半潛平臺舉力駁頂升減載起浮出塢技術

(招商局重工(江蘇)有限公司， 江蘇 海門 226100)

隨著半潛平臺尺度越做越大，吃水隨之不斷增加，國內(nèi)現(xiàn)有船塢深度已不能滿足此類平臺常規(guī)起浮出塢的要求，迫切需要研究解決此類大吃水平臺的出塢方案。舉力駁頂升減載起浮出塢技術是對這類問題很好的解決方案，在低平潮時段將舉力駁拖至平臺下方，舉力駁隨著漲潮而上升最終將平臺托舉起浮。本文以實際案例介紹該技術方案的實施。

1 半潛平臺技術參數(shù)

平臺三維效果見圖1。

圖1 平臺三維效果

總長×船寬×主甲板高度(全船)：137.75 m×81.00 m×42.80 m；型長×型寬×型深(主浮筒)：137.75 m×19.50 m×12.00 m；型長×型寬×型深(輔浮筒)：122.00 m×13.50 m×12.00 m；最大作業(yè)吃水：26.4 m；自存吃水：17.00 m；拖帶吃水：10.5 m；排水量(水深20 m)=49 750 t；起重能力：2×2 200 t；生活區(qū)：750人。

2 干船塢及周邊水文、氣象條件分析

2.1 干船塢

招商局重工(江蘇)有限公司干船塢尺度為530 m(長)×130 m(寬)×13.80 m(深)。船塢工程塢頂?shù)孛娓叱?7.00 m(吳淞高程，下同)，塢底板面標高-6.80 m，塢墩頂面標高-5.00 m，塢外江底標高-6.00 m。

2.2 水文分析

1)潮汐特征。干船塢位于長江下游感潮河段，長江口為中等強度的潮汐河口，為非正規(guī)半日混合潮型，日不等現(xiàn)象比較明顯。潮水位每日2漲2落，漲潮平均歷時遠小于落潮。本河段潮位在天文大潮與臺風遭遇時形成風暴潮，出現(xiàn)特高潮位。根據(jù)船塢對岸徐六涇水位站的資料統(tǒng)計(1982—2001年)，本河段的潮位特征值如下(吳淞高程，下同)。

歷年最高潮位：6.75 m；

歷年最低潮位：0.33 m。

2)設計水位。

設計高水位：4.66 m(高潮累積頻率10%)；

設計低水位：1.10 m(低潮累積頻率90%)；

校核高水位：6.29 m(50年一遇高潮位)；

校核低水位：0.32 m(50年一遇低潮位)；

進出塢水位：+2.5 m(極限+3.0 m)。

2.3 氣象分析

江蘇省海門地區(qū)屬亞熱帶氣候，四季分明，雨量充沛。本地區(qū)多年平均風速3.4 m/s，常風向E 向，頻率10%；次常風向NE、ESE頻率為9%。夏季常風向SE 向，冬季主導風向NNW 向，強風向ESE 向，實測最大風速17 m/s；次強風向SSE 向，實測最大風速16 m/s。瞬時極大風速 26.3 m/s。

年平均6 級(10.8 m/s)以上大風天數(shù)20 d；年平均7 級(13.8 m/s)以上大風天數(shù)12.8 d。

2.4 出塢潮汐、天氣選擇結果

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，塢底標高-6.8 m，塢墩頂面標高-5 m，極限出塢潮高+3 m，安全間隙0.5 m，因此，平臺出塢吃水需要小于7.5 m。

規(guī)范要求，出塢風速要≤6級(10.8 m/s)，本地區(qū)風速小于6級以下天數(shù)為336 d，因此，選擇10.8 m/s產(chǎn)生的風力作為有限元計算舉力駁和平臺強度的環(huán)境參數(shù)。

3 出塢作業(yè)流程

1)舉力駁疊加及頂升工裝安裝。舉力駁(見圖1)由振駁19、振駁26、振駁28這3艘駁船疊加而成。3艘駁船之間鋪設魚骨墩作為力的傳遞載體，駁船之間采用柔性連接。頂升工裝布置6縱5橫，共計30組，每組之間采用20#槽鋼交叉相連，工裝和振駁28之間采用剛性角焊縫連接；頂升工裝由下部滑道梁、中部圓柱型支墩、上部滑道梁，各結構之間使用剛性角焊縫連接；為方便調(diào)整枕木頂面水平度，枕木采用2組4塊楔木組合，枕木頂面先完成初調(diào)平，調(diào)平精度±25 mm。振駁19兩舷安裝14組SA600橡膠護舷，作為駁船進出平臺空擋時碰擦的緩沖；駁船主甲板外圍安裝一圈高1.2 m防浪墻，下潛分離時防止駁船甲板上浪；駁船主甲板艏部安裝1只、右舷安裝2只桁架式拖輪靠靶，作為駁船下潛分離時拖船的?？奎c位。振駁28尾部安裝2根定位樁，在駁船進檔到位時，定位樁和平臺甲板包靠實，定位樁頂部綁扎直徑80 mm纜作為到位緩沖。

2)開塢門、舉力駁進塢。塢內(nèi)注水，同時進行平臺防起浮壓載(大浮筒)；高平潮時打開塢門(塢門吃水7.4 m，潮位底時無法起浮)，使用2條拖船將舉力駁綁拖進塢定位，見圖3。振駁19兩側與塢邊小車相連，作為調(diào)整左右的動力，艉部與北塢墻上2臺100 kN絞車交叉相連，作為前進的動力。纜繩帶緊后拖船撤出。

3)關閉塢門、舉力駁定位。高平潮時關塢門，將塢內(nèi)水深排至6 m(與吳淞零點平，同時排出大浮筒防起浮壓載水)，此時枕木與平臺反頂間隙1.3 m，然后將舉力駁牽引到平臺下方(見圖4)指定位置。在牽引過程中通過調(diào)整塢邊小車松緊控制駁船方位，防止駁船與平臺主船體碰擦。在距離指定位置還有10 m左右時，需降低駁船牽引速度，減輕靠靶與平臺甲板包的碰撞力。

圖2 舉力駁結構及原理示意

圖3 舉力駁塢內(nèi)帶纜定位

圖4 舉力駁牽引至平臺下方

4)漲水時塢內(nèi)放水、平臺起浮。舉力駁隨水位上升并將平臺托舉起浮；平臺甲板包內(nèi)部開檔48 m，長度80 m，平臺反頂甲板不平整度30 mm；在枕木開始與甲板包反頂接觸時，停止往塢內(nèi)放水，開始打緊沒有貼實的枕木，注意打緊的力道需要相等；待全部楔木與甲板反頂貼實后，塢內(nèi)繼續(xù)放水直到平臺起??；在整個起浮過程中需要監(jiān)查工裝、駁船和平臺的結構有無變形，如有變形立即停止起浮。(理論計算潮高2.3 m時完全起浮，舉力駁給平臺提供86 000 kN舉力，將平臺吃水由9.8 m降低至7.3 m)。

5)打開塢門、平臺和舉力駁整體出塢。使用塢邊小車將平臺牽引到塢口，靠塢西側并帶纜等待拖輪編隊，拖船編隊結束后解纜起拖。

6)平臺拖帶靠碼頭。艉部2條拖船吊拖，左側靠2條拖船控制船位，艏部1條拖船倒拖，將平臺拖至碼頭靠泊帶纜。

7)舉力駁壓載下潛分離。舉力駁與平臺之間帶纜，舉力駁使用自身壓載系統(tǒng)進行壓載下潛，在下潛過程中，平臺需要壓載調(diào)平，當枕木與平臺分離并產(chǎn)生0.2 m間隙時將舉力駁拖出，拖出過程中需要控制駁船和與平臺之間纜繩的松緊，防止駁船受風力和流壓作用與平臺碰擦(分離時舉力駁吃水7.4 m、平臺吃水9.8 m，舉力駁壓載23 040 kN、平臺調(diào)平壓載3 350 kN)[1]。舉力駁下潛分離見圖5。

圖5 舉力駁下潛分離

4 技術可行性分析

4.1 浮態(tài)計算分析

1)平臺重量控制。平臺的重量控制不僅包含平臺重量的控制，還包含平臺重心的控制。重量控制的目的就是平臺完工后的實際重量重心和預估數(shù)據(jù)接近。為盡可能真實預測和反映平臺實際重量重心，編制重量控制報告。各專業(yè)需要配重量控制專員、項目配重量控制工程師，負責項目重量重心的統(tǒng)計和計算?？刂屏鞒蘙2]如下。

①統(tǒng)計各專業(yè)實際上船安裝設備和物資數(shù)量、重量、位置。

②收集、匯總、檢查重量控制數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)異常與重量控制專員確認和澄清。

③將重量控制報告發(fā)給項目總技術經(jīng)理確認。

平臺空船重:34 070 t,重心高度:25.885 m, 縱向位置:59.261 m, 橫向位置：-3.133 m。

2)舉力駁重量重心計算。舉力駁空船重量:13 828 t,重心高度(BL): 15.455 m,縱向位置(Fr0):54.097 m, 橫向位置(CL)：3.375 m。

3)出塢整體浮態(tài)計算。舉力駁和平臺整體起浮時，水下浮體有平臺主浮筒、平臺輔浮筒、舉力駁(振駁19)，平臺2只浮筒不對稱且艏艉均有雙曲面線形。采用犀牛軟件建模、GHS模型輸入和計算分析法，得到整體起浮吃水7.3 m，調(diào)平壓載1 380 t。

4)下潛分離浮態(tài)計算。平臺左右浮體不對稱，且重心和浮心不在同一條垂線上，在舉力駁壓載下潛過程中，整體重心和整體浮心位置同時變化，這個變化貫穿于整個下潛過程。因此，舉力駁壓載下潛過程中，需要同時進行平臺調(diào)平壓載。駁船壓載下潛過程中，舉力駁對平臺舉力由86 000 kN共分10個步驟逐步降低至0 kN。駁船壓載→平臺調(diào)平壓載→舉力駁壓載循環(huán)進行，保證整個下潛過程平穩(wěn)、均勻。舉力駁壓載總量19 466 t，分離吃水7.2 m,平臺調(diào)平壓載3 377 t，分離后吃水9.8 m。

4.2 穩(wěn)性計算分析

4.2.1 舉力駁穩(wěn)性計算

舉力駁在作業(yè)過程中由于不適用中華人民共和國海事局《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則——國內(nèi)航行海船法定檢驗技術規(guī)則 2011》完整穩(wěn)性衡準，本計算校核參考中國船級社《鋼質海船入級規(guī)范》(2014)第二篇第一章第九節(jié)條款：1.9.6.4 半潛船滿載甲板貨物在舉升甲板入水或出水過程中，其穩(wěn)性應滿足下列衡準：在蒲氏風級不超過 6 級，有義波高不超過 0.5 m 的水域，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于 0.15 m。

1)舉力駁疊加后的初始穩(wěn)性。

2)舉力駁下潛分離時的初穩(wěn)性。

4.2.2 出塢整體穩(wěn)性計算

將舉力駁和平臺作為一個整體建模，使用GHS進行整體穩(wěn)性分析。初穩(wěn)性高為15 m大于穩(wěn)性衡準0.15 m要求，滿足要求。

4.3 拖帶阻力計算分析

為了確定平臺在出塢拖帶過程中需要匹配拖船功率，需要對平臺出塢拖帶阻力進行計算和分析，計算結果如下。

風阻力Raa=0.5σavw2∑CsChAi=406 kN;

流阻力Rc=0.5ρwCdvc2Ac/g==515 kN;

浪阻力Rd=0.125ρwgR2BHs2==23 kN;

總阻力Rt=Raa+Rc+Rd=944 kN。

考慮到拖輪拖帶過程中發(fā)揮75%功率，拖船總系住拖力需大于1 250 kN，拖帶采用艉部2艘頂推、艏部1艘牽引提供前進動力，總系住拖力1 600 kN，滿足要求。

4.4 系泊力計算分析

平臺在靠泊碼頭等待下潛分離作業(yè)期間，需要按照風力10級，流速3 kn，浪高2 m進行系泊力計算和帶纜，確?？坎窗踩?。系泊力計算如下。

風阻力Raa=0.5σavw2∑CsChAi=2 813 kN;

流阻力Rc=0.5ρwCdvc2Ac/g=515 kN;

浪阻力Rd=0.125ρwgR2BHs2=377 kN;

總阻力Rt=Raa+Rc+Rd=3 705 kN。

漲水纜、落水纜及橫纜按照外部環(huán)境載荷大于3 800 kN布置，滿足要求。

4.5 結構強度分析

結構強度分析包含舉力駁強度(包括振駁19、振駁26、振駁28)、工裝結構強度和平臺自身強度校核，確保結構強度滿足要求，不發(fā)生塑性變形或引起結構破壞，保證出塢安全[4]。

4.5.1 振駁19總縱強度分析

振駁19作為提供舉力的載體，同時承載來自平臺的86 000 kN壓力和上方兩艘駁船與工裝的重力。需要校核在該種工況下駁船的總縱強度。計算結果見表1。

實際剪力、彎矩值均小于許用值，總縱強度滿足要求。

4.5.2 振駁19結構強度有限元分析

采用MSC.Patran 與 MSC.Nastran軟件進行有限元分析。模型計算范圍選取振駁19號的全船模型，高度從甲板面至船底板，并在甲板上增加了擋浪板結構。模型網(wǎng)格尺寸取兩相鄰縱骨間距。

約束與邊界條件:整個模型采用慣性釋放，不進行剛性約束，駁船正浮狀態(tài)，平均吃水4.7m，下部約束模擬4.7 m吃水時舉力駁的浮力狀況。

加載：載荷包括自身重量、上部駁船、工裝重量及給平臺提供的86 000 kN舉力，總計157 790 kN。

圖9為振駁19組合應力云圖。表2為振駁19有限元分析結果。

圖6 振駁19組合應力云圖

MPa

許用應力參考ABS 的MODU 3-2-1/3.3，3.11 規(guī)范，許用應力取235/1.43=164。相當應力值在規(guī)范許用范圍內(nèi)，結構滿足強度要求。

4.5.3 振駁26結構強度有限元分析

模型計算范圍選取振駁26號FR13-FR157區(qū)域，高度從甲板面到船底板處。

約束:邊界取船底部自由支持，甲板受壓。

加載:載荷包括上部駁船、工裝重量及給平臺提供的86 000 kN舉力，總計126 220 kN。

表3為振駁26有限元分析結果。

表3 振駁26有限元分析結果 MPa

許用應力參考ABS 的MODU 3-2-1/3.3，3.11 規(guī)范，許用應力取235/1.43=164。計算結果表明，相當應力值在規(guī)范規(guī)定的許用范圍內(nèi)，結構滿足強度要求。

4.5.4 振駁28結構強度有限元分析

模型計算范圍選取振駁28號FR4-FR44受壓區(qū)域，高度從甲板面到船底板處。

約束：邊界取船底部自由支撐，甲板受壓。

加載：載荷包括上部工裝重量及給平臺提供的86 000 kN舉力，總計98 010 kN，在滑道和甲板接觸區(qū)域施加面載。有限元分析結果見表4。

許用應力參考ABS 的MODU 3-2-1/3.3，3.11 規(guī)范，許用應力取164 MPa。

表4 振駁28有限元分析結果 MPa

計算結果表明，相當應力值在規(guī)范規(guī)定的許用范圍內(nèi)，結構滿足強度和安全要求。

4.5.5 平臺結構強度分析

為了校核平臺結構強度，建立14.3 m甲板以上船體結構的有限元模型。

邊界條件：船體模型在14.3 m甲板約束(x、y、z位移約束,x、y、z轉角釋放)。

載荷：駁船與滑道的反頂力為86 000 kN，考慮到存在不確定的環(huán)境因素，在計算分析中，載荷放大系數(shù)取1.5，故模型施加滑道反頂力大小為129 000 kN，平均施加在與滑道接觸的底板上。

組合應力見圖7，平臺有限元分析結果見表5。

圖7 組合應力云圖

許用應力參考ABS 的MODU 3-2-1/3.3，3.11 規(guī)范，取355/1.43=248 MPa。船體結構最大應力為232 MPa，滿足要求。

上述論證結果顯示，平臺起浮、出塢、下潛分離過程中，水文、氣象、方案可操作性、浮態(tài)、穩(wěn)性、拖帶阻力、系泊力、結構強度均滿足要求，方案可行。

5 結論

2018年9月29日該技術成功實施，順利完成平臺起浮、整體拖帶出塢、碼頭靠泊、舉力駁下潛分離作業(yè)，填補了半潛平臺使用舉力駁減載起浮法出塢的技術空白，解決了半潛平臺因吃水大出不了塢的難題。該技術具有安全性高、操作簡單、成本底等優(yōu)勢。