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        動力定位浮托組塊裝船方案設(shè)計

        2021-12-17 03:17:52劉波毛程亮梁瑜劉旭平張法富
        船海工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:滑靴裝船拖拉

        劉波,毛程亮,梁瑜,劉旭平,張法富

        (海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

        從1982年Statfjord B 深水混凝土重力式平臺平臺第一個在近海采用“浮托法”進行安裝[1]到現(xiàn)在為止,浮托安裝已經(jīng)走過了40年的發(fā)展歷程。國內(nèi)常規(guī)浮托安裝項目涉及高位浮托、低位浮托、動力定位浮托和雙船浮托等多種作業(yè)方式[2]。自2005年以來,海洋石油工程股份有限公司已經(jīng)累計完成24個國內(nèi)浮托安裝項目,浮托安裝組塊重量從6 000 t提高到3.1萬t,作業(yè)海域也從渤海拓展至南海開闊水域[3],具備了全系列、全海域、全天候浮托安裝技術(shù)[4]。南海氣候環(huán)境較為惡劣,若采用動力定位船進行浮托作業(yè),可以減少錨系布置費用,節(jié)約施工時間,增加施工天氣窗口[5]。故考慮針對動力定位船浮托組塊裝船方式,分析縱向裝船及橫向裝船等方案優(yōu)缺點及可行性,為后續(xù)同類項目提供設(shè)計參考及數(shù)據(jù)支持。

        1 設(shè)計思路

        浮托法裝船分析主要考慮滑移裝船方法,運輸船浮靠碼頭,隨著組塊向船上移動必須對壓載艙進行排載,同時由于潮位升高又需要對壓載艙進行壓載,兩種反向操作均為了實現(xiàn)船上滑道與碼頭滑道保持平齊[6-7]。

        常規(guī)組塊裝船方案評估流程見圖1,分為縱向裝船與橫向裝船,在保證船舶穩(wěn)性前提下均需校核其總縱強度以及對應(yīng)場地裝船許用潮位,同時橫向裝船由于組塊沿船體橫向拖行,裝船過程中壓載變化較大,是否可行還取決于船舶壓載系統(tǒng)調(diào)載能力[8],需單獨進行校核。

        圖1 組塊裝船可行性評估流程

        2 方案設(shè)計

        2.1 組塊縱向裝船方案

        以珠海碼頭作為裝船作業(yè)場地,碼頭縱向裝船各項參數(shù)見表1。

        表1 碼頭縱向裝船各項參數(shù) m

        組塊縱向裝船,船上滑道沿船長縱向布置,見圖2,滑道標(biāo)高需與碼頭滑道標(biāo)高保持一致,通過動力牽引系統(tǒng)牽引組塊從碼頭滑移至安裝船舶指定位置。

        圖2 縱向裝船立面示意

        2.2 組塊橫向裝船方案

        橫向裝船組塊放置方向與縱向裝船方向相垂直,船上滑道改設(shè)計為沿船寬方向布置。為了避免裝船過程中組塊重心跨越船舶中心線,造成大量壓載艙壓載變化影響船舶浮態(tài)與穩(wěn)性,同時也為了降低裝船作業(yè)風(fēng)險,設(shè)計中考慮始終將組塊偏心側(cè)(即重量較大一側(cè))滑靴后上船,見圖3。

        圖3 組塊橫向裝船示意(船艏視圖)

        為匹配不同船舶型深,橫向裝船各項參數(shù)與縱向裝船相比(見表1),船上滑道高度作相應(yīng)調(diào)整,橫向裝船方案船上滑道高度為3.0 m。

        3 裝船方案數(shù)值分析

        3.1 縱向裝船原始方案(整體浮托縱向裝船)

        組塊整體浮托重量為18 500 t,以組塊滑靴后排腿剛上船作為控制工況進行分析,計算許用潮位(許用最低潮位、許用最高潮位)及總縱強度見表2。

        表2 整體浮托艉裝船許用低潮汐及總縱強度

        碼頭潮汐分布與許用潮位對比見圖4。

        船體總縱強度校核用下式。

        UCBM=BMmax/BMmaxallow

        (1)

        UCSF=SFmax/SFmaxallow

        (2)

        式中:UCBM為彎矩許用安全系數(shù);BMmax為總縱強度彎矩計算最大值;BMmaxallow為彎矩最大許用值;UCSF為剪力許用安全系數(shù);SFmax為總縱強度剪力計算最大值;SFmaxallow為剪力最大許用值。總縱強度UC值均要求小于1。

        許用潮位計算方法用下式。

        Tidemin=Tmin+Hq+Hsk-Hvsl-Dvsl

        (3)

        Tidemax=Tmax+Hq+Hsk-Hvsl-Dvsl

        (4)

        式中:Tidemin為許用低潮位;Tmin為船舶最小吃水;Tidemax為許用高潮位,Tmax為船舶最大吃水;其他參數(shù)含義見表1。

        根據(jù)表2及圖4中數(shù)據(jù),該方案裝船屬于低潮位受限工況,增加吃水到10.0 m后裝船剪力UC值仍不滿足要求,裝船所需最低潮位3.45 m,珠海碼頭全月最高潮為2.87 m,即使碼頭漲潮至最高潮位,船舶的吃水僅為9.42 m,該吃水下總縱強度也無法滿足要求;同時,船底與海底泥面間隙也無法滿足最小1 m要求,初步判斷該方案下裝船氣候窗不存在,需對方案進行改進。

        圖4 縱向裝船原始方案潮汐對比表

        3.2 組塊假腿支撐方案縱向裝船(整體浮托)

        考慮在組塊A、B軸兩腿外側(cè)增加假腿,盡量增加組塊重量沿船長方向分布范圍,見圖5。

        圖5 組塊假腿支撐方案示意

        增加假腿,組塊支撐結(jié)構(gòu)(DSF)增加500 t,組塊重量增重約500 t,支反力分布變化見表3。

        通過計算不同吃水下總縱強度,9.5 m吃水下校核總縱強度彎矩及剪力最大UC值分別為1.15及1.28,表3中滑靴重量分布也表明,增加兩排假腿后組塊重量增加1 000 t,新增腿釋放原腿重量有限,總縱強度校核結(jié)果未得到改善。

        表3 組塊增加假腿后滑靴重量分布變化 GN

        3.3 組塊減重縱向裝船方案(去除部分模塊)

        去除部分組塊結(jié)構(gòu)后(生活樓及鉆機模塊浮托后海上吊裝),組塊浮托重量變?yōu)?4 800 t,組塊重量變輕后,碼頭滑道高度可以降為2.5 m(兩塊滑道塊疊加),重新評估組塊裝船許用最小潮汐高度及總縱強度,結(jié)果見表4,碼頭潮汐許用潮汐對比見圖6。

        表4 減重浮托縱向裝船許用低潮位及總縱強度

        圖6 組塊減重縱向裝船潮汐對比

        根據(jù)表4及圖6中數(shù)據(jù),增加吃水到10.0 m后裝船剪力UC值雖然已滿足要求,但裝船所需最低潮高要求至少2.2 m,根據(jù)全月碼頭潮汐統(tǒng)計曲線,裝船氣候窗仍然幾乎不存在(即當(dāng)日潮汐統(tǒng)計數(shù)據(jù)中漲至2.2 m以上并維持至少10 h時間),因此,組塊減重縱向裝船方案仍不可行,需考慮采用橫向裝船形式。

        另一個影響因素是碼頭滑道高度,由于本項目碼頭承載力不足,導(dǎo)致需要墊高碼頭滑道,若能降低碼頭滑道高度至2.5 m,則最低潮位要求將降低到0.96 m,縱向裝船許用潮汐氣候窗將得到較大改善。

        3.4 組塊減重橫向裝船方案

        根據(jù)滑靴上船長度將橫向裝船劃分為0~7步,見圖7。各步滑靴在船上位置描述見表5。

        圖7 組塊橫向裝船各步滑靴位置變化示意

        表5 橫向裝船各步滑靴位置描述

        根據(jù)組塊上船后滑靴重量分布,同時保證船上滑道和碼頭滑道在裝船過程中保持水平,分別計算各步所需的最小吃水,以此推出裝船所需潮汐范圍,結(jié)果見表6,與潮汐變化對比見圖8。

        圖8 組塊減重橫向裝船潮汐對比

        表6 各步驟最小吃水及許用潮位 m

        組塊減重并改用橫向裝船后,許用潮汐范圍得到較大改善,根據(jù)珠海碼頭潮汐曲線,全月均可以滿足24 h裝船氣候窗。

        圖10 組塊橫向裝船靜水剪力計算值

        組塊滑靴橫向滑移過程中,計算各步船舶總縱強度是否滿足規(guī)范要求,彎矩及剪力結(jié)果見圖9、10。組塊橫向裝船過程中最大彎矩及剪力UC值分別為0.52及0.57,滿足規(guī)范要求。

        圖9 組塊橫向裝船靜水彎矩計算值

        3.5 組塊橫向裝船調(diào)載能力評估及優(yōu)化

        橫向裝船由于組塊重量左右舷分布變化大,對船舶調(diào)載能力要求較高,需單獨進行校核,取碼頭全月潮差范圍最大的一天作為潮汐數(shù)據(jù)基礎(chǔ),見圖11。

        圖11 碼頭單日潮汐變化

        以最高潮位置點作為組塊拖拉完成點,動力牽引系統(tǒng)拖拉速度可調(diào)節(jié)范圍為最大15 m/h,根據(jù)各步組塊裝船拖拉速度反推出各步潮位高度及船舶吃水,數(shù)據(jù)見表7。

        表7 橫向裝船各步操作基本參數(shù)

        本安裝船共有4套空壓機系統(tǒng),按照3用1備原則進行壓載系統(tǒng)能力評估??諌簷C系統(tǒng)壓排載能力為253 t/min,船舶艙室上下共分為3層,為了保障船舶穩(wěn)性,盡量使用中下層艙室進行調(diào)載,考慮開啟部分兩端艙室以利于控制總縱強度,設(shè)計中需盡量減少艙室頻繁開啟關(guān)閉,降低整體壓排載工作量。

        通過計算組塊滑靴各段上船后船舶在有限時間內(nèi)空壓機系統(tǒng)可以壓排載的壓載水總量,對比滑靴位置前后變化需要調(diào)整的壓載水總量,最終得到空壓機調(diào)載系統(tǒng)能力,表8中顯示空壓機系統(tǒng)最低調(diào)載能力系數(shù)為1.26。

        理論上調(diào)載能力系數(shù)只要大于1即可滿足裝船壓載需求,但為了獲取更大的調(diào)載能力冗余度,可以通過調(diào)整滑靴上船后拖拉過程各步之間拖拉速度,延緩關(guān)鍵工況拖拉時間,增加某段滑靴重量拖拉上船過程中空壓機系統(tǒng)可完成的總壓載量。重新調(diào)整各段滑靴上船拖拉速度后空壓力調(diào)載能力評估結(jié)果見表8,通過放慢關(guān)鍵步驟拖拉速度可以增加船舶調(diào)載系統(tǒng)能力,保障裝船作業(yè)安全。

        表8 組塊橫向裝船各步空壓機系統(tǒng)調(diào)載能力

        表9 不同拖拉速度調(diào)載系統(tǒng)能評估對比

        4 結(jié)論

        動力定位浮托裝船設(shè)計中,若采用縱向裝船形式,需綜合考慮碼頭標(biāo)高、滑道高度、潮汐及船舶信息匹配性等因素,通過校核裝船潮汐氣候窗及總縱強度等關(guān)鍵工況論證可行性。通過對比常規(guī)縱向裝船布置、增加假腿分散組塊重量分布、部分模塊后裝降低組塊重量等多種設(shè)計方案,分析各方案可行性,推薦使用橫向裝船方式進行組塊裝船作業(yè),該方式通常滿足全月存在24 h裝船氣候窗,船體強度滿足規(guī)范要求,針對動力定位船組塊橫向裝船調(diào)載能力適應(yīng)性問題,可以通過降低關(guān)鍵步驟動力牽引系統(tǒng)拖拉速度,達到增加船舶調(diào)載能力目的。

        此外,對于組塊偏心可能引起的橫向裝船橫傾風(fēng)險,可根據(jù)組塊重心位置進行優(yōu)化,讓偏心一側(cè)(即重量較大一側(cè))滑靴最后上船,確保整個橫向裝船過程中組塊重心始終處于靠近碼頭一側(cè),避免壓載過程中發(fā)生傾覆風(fēng)險。

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