自升式海上勘探平臺設計要點研究

李煌靈

摘 ?要：自升式海上勘探平臺可營造陸地勘探環(huán)境，可使海上地質勘探作業(yè)不受風、浪、涌的影響。該文結合自升式海洋平臺及地質勘探的具體要求，從平臺安全性、經(jīng)濟性、操作便利性和舒適性等方面對自升式海上勘探平臺的設計進行了闡述，并就設計建造過程中可能出現(xiàn)的空船重量超重及振動噪聲等問題提出了解決方法。

關鍵詞：自升式平臺;勘探;樁腿強度分析

中圖分類號：U47 ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

與傳統(tǒng)的勘探船相比，自升式海上勘探平臺可營造陸地勘探環(huán)境，可使海上地質勘探作業(yè)不受風、浪、涌的影響，提高了勘探精度和效率，改善了作業(yè)人員的工作環(huán)境。與其他自升式平臺相比，該平臺的設計重點在于安全性、經(jīng)濟性、操作便利性和舒適性[1]。

1 平臺設計目標

該平臺主要用于江蘇、浙江沿海及福建沿海一帶，這些區(qū)域水文環(huán)境復雜，海床地質差異極大，為了提升勘探作業(yè)的效率，要求平臺具有能在惡劣海況下工作的能力，從而加大海上勘探作業(yè)的窗口期。

經(jīng)過綜合考慮多方面因素，最終確定為四樁腿自升式非自航平臺。該平臺長29 m，寬22 m，型深3.5 m，可變載荷280 t，樁腿長度56 m，最大作業(yè)水深35 m，可供25人居住。另外，該平臺采用液壓齒輪齒條式升降系統(tǒng)，配備2臺180 kW主發(fā)電機組和一臺64 kW應急兼停泊發(fā)電機組。在首部工作甲板區(qū)域設有兩個月池，可實現(xiàn)一次站樁多點勘探，減少平臺移位次數(shù)，可在7級風時正常進行勘探作業(yè)，同時在面臨極端惡劣風暴狀況時，該平臺可在18 m水深抗不大于100節(jié)暴風。

2 平臺整體規(guī)劃

平臺的總布置以工作安全、整體布局合理為原則，綜合考慮平臺的各類功能艙室布置、四點錨泊、固樁架、救生艇和起重機等的布置要求[2]。

平臺定員為25人，主甲板以上分兩個功能區(qū)域，尾部的生活區(qū)和首部的工作區(qū)。其中尾部的生活區(qū)以功能分層和簡潔實用為原則，共計分3層，其中最下一層為功能艙室，設有實驗室、廚房、餐廳等;第二層為人員居住處所，設有人員住艙、廁所和盥洗室;第三層為控制處所，設有控制室和會議室。主甲板以下主要設有機艙、輔機艙、燃油艙、淡水艙、壓載艙等，其中為機艙和輔機艙集中布置在平臺中部，既體現(xiàn)了功能艙室的集中布置原則，也使得設備處所遠離居住區(qū)，減小了設備噪聲的影響，給平臺上的工作人員提供了良好的休息環(huán)境。

主甲板的前部為工作區(qū)，尾部為生活區(qū)，升降系統(tǒng)和四點錨泊布置在平臺四角，起重吊和潛水泵靠邊布置，該布置在體現(xiàn)功能分區(qū)的原則上，盡可能增大了作業(yè)甲板的凈面積。

01甲板為平臺工作人員的居住區(qū)，其中4人間5個，2人間2個，1人間1個，廁所和盥洗室公用，布置在兩側，該布置體現(xiàn)了簡潔實用的布置原則，在不影響人員居住條件的情況下，盡可能地減小了布置空間。

02甲板設有控制室和會議室，另外，甲板的兩側也作為救生艇的登乘平臺，布置簡潔合理。

主甲板下設有機艙、輔機艙、燃油艙、淡水艙、壓載艙、緩沖艙、艙底水艙、生活污水艙和空艙。其中輔機艙和機艙集中布置在平臺中部，該布置體現(xiàn)了機械處所的集中布置原則，方便使用。為簡化管系的設置，將緩沖艙布置在平臺的首部，同時兼做壓載艙使用。

3 設計要點研究

針對該平臺的使用要求，總體設計原則要求安全性、經(jīng)濟性、操作便利性和舒適性[3]。下面就部分設計重點進行闡述。

3.1 樁腿強度分析

該平臺主體完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性主要通過 NAPA進行分析評估，結構通過FEA有限元分析軟件進行分析，而平臺樁腿強度分析主要通過SACS軟件進行。

3.1.1 樁腿結構圖

平臺樁腿直徑取 1.8 m，考慮建造簡單及焊接的可行性，樁腿選擇 EH36材料，樁腿每1.5 距離設置環(huán)形T型材結構以防止樁腿外板屈曲，樁腿頂部設置平臺保證樁腿的密封性，樁腿外板厚度根據(jù)樁腿強度計算確定。

3.1.2 樁腿結構強度計算

根據(jù)平臺的作業(yè)工況，采用SACS軟件建立樁腿模型，根據(jù)規(guī)范施加風載荷、波流載荷、平臺起升重量載荷、P-△載荷，波流動力響應產(chǎn)生的慣性載荷，經(jīng)過計算樁腿強度滿足規(guī)范要求，確保樁腿在作業(yè)下的安全性。

根據(jù)幾種作業(yè)工況、自存狀態(tài)及遠洋拖航狀況下的計算結果，樁腿強度因子均小于1， 單齒最大受力小于100 t，樁腿強度及升降系統(tǒng)受力均滿足規(guī)范要求。

3.1.3 平臺抗傾覆穩(wěn)性

平臺站立工況下，在環(huán)境載荷作用下應具有足夠的抗傾覆能力，在設計動力放大效應及 P-△效應后，平臺的抗傾穩(wěn)性應滿足下述要求：Mk/Mq≥Kq。（其中Mk：坐底時的抗傾力矩（kN·m），Mq：坐底時的傾覆力矩（kN·m），Kq：抗傾安全系數(shù)，為 1.1）。

根據(jù)樁腿整體強度計算模型可得平臺在所有外載荷作用下的傾覆力矩，同時根據(jù)平臺重量、可變載荷、樁腿樁靴重量可計算出抗傾覆力矩，根據(jù)樁腿計算結果，各種作業(yè)工況下安全系數(shù)均滿足要求。

3.2 空船重量限制

為了減輕結構重量，平臺主船體采用高強度鋼并用MSC.PATRAN/NASTRAN 軟件建立整船有限元模型，通過計算分析平臺各作業(yè)工況下的應力分布情況，然后根據(jù)計算結果優(yōu)化結構尺寸，使得結構既滿足強度要求，保證平臺的安全性，又不至于強度富裕過大，增加結構重量。

設計階段為了及時掌握結構重量重心信息，采用NAPA-STEEL軟件建立全船結構模型，將全船的鋼結構（板材、骨材）等結構全部反映出來，可以快速地得到全船的重量重心，也可提取不同規(guī)格的結構重量，為船廠掌握全船鋼料信息提供支撐。嚴格按照程序送審設計圖紙，單位充分評估平臺各部重量。

3.3 沖樁系統(tǒng)設計

沖樁系統(tǒng)的設計主要用于拔樁前后沖刷樁靴表面，防止拔樁時由于吸附力太大造成事故。該平臺沖樁系統(tǒng)包含高壓水沖樁和低壓水沖樁。

高壓沖樁水由1臺高壓沖樁泵從海水箱吸水并經(jīng)管路輸送至各樁腿附近，然后通過由壬連接軟管與樁腿上沖樁由壬接頭連接，而實現(xiàn)高壓水沖樁。低壓沖樁水則由消防泵提供，消防水經(jīng)管路輸送至樁腿附近后通過由壬連接軟管與樁腿上沖樁由壬接頭連接，而實現(xiàn)低壓水沖樁。

每條樁腿上每間隔3 m設有一對沖樁開口，共設有13對沖樁孔。每個沖樁孔上分別設有至樁靴上環(huán)和下環(huán)沖樁由壬接頭各1個，由壬接頭尺寸為10 cm。樁靴上下表面均設有沖樁噴嘴，每個表面設有6個DN32沖樁噴嘴。樁靴表面沖樁噴嘴處設置DN80半弧形護管，護管兩端設置封板并使封板與樁靴表面留有 10 mm 流水孔間隙。該護管除起到導流以使沖樁水沿樁靴表面沖刷外，還起到保護作用，以防止噴嘴堵塞。

3.4 噪聲與振動控制

各種船舶及海上平臺是一個相對封閉的工作和生活環(huán)境，由振動源引起的船舶結構振動和噪聲源引起的空氣噪聲和結構噪聲不僅影響長期工作和生活在平臺上的人員的休息，也容易引起精神疲勞，從而工作效率下降。另外，產(chǎn)生噪聲的振源是造成平臺結構疲勞破壞的根源之一，不利于機電設備的正常運行，對平臺的使用壽命和安全性產(chǎn)生影響。為實現(xiàn)減振降噪，該平臺主要采取如下技術手段。1）從布置上進行優(yōu)化處理，通過對工作區(qū)與居住區(qū)進行合理劃分，相互不干涉不影響，特別是將主要振動噪聲源（機艙）與居住區(qū)的隔離布置，使得本平臺區(qū)域劃分明確，有利于振動和噪聲的隔絕。 2）船體結構進行有限元分析評估船體低階固有頻率， 避免和主要動力設備發(fā)生共振。3）噪聲源與其他公共服務區(qū)相鄰限界面局部敷設隔音隔熱絕緣。 4）在海上試驗過程中，測試全船的局部振動響應和艙室噪聲，全面驗證減振降噪的效果。

3.4.1 振動控制

3.4.1.2 設備振動控制

機艙內的發(fā)電機、空壓機和各類泵等在工作時產(chǎn)生的振動是船舶最大的振動源，柴油機、空壓機等設備振動能量主要集中于低頻，屬于人體最敏感的頻率范圍，設備振動能量激起船體鋼結構振動，傳遞到平臺各處所，處理方式主要是合理加強設備基座。

3.4.1.2 平臺振動控制

平臺振動是結構隨時間做周期性運動，這種運動會對結構產(chǎn)生交變應力，加速結構的疲勞損傷，輕則引起乘員及船員的不適，重則影響機器設備的正常工作，甚者造成結構的疲勞破壞，從而降低船舶的使用壽命。設計時應將平臺主題整體模態(tài)頻率和艙室局部模態(tài)頻率避開柴油機、電站的擾動頻率，避免出現(xiàn)共振;結構布置上，應注重結構的環(huán)閉形式，保證鋼質艙壁在高度和長度上盡量延伸。

該平臺所采用的主要結構減振措施有5個。 1）提高各層甲板的剪切剛度，有效提高縱向振動固有頻率; 各層側壁應盡量上下對齊; 適當位置設置上下對齊的內圍壁; 對于上端圍壁在甲板下無法設置圍壁處，應設置桁材或大肘板，增加剪切面積。 2）提高各層甲板的支承剛度。 上層建筑的圍壁應盡可能設于有足夠剛性的艙壁上，各層圍壁宜設在同一垂直面內，各上層建筑的內圍壁、扶強材和支柱也應盡可能設在同一垂直面內。 3）避免設計大面積的板架和大跨度的梁。 大面積板架會造成頻率減低，使板架固有頻率降低并接近葉頻發(fā)生共振;本船考慮設置部分中間短艙壁或增加支柱，從而提高整體板架的固有頻率，避免局部振動。 4）避免大跨度板格。 如層高較高，板格的長邊會較長，固有頻率較低，對此應在中間設置水平桁或等高筋，能夠有效提高板格頻率，控制板格的振動。5）機艙內應合理設計船側、甲板、平臺等的扶強結構，主機基座與船底縱桁的連接應均勻過渡，且在機艙內避免縱向呈折角線，機座應盡可能延伸到機艙前、后壁。

3.4.2 噪聲控制

當前使用陶瓷棉或礦物棉等隔音隔熱材料是隔音降噪最普遍的方法。該平臺在設計中通過優(yōu)化布置，將噪聲源與生活區(qū)盡量分開，對于生活區(qū)跟噪聲源和熱源相臨界處裝設隔音隔熱材料進一步降低噪聲，可以收到滿意的效果。完成船舶建造后，平臺進行海上試驗時對典型或者重點檢測艙室進行噪聲測試以驗證實船的噪聲情況。

4 結語

通過在設計建造過程中嚴格的管控措施，該平臺空船重量得以控制在合理范圍內且船舶艙室噪聲測試的結果也符合預期，極大地提高了工作人員和科研人員辦公的舒適性。實踐證明，該文提到的重難點問題的解決方法是行之有效的。目前該平臺已順利交付，服務于各類海上風電設施建設的前期地質勘探，帶來了很好的社會效益及經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1]中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2005：40-43.

[2]盛振邦，劉應中.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2004：20-24.

[3]陳宏.“BMC 375”型自升式平臺簡況及設計特點[J].中國海洋平臺，2010，25（5）：1-4，10.