履帶吊作業(yè)安裝平臺(tái)的可行性研究

楊松

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067）

1 前言

傳統(tǒng)海工自升式支持平臺(tái)由平臺(tái)結(jié)構(gòu)、樁腿及升降機(jī)構(gòu)組成，其中自升式平臺(tái)的主船體部分是一個(gè)水密結(jié)構(gòu)，用以承載機(jī)械，實(shí)現(xiàn)海洋作業(yè)支持功能。當(dāng)其浮于海面上時(shí)，主船體部分產(chǎn)生的浮力用以平衡樁腿、機(jī)械、結(jié)構(gòu)等的重力。自升式平臺(tái)包括很多通用的結(jié)構(gòu)，最大的不同在于樁腿結(jié)構(gòu)、升降系統(tǒng)以及樁腿與船體之間的載荷傳遞系統(tǒng)。

帶有獨(dú)立樁靴的樁基結(jié)構(gòu)的樁靴數(shù)量與樁腿數(shù)量相同。樁靴式樁基結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠適應(yīng)不同的海底地形。除此之外，樁靴的壓載并沒(méi)有嚴(yán)格的順序要求。目前，主流自升式平臺(tái)多采用樁靴式樁基系統(tǒng)，避免了在軟土層地區(qū)作業(yè)時(shí)樁腿插入太長(zhǎng)影響作業(yè)深度，同時(shí)，也提高了插樁和拔樁作業(yè)時(shí)安全性。一般情況下，這種樁靴底部會(huì)做成突起的過(guò)渡形狀，像一個(gè)小錐形的頭部，方便入泥的功用，并且樁靴上自身一般會(huì)帶有沖樁系統(tǒng)。

所有的自升式鉆井平臺(tái)都具有樁腿結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的作用是保證船體升離水面到一定高度而不必承受波浪載荷。樁腿結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：圓柱式和桁架式。圓柱式樁腿適用于作業(yè)水深小于300英尺，當(dāng)水深大于300英尺時(shí)，通常使用桁架式樁腿結(jié)構(gòu)。圓柱式樁腿結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)在于體積較小，占用較少的甲板面積，因而建造工藝比較簡(jiǎn)單；桁架式樁腿結(jié)構(gòu)由弦管及撐管構(gòu)成。

本文重點(diǎn)針對(duì)自升式支持平臺(tái)搭載履帶吊方案總體布置、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、站立穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究，開(kāi)展海上風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)工程的方案可行性研究，解決當(dāng)前海上風(fēng)機(jī)吊裝專(zhuān)用船資源緊張問(wèn)題。

2 自升式支持平臺(tái)搭載履帶方案

2.1 總體布置研究

本文自升式支持平臺(tái)，為一矩形箱型船體結(jié)構(gòu)，平臺(tái)型長(zhǎng)63.6m，型寬40m，型深5.8m。平臺(tái)配置四條圓柱樁腿，每個(gè)樁腿下部安裝一個(gè)正方形樁靴，樁腿總長(zhǎng)度90m（不含樁靴），樁靴邊長(zhǎng)為11.7m，高度為1.5m。平臺(tái)配置四套液壓齒輪齒條升降系統(tǒng)，用于平臺(tái)的升降操作。主船體有三層甲板，分別是雙層底、下甲板和主甲板。

主甲板由生活區(qū)和工作區(qū)組成。工作區(qū)甲板面積約為1500m2。平臺(tái)配置兩套主推裝置和一套艏側(cè)推裝置，具備DP1控制系統(tǒng)。平臺(tái)配置1座190t主吊機(jī)和1座20t輔助吊機(jī)，配置2套電動(dòng)錨絞車(chē)。生活區(qū)有四層甲板，可實(shí)現(xiàn)300人住宿能力，應(yīng)急發(fā)電機(jī)房布置于第三層生活區(qū)甲板，升降控制室布置于生活區(qū)頂樓，生活區(qū)前端安裝一直徑22.2m的直升機(jī)甲板，可搭載Sikorsky S-92型直升機(jī)。原平臺(tái)總布置如圖1所示。

圖1 自升式支持平臺(tái)總體布置示意圖

2.2 改造方案設(shè)計(jì)

計(jì)劃將一座XGC11000型履帶吊布置在主甲板上，如圖2所示，履帶吊裝能力參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖2 吊裝工藝方案

履帶吊參數(shù)和作業(yè)載荷數(shù)據(jù)如表1所示。按照履帶吊在平臺(tái)甲板上的移動(dòng)軌跡，進(jìn)行專(zhuān)用工裝底座設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖如圖3所示，沿著履帶吊履帶設(shè)置兩行軌道，作為履帶吊作業(yè)行走支撐，底座由型材、肘板等組成，型材腹板上開(kāi)減輕孔，主甲板反面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。底座材料為AH32，底座整體高度為800mm。

表1 履帶吊參數(shù)和作業(yè)載荷數(shù)據(jù)

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 吊裝工藝研究

本文提出的改造方案計(jì)劃用于連云港灌云風(fēng)電場(chǎng)，計(jì)劃吊裝風(fēng)機(jī)機(jī)型為金風(fēng)科6.45MW，葉片長(zhǎng)度186m。

（1）結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度分析。針對(duì)本方案，結(jié)合連云港灌云海上風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境地質(zhì)參數(shù)條件，對(duì)自升式平臺(tái)搭載履帶吊進(jìn)行作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。

主要計(jì)算輸入如表2所示，且模型剛度目前采用與給出的初始模型一致，并未進(jìn)行調(diào)整。

表2 主要計(jì)算輸入?yún)?shù)

模型的所有甲板、舷側(cè)板、艙壁板、縱/橫桁材腹板、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)桁材腹板均采用二維三、四節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，其他加強(qiáng)筋及桁材面板用二節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M，網(wǎng)格大小約為600mm。模型的結(jié)構(gòu)有限元如圖3所示。

在樁腿底部簡(jiǎn)支約束，上下導(dǎo)向采用mpc連接約束xy方向平動(dòng)自由度，抬升系統(tǒng)采用mpc連接約束z向自由度。風(fēng)載荷來(lái)源DS356-101-006JS Wind Force Calculation 1(2020.01.17退審)中3.8節(jié)，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。具體風(fēng)載荷采用加載在船體側(cè)面的均布載荷進(jìn)行模擬。

表3 風(fēng)載荷及彎矩

（2）吊機(jī)載荷。由于暫時(shí)無(wú)準(zhǔn)確的吊機(jī)載荷，對(duì)吊機(jī)載荷采用預(yù)估的方式。主吊機(jī)吊重為120t。根據(jù)《DS356-050-00190M自升式平臺(tái)操船手冊(cè)5（2020.05.09退審）》中吊載120t時(shí)作業(yè)半徑大約為14m?？紤]吊機(jī)自重大約為250t，作業(yè)半徑14m時(shí)，吊機(jī)自身重心到回轉(zhuǎn)重心力臂為7m（保守考慮）。同時(shí)，考慮吊機(jī)傾斜2°造成的水平載荷。具體吊機(jī)載荷預(yù)估數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 吊機(jī)載荷預(yù)估數(shù)據(jù)

①?gòu)?qiáng)度計(jì)算結(jié)果。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算云圖，具體強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)數(shù)據(jù)，最大板單元應(yīng)力為306MPa，最大梁?jiǎn)卧獞?yīng)力為283MPa，可見(jiàn)該結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。②立柱的屈曲校核。選取履帶吊履帶下面立柱載荷最大的進(jìn)行立柱的屈曲校核，經(jīng)過(guò)核實(shí)，uc值為0.443滿(mǎn)足屈曲強(qiáng)度要求。

圖4

3 結(jié)語(yǔ)

采用履帶吊上自升式平臺(tái)安裝海上風(fēng)機(jī)的工藝方案，從安全角度考慮，存在的安全風(fēng)險(xiǎn)高于常規(guī)海洋吊機(jī)，但是，在特定情況下，增加吊裝海上風(fēng)機(jī)工況的風(fēng)險(xiǎn)因素分析和穩(wěn)定性校核，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全、平臺(tái)拖航和站立的穩(wěn)性，在升船壓載過(guò)程中充分考慮壓載的可靠性，為履帶吊作業(yè)構(gòu)建穩(wěn)定的平臺(tái)，也可作為一種臨時(shí)的方案投入生產(chǎn)。