張 明，程志濤，幸耀庭

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

自升式鉆井平臺(tái)重量控制方案

張 明，程志濤，幸耀庭

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

文章通過(guò)對(duì)某自升式鉆井平臺(tái)在建造過(guò)程中所采取的各種重量控制方案的闡述，根據(jù)ABS MODU規(guī)范對(duì)海工產(chǎn)品的要求，總結(jié)了一套貫穿設(shè)計(jì)和建造階段的重量控制方案。此方案適用于大部分海工項(xiàng)目的重量控制要求。

重量控制；有限元計(jì)算；空船重量；減重

0 引言

全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源要求不斷增大，海洋石油資源因其巨大的儲(chǔ)備量成為今后產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向，從而使以鉆井平臺(tái)為代表的海洋工程船舶的建造，成為備受關(guān)注的目標(biāo)。

海洋工程船舶的建造，除要滿足大部分常規(guī)船舶的要求外，還受到更多海洋工程和工作海域等規(guī)范的約束。在其設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，既要考慮到滿足規(guī)范和功能的要求，又要考慮設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。其中重量和重心的變化，將會(huì)影響船舶裝載能力和穩(wěn)性等主要參數(shù)，而成為船東和船廠要求控制的主要指標(biāo)。

1 重量控制的概念

1.1 概念

重量控制包含重量和重心的控制兩個(gè)方面。在設(shè)計(jì)階段通過(guò)估算得到一個(gè)大概的空船重量和重心位置，在建造過(guò)程中采取種種控制手段和方案，使最終建造完工狀態(tài)船舶的重量重心接近之前估算值的一個(gè)過(guò)程。

1.2 重量控制的意義

重量的變化會(huì)影響船舶的裝載和壓載能力。當(dāng)實(shí)際空船重量超過(guò)設(shè)計(jì)重量時(shí)，船舶的裝貨量會(huì)減少，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致船舶沉沒。反之空船重量少于設(shè)計(jì)重量，船舶的壓載能力受限，使某些半潛船在滿壓載水狀態(tài)仍不能達(dá)到下潛深度，直接影響功能使用。重心的變化會(huì)影響船舶的穩(wěn)性，重心過(guò)高或過(guò)低都會(huì)給航行中的船舶帶來(lái)危險(xiǎn)。船舶重量作為主要指標(biāo)往往被船東明確寫入建造合同，超出設(shè)計(jì)重量往往會(huì)導(dǎo)致巨額罰款甚至有棄船的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 本文主要研究的目標(biāo)

本文主要針對(duì)當(dāng)前海工產(chǎn)品建造過(guò)程中，普遍存在的超重問(wèn)題，結(jié)合某船廠在建的一座自升式鉆井平臺(tái)（入ABS級(jí)），在設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中所采取的重量控制方案，總結(jié)出一套詳細(xì)的設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)，可有效降低空船重量，值得后續(xù)海工船舶借鑒。

2 重量控制的階段及方案

2.1 準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備階段是指在設(shè)計(jì)開始之前或設(shè)計(jì)剛剛開始之初，收到部分基本設(shè)計(jì)圖紙與技術(shù)規(guī)格書，還沒有對(duì)材料進(jìn)行請(qǐng)購(gòu)，此階段的重量控制應(yīng)從以下幾點(diǎn)著手：

1）全員重視，成立專項(xiàng)重控小組

從項(xiàng)目剛開始，就要?jiǎng)訂T全體設(shè)計(jì)人員，在重量控制上給予足夠重視。許多超重嚴(yán)重的海工產(chǎn)品都是起因于開始階段不夠重視，等想起進(jìn)行重量控制，需要降低重量時(shí)已悔之晚矣。全員的重控意識(shí)，成立專項(xiàng)重控小組，安排專職設(shè)計(jì)人員審圖，可在早期就把超重的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，減少后來(lái)帶給現(xiàn)場(chǎng)的壓力，減少現(xiàn)場(chǎng)因需要減重而返工的工作量。

2）仔細(xì)研讀技術(shù)規(guī)格書和設(shè)備資料

產(chǎn)品的重量要求會(huì)在技術(shù)規(guī)格書中明確寫出。仔細(xì)研讀技術(shù)規(guī)格書，把要求的重量控制數(shù)據(jù)作為一項(xiàng)重要指標(biāo)貫徹到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)任何設(shè)計(jì)，在滿足規(guī)格書要求的基礎(chǔ)上，考慮是否可以合理改變布置或改變結(jié)構(gòu)材料來(lái)降低重量。

3）定期編制重量和重心控制報(bào)告

重量重心控制報(bào)告是重控過(guò)程中必不可缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。在項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)就應(yīng)該有一個(gè)全面的重量重心控制報(bào)告表（見圖1），直到項(xiàng)目結(jié)束。把每一階段新增加的重量定期更新進(jìn)去，與每一期重控的目標(biāo)重量相比較，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在超重隱患的區(qū)域。

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

2.2.1 材料的選取

在材料的選擇上，除生活區(qū)和一些無(wú)強(qiáng)度要求的通道、走臺(tái)及圍壁結(jié)構(gòu)外，盡量采取高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼在相同板厚的前提下，可以提供更高的屈服強(qiáng)度，從而達(dá)到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和降低重量的目的。另一方面，許多海工船舶需要在低溫海域工作，高強(qiáng)鋼在低溫時(shí)的性能也要好于同級(jí)別的普通鋼。圖 2為ABS MODU規(guī)范[1]對(duì)低溫時(shí)不同級(jí)別的材料所能取到的最大板厚的要求。

2.2.2 型材規(guī)格的選擇

海工船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中型材的用量是比較大的，小到走人通道的平鐵、角鋼，大到直升機(jī)平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的工字梁、圓管，型材規(guī)格選擇不當(dāng)往往是造成空船重量增加的主要原因之一。根據(jù)型材截面的幾何性能，在相同重量的前提下，圓管的剖面模數(shù)優(yōu)于工字梁，其次是T型材和角鋼，這就是在主要結(jié)構(gòu)的支撐中多使用圓管的原因。任何型材規(guī)格的選取，必須以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。海工船舶設(shè)計(jì)中多采用有限元強(qiáng)度分析軟件輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，可嘗試盡量降低型材規(guī)格以達(dá)到降低重量的目的。圖3為有限元分析軟件STAAD運(yùn)行下的直升機(jī)平臺(tái)下部支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析圖，可以看出每一根型材梁的利用率都比較高。

2.2.3 結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化

優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式對(duì)重量控制也有著重要意義。例如，在相同強(qiáng)度的前提下，波形壁要比傳統(tǒng)的板加筋形式的圍壁具有更輕的重量。因此在一些圍壁處所，包括生活區(qū)的圍壁，經(jīng)常設(shè)計(jì)成波形壁結(jié)構(gòu)。圖4為同重量情況下波形壁各參數(shù)的比較[2]。

從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上考慮，三角形支撐最為穩(wěn)定。因此如果空間允許，可考慮一些平臺(tái)的支撐多用斜撐代替垂直支撐結(jié)構(gòu)，亦可有效降低設(shè)計(jì)時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的重量。

在一些跨距較大的通道走臺(tái)處，多采用桁架式結(jié)構(gòu)可有效降低重量。例如鉆臺(tái)區(qū)域的維修平臺(tái)、生活區(qū)通往直升機(jī)平臺(tái)的長(zhǎng)直走臺(tái)，因?yàn)槲恢玫奶厥庑酝鶡o(wú)法增加支撐結(jié)構(gòu)，這時(shí)可采用桁架式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（見圖5），可在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上有效降低重量。

2.2.4 區(qū)分好主次結(jié)構(gòu)

海工結(jié)構(gòu)一般有主要結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)的區(qū)分，規(guī)范對(duì)主次結(jié)構(gòu)的要求不同。主要結(jié)構(gòu)需嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)，而規(guī)范無(wú)明確要求的次要結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上可適當(dāng)減弱結(jié)構(gòu)形式。典型的例子是在一個(gè)遍布強(qiáng)橫梁的主要結(jié)構(gòu)邊緣有一個(gè)僅走人的小通道，此通道不參與主要結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮將此通道型材適當(dāng)降低規(guī)格，滿足規(guī)范要求的均布載荷即可。

2.2.5 布置上的優(yōu)化

一份合理的布置圖可以大幅降低無(wú)關(guān)重量的增加。這需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員熟悉設(shè)備工作原理，在滿足設(shè)備功能的前提下，進(jìn)行模型評(píng)比供各專業(yè)討論，然后得出最佳位置。最佳位置應(yīng)該滿足使結(jié)構(gòu)加強(qiáng)做到最少，電纜長(zhǎng)度需求最短，減少相關(guān)管系的彎頭數(shù)量和長(zhǎng)度等。

生活區(qū)的合理布置也是降低空船重量的有效手段。在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，可合理降低生活區(qū)的層高，甚至可以在不影響強(qiáng)度的前提下，在生活區(qū)主梁開設(shè)減輕孔來(lái)降低重量，同時(shí)也可兼做生活區(qū)內(nèi)電纜和各種管道等的穿越孔，如圖6所示。

2.2.6 焊接與狹小空間

焊接時(shí)焊肉產(chǎn)生的重量在重量控制時(shí)也需要考慮。各船級(jí)社在海工船舶焊接時(shí)有各自的焊角計(jì)算公式，不同區(qū)域選取焊接系數(shù)不同，同時(shí)會(huì)考慮腐蝕余量的影響。生活區(qū)的非潮濕區(qū)域等特殊區(qū)域可考慮間斷焊接。圖7為ABS海工規(guī)范對(duì)焊角的計(jì)算公式[1]。

盡量減少狹小空間的設(shè)計(jì)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)狹小空間會(huì)因?yàn)榭臻g過(guò)小，無(wú)法油漆作業(yè)而做成封閉結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生重量增加。

2.3 建造階段

建造階段的重量控制主要以監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)修改為主，需要現(xiàn)場(chǎng)人員與設(shè)計(jì)人員相互配合，確保所有的重控方案都能在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

2.3.1 做好設(shè)備稱重工作

在建造的不同階段，每新到設(shè)備都需要做好設(shè)備稱重工作。稱重后的重量與設(shè)備資料相對(duì)比，很多設(shè)備重量存在誤差，累計(jì)后導(dǎo)致完工狀態(tài)超重。許多設(shè)備還有干重和濕重的區(qū)別，在重量控制時(shí)需要注意。

2.3.2 澄清可變載荷

可變載荷不計(jì)算在空船重量之內(nèi)，因此需要在建造時(shí)與船東及時(shí)澄清哪些載荷屬于可變載荷，及時(shí)做好簽字備忘，以便完工時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.3.3 定期組織現(xiàn)場(chǎng)拉練

定期組織技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)人員一起進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉練，熟悉現(xiàn)場(chǎng)的施工狀態(tài)，討論是否存在多余結(jié)構(gòu)，是否可以修改。例如電纜托架形式是否可以簡(jiǎn)化，管支架是否合理，一些設(shè)備底座是否可用墊塊形式替代組合型材形式等問(wèn)題。積極的現(xiàn)場(chǎng)拉練可在項(xiàng)目已超重的情況下對(duì)空船重量進(jìn)行補(bǔ)救，減小超重帶來(lái)的損失。

2.3.4 關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)修改問(wèn)題

在施工建造階段，船東船檢會(huì)提出各種修改，有些是合理的，有些在規(guī)范中并無(wú)此要求。此時(shí)需要盡力爭(zhēng)取，把增加重量的修改降到最低，同時(shí)對(duì)已修改的內(nèi)容做好記錄，及時(shí)更新到重量控制報(bào)告中去。

3 結(jié)論

以上方案的總結(jié)對(duì)以鉆井平臺(tái)為代表的海工項(xiàng)目的建造具有一定的指導(dǎo)意義，但是重量控制是一個(gè)長(zhǎng)期而任重道遠(yuǎn)的工作，并不局限于以上方案。我國(guó)的海工建造業(yè)才剛剛起步，可以說(shuō)機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)并存。若想在國(guó)際市場(chǎng)占有更大份額，必須重視和做好重量控制工作，立足于長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

[1]ABS.Rules for Building and Classing, Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[2]ABS.Rules for Building and Classing, Steel Vessels[S].2015.

[3]孫東昌, 潘斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2008.

Weight Control Solution for Self-elevating Drilling Unit

ZHANG Ming, CHENG Zhitao, XING Yaoting
(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

The paper introduces all the weight control solutions adopted during the construction of self-elevating drilling unit.According to the requirements of ABS MODU rule on offshore products, a set of weight control solution through the period of design and construction is summarized.The solution is suitable for the weight control requirements of most offshore projects.

weight control; FEA analysis; light weight; reduce weight

U692.1

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.008

張明（1984—），男，工程師，研究方向：船舶海工結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)。