楊松

（中海石油（中國）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由平臺結(jié)構(gòu)、樁腿及升降機(jī)構(gòu)組成，其中自升式平臺的主船體部分是一個水密結(jié)構(gòu)，用以承載機(jī)械，實現(xiàn)海洋作業(yè)支持功能。當(dāng)其浮于海面上時，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，樁靴的壓載并沒有嚴(yán)格的順序要求。目前，主流自升式平臺多采用樁靴式樁基系統(tǒng)，避免了在軟土層地區(qū)作業(yè)時樁腿插入太長影響作業(yè)深度，同時，也提高了插樁和拔樁作業(yè)時安全性。一般情況下，這種樁靴底部會做成突起的過渡形狀，像一個小錐形的頭部，方便入泥的功用，并且樁靴上自身一般會帶有沖樁系統(tǒng)。

所有的自升式鉆井平臺都具有樁腿結(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，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)勢在于體積較小，占用較少的甲板面積，因而建造工藝比較簡單；桁架式樁腿結(jié)構(gòu)由弦管及撐管構(gòu)成。

本文重點針對自升式支持平臺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)吊裝專用船資源緊張問題。

2 自升式支持平臺搭載履帶方案

2.1 總體布置研究

本文自升式支持平臺，為一矩形箱型船體結(jié)構(gòu)，平臺型長63.6m，型寬40m，型深5.8m。平臺配置四條圓柱樁腿，每個樁腿下部安裝一個正方形樁靴，樁腿總長度90m（不含樁靴），樁靴邊長為11.7m，高度為1.5m。平臺配置四套液壓齒輪齒條升降系統(tǒng)，用于平臺的升降操作。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)。平臺配置1座190t主吊機(jī)和1座20t輔助吊機(jī)，配置2套電動錨絞車。生活區(qū)有四層甲板，可實現(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)。原平臺總布置如圖1所示。

圖1 自升式支持平臺總體布置示意圖

2.2 改造方案設(shè)計

計劃將一座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。按照履帶吊在平臺甲板上的移動軌跡，進(jìn)行專用工裝底座設(shè)計，設(shè)計圖如圖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劃用于連云港灌云風(fēng)電場，計劃吊裝風(fēng)機(jī)機(jī)型為金風(fēng)科6.45MW，葉片長度186m。

（1）結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度分析。針對本方案，結(jié)合連云港灌云海上風(fēng)電場環(huán)境地質(zhì)參數(shù)條件，對自升式平臺搭載履帶吊進(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)點殼單元模擬，其他加強(qiáng)筋及桁材面板用二節(jié)點梁單元模擬，網(wǎng)格大小約為600mm。模型的結(jié)構(gòu)有限元如圖3所示。

在樁腿底部簡支約束，上下導(dǎo)向采用mpc連接約束xy方向平動自由度，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。由于暫時無準(zhǔn)確的吊機(jī)載荷，對吊機(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自升式平臺操船手冊5（2020.05.09退審）》中吊載120t時作業(yè)半徑大約為14m?？紤]吊機(jī)自重大約為250t，作業(yè)半徑14m時，吊機(jī)自身重心到回轉(zhuǎn)重心力臂為7m（保守考慮）。同時，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強(qiáng)度計算結(jié)果。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析計算云圖，具體強(qiáng)度計算結(jié)果見數(shù)據(jù)，最大板單元應(yīng)力為306MPa，最大梁單元應(yīng)力為283MPa，可見該結(jié)構(gòu)滿足強(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)過核實，uc值為0.443滿足屈曲強(qiáng)度要求。

圖4

3 結(jié)語

采用履帶吊上自升式平臺安裝海上風(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)險因素分析和穩(wěn)定性校核，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全、平臺拖航和站立的穩(wěn)性，在升船壓載過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，也可作為一種臨時的方案投入生產(chǎn)。