社[1]如下船級符號：ABS，*A1，Self Elevating Unit，*AMS，*DPS-2，CRC，HELIDK(SRF)，ENVIRO-OS，CPS，MLC-ACCOM。平臺總布置如圖1所示。

表1 主尺度 m

圖1 平臺總布置

1.2 主要功能

結(jié)合船級符號歸納該平臺的主要功能如下：(1)該平臺以國際海事組織發(fā)布的《2009年海上移動式鉆井平臺構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》為基礎(chǔ)法規(guī)，按照美國船級社相關(guān)規(guī)定進行設(shè)計，屬于自升式平臺。(2)該平臺為自航式平臺，推進器并非僅作輔助推進，還使得該平臺在目標水域作業(yè)時不需要配備拖船守護，設(shè)計航速為6 kn。(3)該平臺具有DP 2動力定位能力，機械配置上須根據(jù)規(guī)范要求考慮冗余。(4)該平臺配置直升機平臺，并具有直升機加油裝置，設(shè)計中需注意加油裝置的布置及危險區(qū)域的影響。(5)該平臺具有MLC-ACCOM符號，意味著該平臺的船舶舒適度具有較高水平，滿足國際勞工大會發(fā)布并已生效的《2006年海事勞工公約》。(6)該平臺具有環(huán)保船級符號，同時在設(shè)計中根據(jù)船舶所有人提供的設(shè)計輸入要求，須滿足UK HSE[1]的相關(guān)要求，并滿足北海作業(yè)要求。(7)該平臺額定乘員為250人，除生活區(qū)配置滿足乘員要求外，平臺救生設(shè)備根據(jù)船舶所有人要求按照300人進行配備，主要是考慮到平臺作業(yè)過程中臨時人員的救生需求。(8)該平臺配備2臺繞樁式起重機，單臺最大起重量為300 t，具有各種近岸工程施工和海上油田維護等能力。(9)該平臺甲板面積達1 500 m2，設(shè)計最大可變載荷為2 000 t。

2 關(guān)鍵技術(shù)要點

2.1 船型選取及主尺度優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計輸入要求的甲板面積以及生活區(qū)容量，初步確定平臺型寬和型長，并結(jié)合功能需求進行初步的總體布置。對于平臺的型深，初步方案階段根據(jù)機械設(shè)備的布置需求以及電纜和通風管系的布置等進行確定，同時應結(jié)合自持力要求確定各類液艙的艙容和位置。型深的確定還須滿足浮態(tài)時干舷的要求以及為平臺拔樁提供足夠的儲備浮力。

平臺總體布置初步完成后，將經(jīng)過初步估算的樁腿布置到平臺上，并對平臺的重量和重心進行初步的統(tǒng)計估算。根據(jù)平臺重量和可變載荷指標，確定平臺的設(shè)計吃水，根據(jù)平臺的整體重心，調(diào)整樁腿的位置，使得4條樁腿形成的幾何中心位置盡量與平臺的重心接近。而且平臺船體的浮心位置也應盡量與平臺重心接近，這樣可使平臺進行升降操作前的調(diào)載準備工作大幅減少，提高作業(yè)效率。另外，為了最大程度地發(fā)揮升降裝置的能力，應考慮使平臺不計樁腿、樁靴的船體部分重心位置盡量保持在4條樁腿的幾何中心附近，從而保證進行升降作業(yè)時每條樁腿及升降裝置的受力基本一致。

初步方案確定后，進行樁腿強度校核和性能校核，根據(jù)校核結(jié)果進一步調(diào)整主尺度并優(yōu)化分艙布置，不斷接近最優(yōu)主尺度?？傮w方案確定流程如圖2所示。由于該平臺為自航平臺，航速有嚴格的考核要求，在船型確定前，須進行船體模型的水池拖曳試驗。試驗對樁靴外置于船體和收進船體內(nèi)2種情況進行了比較，結(jié)果表明：樁靴如果外置，船體所受阻力將較收進船體時增加50%。由此確定了將樁靴收進船體內(nèi)的方案。

圖2 總體方案確定步驟

2.2 樁腿選型

圖3 樁腿主弦桿

樁腿的參數(shù)是影響平臺主尺度的最主要因素之一。該平臺的作業(yè)水深超過以往任何同類型平臺，經(jīng)過計算論證可知：殼體式樁腿已不適用。研究表明：當作業(yè)水深超過60 m時，殼體式樁腿的經(jīng)濟性急劇下降。因此，該平臺樁腿選擇桁架式。

在自升式鉆井平臺上普遍采用三角桁架式樁腿，即使用3根主弦桿與若干水平及斜撐桿焊接而成。主弦桿由2個半圓形管和中間的齒條板構(gòu)成，如圖3所示。根據(jù)斜撐桿的分布形式又分為K型、X型等結(jié)構(gòu)形式。該平臺較多采用K型三角桁架式樁腿進行優(yōu)化計算，對樁腿強度在所有可能出現(xiàn)的工況(自存、作業(yè)、預壓載)下進行分析，確定樁腿的尺度。

自升自航式服務平臺與自升式鉆井平臺的作業(yè)形式存在差異，其浮態(tài)航行或拖航工況占生命周期的較大部分，受海洋風、浪、流等因素影響顯著。在外載荷作用下，平臺產(chǎn)生搖蕩運動，在樁腿上產(chǎn)生較大的慣性載荷，會對樁腿強度產(chǎn)生較大影響[2]。因此，對于樁腿的強度考核需特別注意拖航時的極限工況。

2.3 升降裝置選型

對于三角桁架式樁腿，普遍采用每一主弦桿兩側(cè)對置升降齒輪的布置方式，該方式使樁腿單根主弦桿的受力均衡。確定了升降裝置的布置方式后，根據(jù)平臺除樁腿、樁靴之外的重量及重心位置，輸入滿足設(shè)計需求的可變載荷，確定升降裝置所需的總舉升力，進而確定齒輪的數(shù)目。

升降裝置的選型還必須考慮齒輪的支持力是否滿足各工況的要求。自升式服務平臺單次服務周期相對較短，且移動比較頻繁，如使用自升式鉆井平臺上配置的鎖緊系統(tǒng)，操作非常不便。該平臺升降到位后，利用升降裝置的支持力鎖緊樁腿，作業(yè)時所有自身和外部載荷最終均由升降齒輪承擔，此時考核的是升降裝置的支持力。支持力的選定取決于極限工況，自升式平臺的極限工況通常為風暴自存工況，但是對于自升式服務平臺而言，不必如自升式鉆井平臺那樣在最大設(shè)計水深情況下抵御100 kn風速的風暴，而是可以選擇風暴來臨前遷移到水深較淺的水域進行升樁避風，從而降低升降系統(tǒng)成本。因此，該平臺的極限工況還需選擇其他工況計算比較后才能確定，例如最大作業(yè)水深下70 kn風速待命不撤離工況，以及起重機作業(yè)工況等。升降齒輪的支持力對成本影響較大，應根據(jù)使用需求權(quán)衡確定。

在確定齒輪總的舉升力時，應充分考慮升降系統(tǒng)的效率以及樁腿與齒輪及船體之間的摩擦等因素，避免出現(xiàn)舉升力不夠的情況。而且自升式服務平臺升降作業(yè)頻率大，升降裝置的疲勞壽命是選型時關(guān)注的重要指標。

2.4 總體強度

自升式平臺除對漂浮狀態(tài)時的船體強度進行評估外，還需對站立狀態(tài)各工況下船體總體強度進行分析和校核，站立狀態(tài)考核工況可歸納為風暴自存、作業(yè)和預壓載3種。自升式平臺在站立狀態(tài)時主要承受自重、環(huán)境載荷及海床通過樁腿傳遞的支撐載荷，對于自升式平臺的自重，在站立狀態(tài)總體強度分析時須選擇甲板可變載荷最大時的滿載狀態(tài)，且甲板可變載荷應布置在使結(jié)構(gòu)物總體強度最大的位置[3]。該平臺為控制成本，在進行風暴自存狀態(tài)考核時，采取降低可變載荷的方式，這在實際作業(yè)時也是切實可行的。該平臺還需對起重機起吊作業(yè)工況進行校核，考慮自重負荷時應區(qū)分起重負荷是否劃歸到總的載荷中。該平臺預壓載采取對角樁腿同時預壓的方式，選取所有工況中最大的樁腿支反力為目標載荷，對總體強度進行校核和分析。

2.5 拖航穩(wěn)性

平臺拖航狀態(tài)分為遠洋拖航和油田拖航2種[4]。自升式平臺拖航時樁腿升起，由于樁腿的重心較高導致平臺整體重心顯著升高，且所受風傾力矩較大，對拖航造成非常不利的影響。該平臺的穩(wěn)性衡準除基于IMO MODU CODE[5]、ABS規(guī)范[6]外，還需遵循UK HSE[1]的相關(guān)要求。

該平臺的完整穩(wěn)性分析，對于遠洋拖航采取強風暴工況考核，最小風速取51.5 m/s(100 kn)，而對于油田拖航，最小風速取36 m/s(70 kn)。由于樁腿完全收回時平臺重心較高，計算發(fā)現(xiàn)遠洋拖航不能滿足穩(wěn)性衡準要求，如進一步增加平臺主尺度，會影響平臺的經(jīng)濟性?？紤]到自升式鉆井平臺有將樁腿下放一定高度后進行遠洋拖航的先例，該平臺經(jīng)核算，確定進行遠洋拖航時將樁腿下放20 m以滿足完整穩(wěn)性衡準要求。

破損穩(wěn)性衡準要求平臺在破損工況下具有足夠的儲備穩(wěn)性，使其承受來自任何方向的25.8 m/s(50 kn)風速所產(chǎn)生的風壓側(cè)傾力矩。結(jié)合完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性校核結(jié)果，確定平臺的極限許用重心高度，該結(jié)果應作為安全限制條件記錄于平臺的操作手冊中。

拖航穩(wěn)性受風載荷的影響較大，桁架式樁腿風載荷一般采用簡化模型進行計算分析，研究表明：將整個桁架式樁腿截面等效為正三角形或圓形，計算得到的桁架樁腿風載荷比較接近實際情況[7]。該平臺樁腿風載荷采取將整個樁腿等效為圓柱形的方法進行計算。

2.6 動力配置

該平臺船體經(jīng)過模型拖曳試驗，確定了船體總阻力。平臺航行時除水流阻力，還受風阻力的影響，為確保航速指標，應綜合考慮平臺船體的水流阻力以及平臺所受的風阻力，從而確定平臺所需的推進總功率。在推進器的數(shù)量上，如使用2臺尾部推進器，則單臺功率較大，設(shè)備外形需要船體具有較大型深才可布置，且不利于動力定位冗余的要求，缺乏經(jīng)濟性，因此該平臺采用3臺尾部推進器。由于該平臺型寬較大，推進器之間間隔距離較遠，相互之間不會影響。尾部推進器采用電動變頻全回轉(zhuǎn)技術(shù)，屬于當前主流配置。根據(jù)動力定位分析確定首部推進器總功率，并采用3臺管隧式側(cè)向推進器，首部推進器數(shù)量和尾部推進器數(shù)量保持一致，有利于動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

經(jīng)電力負荷分析，確定該平臺所需最大功率工況為動力定位下放樁腿狀態(tài)，根據(jù)需要的總功率進行主發(fā)電機選型。經(jīng)過對各種工況進行電力負荷分析，確定發(fā)電機組的單臺功率和發(fā)電機組數(shù)量，在選型過程中應重點關(guān)注平臺最常用工況下發(fā)電機組的經(jīng)濟性，另外該平臺有動力定位冗余要求，發(fā)電機組選型時必須考慮相應機組失效后亦可滿足動力定位的相關(guān)要求。

2.7 錨泊定位分析

該平臺應船舶所有人要求，配置了4點錨泊定位系統(tǒng)，作為平臺輔助定位手段。針對錨泊定位工況使用三維勢流撓射/輻射的源匯分布法和懸鏈線法進行耐波性運動響應分析和錨泊分析的水動力計算。這些方法目前已經(jīng)廣泛應用于海洋工程的水動力計算分析中。根據(jù)設(shè)計輸入環(huán)境條件，考慮平臺最大作業(yè)水深80 m時使用錨泊定位并進行下樁操作。除考慮浪、流作用力外，由于樁腿下放，還需特別考慮樁腿及樁靴所受到的浪、流載荷的作用。該平臺不取得船級社錨泊定位入級符號，因此錨泊定位能力僅需根據(jù)船舶所有人提供的目標水域水文資料計算確定。該平臺為自航式平臺，根據(jù)美國船級社的要求需配備臨時錨泊設(shè)備，該平臺使用4點錨泊定位系統(tǒng)中的首部左舷1套錨泊定位系統(tǒng)兼作臨時錨泊設(shè)備以達到規(guī)范的要求。

2.8 生活區(qū)布置

海上居住支持作為該平臺的主要功能之一，對生活區(qū)的舒適度要求較高。生活區(qū)的功能分區(qū)應清晰：主甲板及主甲板以下區(qū)域環(huán)境相對較差，一般為公共服務處所；上建第二層向上等屬于住宿環(huán)境較好的區(qū)間，人員住宿房間均布置于此；視線范圍最佳的頂層為駕駛和控制中心。

平臺定員較多，生活區(qū)面積大，在布置上應滿足使用方便的要求，以安全性為根本，逃生線路清晰明了并滿足規(guī)范要求。該平臺需要取得船級社MLC-ACCOM符號，由于該平臺的掛旗國巴拿馬的法規(guī)未要求自升式平臺艙室設(shè)備按照《2006年海事勞工公約》設(shè)計，經(jīng)與船舶所有人溝通，在滿足船級社要求的前提下，僅將持有相關(guān)證書的18名船員的艙室設(shè)備按該公約要求進行設(shè)計。

2.9 噪聲振動控制

該平臺取得ABS船級社MLC-ACCOM符號，ABS相關(guān)規(guī)范[8]對噪聲振動指標有嚴格的要求。為控制噪聲和振動，應從布置上將噪聲和振動源盡量遠離生活區(qū)。該平臺的主要噪聲及振動源為尾部推進器、機艙和首部側(cè)向推進器。生活區(qū)位于平臺的首部，機艙和尾部推進器均位于平臺的尾部，對生活區(qū)基本無噪聲和振動方面的影響。首部側(cè)向推進器工作時產(chǎn)生的噪聲及振動對生活區(qū)的影響較明顯，設(shè)計階段應做好充分的降噪措施，一般可使用常規(guī)隔音材料，如阻尼材料進行隔音降噪等。

噪聲標準對于艙室圍壁的隔音指數(shù)有明確要求，設(shè)計階段應注意圍壁形式和材料的選取須滿足船級社的相關(guān)要求并取得相應證書。對于房間噪聲的控制，比較容易忽略的還有空調(diào)及通風系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲，此外還要注意房間出風口布風器等的選型。

2.10 直升機平臺相關(guān)設(shè)施

本自升式服務平臺設(shè)有直升機加油設(shè)施，布置上應滿足障礙區(qū)域的相關(guān)要求，還應注意加油設(shè)施的危險區(qū)域劃分，避免在危險區(qū)域范圍內(nèi)布置電氣設(shè)備。劃分危險區(qū)域時應注意除油罐和分配器的布置，直升機平臺漏油收集柜也屬于危險區(qū)域。

由于本服務平臺屬于自航平臺，而直升機平臺一般位于上建的前部，直升機平臺及其相關(guān)設(shè)施的布置應注意不能影響平臺的駕駛視線，同時還須考慮雷達的掃描范圍，避免直升機平臺在雷達掃描范圍內(nèi)形成盲點。

3 結(jié) 語

本文響應了自升自航式服務平臺向深水推廣的市場需求，闡述了一款桁架式樁腿自升自航式服務平臺總體開發(fā)設(shè)計過程，并對其中的關(guān)鍵問題進行了總結(jié)。自升自航式服務平臺使用桁架式樁腿有利于該型裝備應用于更廣泛的水域，推動了該型裝備向大型化發(fā)展，促進其應用于海上風電安裝等更多領(lǐng)域。相較常規(guī)自升式服務平臺，自升自航式服務平臺的設(shè)計難點主要在于樁腿的尺度優(yōu)化選型，可提升該型裝備的經(jīng)濟性。