劉 靜，傅 強，韓華偉，孫玉海，鄭 浩，屈 強

(1.中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺 264670；2.中國海洋工程咨詢協(xié)會，北京 100071)

0 引言

國家海洋強國戰(zhàn)略，對海洋漁業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè)提出了新的發(fā)展要求。2013年，國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于促進海洋漁業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的若干意見》文件要求控制近海養(yǎng)殖密度，拓展離岸養(yǎng)殖及深遠海養(yǎng)殖，提高設(shè)施裝備水平和組織化程度。通過應(yīng)用高端海洋漁業(yè)裝備，拓展深遠海養(yǎng)殖新空間，是我國深遠海漁業(yè)發(fā)展的方向。

我國海洋牧場建設(shè)始于 20 世紀 70 年代末, 是促進海洋漁業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要途徑。闕華勇等[1]探討了現(xiàn)代海洋牧場建設(shè)的現(xiàn)狀與發(fā)展對策。楊紅生等[2]提出，海洋牧場是以環(huán)境和生態(tài)和諧為目的導(dǎo)向, 集環(huán)境保護、資源養(yǎng)護、高效生產(chǎn)和休閑漁業(yè)為一體的海洋經(jīng)濟新業(yè)態(tài), 是解決我國近海環(huán)境保護和漁業(yè)資源可持續(xù)利用的重要途徑；同時現(xiàn)代海洋牧場要更加突出體現(xiàn)工程化、機械化、自動化、信息化等特點和優(yōu)勢。顏慧慧等[3]進一步提出，海洋牧場概念內(nèi)容正逐步增多，不僅僅指養(yǎng)殖技術(shù)，同時融合生態(tài)環(huán)境修復(fù)、旅游開發(fā)等方面的內(nèi)容。海洋牧場的研究學(xué)者多次提到了現(xiàn)代化海洋牧場的發(fā)展方向和對現(xiàn)代化高端漁業(yè)裝備的需求，但是對漁業(yè)裝備本身并未做深入研究，對高端海洋漁業(yè)裝備的具體功能需求和設(shè)計標準有待探討。

為此，本文以山東現(xiàn)代化海洋牧場發(fā)展為例，詳細分析高端海洋漁業(yè)裝備——海洋牧場平臺的誕生及發(fā)展過程，包括海洋牧場平臺功能需求的調(diào)研及定位，對比傳統(tǒng)油氣平臺提出海洋牧場平臺的特殊性及其設(shè)計原則，并依據(jù)該設(shè)計原則進行國內(nèi)首座海洋牧場平臺設(shè)計研究。

1 海洋牧場平臺功能需求

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，海洋牧場正在逐步擴大其研究內(nèi)容，由單純的養(yǎng)殖漁業(yè)向海洋休閑漁業(yè)方向發(fā)展，逐步增加高科技項目、旅游開發(fā)等。

現(xiàn)代海洋牧場著眼于可持續(xù)發(fā)展，更加突出深遠海、自動化、信息化等特點和優(yōu)勢。傳統(tǒng)的漁船由于其航行速度慢、抗風浪能力弱等原因，已不能滿足深遠海牧場巡視、管護需求等基本要求，更無法滿足海洋牧場的功能拓展。2016年初，我國中集來福士海洋工程有限公司應(yīng)海洋漁業(yè)發(fā)展需求，率先提出了海洋牧場平臺概念[4]。

海洋牧場平臺作為支持海洋漁業(yè)持續(xù)發(fā)展的高端裝備，與傳統(tǒng)成熟的油氣平臺不同。一方面海洋牧場平臺使用方為海洋牧民，一般不具備專業(yè)工程知識，要盡量減少或避免專業(yè)工程操作；另一方面，海洋牧場平臺不用于工程作業(yè)，而是海洋牧民的“移動帳篷”。因此，要根據(jù)海洋牧場平臺的功能需求、安全性、經(jīng)濟性等方面進行論證和特殊設(shè)計。

海洋牧場平臺需要在深遠海給海洋牧民提供一處安全、穩(wěn)定的作業(yè)平臺，牧民可在平臺上居住辦公、管護牧場、停靠船舶，同時還可以發(fā)展休閑漁業(yè)，開拓環(huán)境監(jiān)測等功能，為海洋牧場大數(shù)據(jù)建設(shè)、海洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。

經(jīng)過山東、江蘇、海南等多地海洋牧牧場考察，廣泛征求海洋牧場主意見，最終形成海洋牧場平臺6大功能配置：辦公居住、牧場管護、觀光旅游、垂釣娛樂、船舶停靠、環(huán)境監(jiān)測。

2 海洋牧場平臺設(shè)計依據(jù)

在海洋牧場平臺發(fā)展之初，國內(nèi)尚未出臺相應(yīng)設(shè)計標準，設(shè)計中主要參考海上移動平臺和淺海固定平臺相關(guān)設(shè)計標準和檢驗規(guī)范，但是海洋牧場平臺功能需求不同于傳統(tǒng)的油氣平臺，不能完全照搬海上油氣平臺設(shè)計標準。

首先，平臺的應(yīng)用主體不同。油氣平臺由專業(yè)的工程團隊操作，而海洋牧場平臺供海洋牧民使用。大多牧民不具備專業(yè)工程操作能力，因此海洋牧場平臺設(shè)計中要充分考慮其安全性，并簡化操作，如：設(shè)計小型船舶靠泊設(shè)施、登程梯，便于登乘平臺；增設(shè)光伏發(fā)電，滿足日常用電需求。

其次，平臺功能需求不同。傳統(tǒng)油氣平臺搭載各類油氣工程模塊，危險源較多，相應(yīng)的防火、防爆要求高。而海洋牧場平臺作為牧民的海上移動帳篷，主要滿足日常居住辦公、牧場管護、船舶停靠功能，并可拓展環(huán)境監(jiān)測、觀光旅游、垂釣娛樂等附加功能，除發(fā)電機室或者光伏電池室外，沒有危險源。因此，消防、防爆可根據(jù)需求合理化配置。

最后，由于海洋牧場平臺應(yīng)用的主體差異、功能差異，最終可接受的平臺造價也有很大差異。海洋牧場平臺麻雀雖小、五臟俱全，因此設(shè)計出既經(jīng)濟安全又滿足功能需求的平臺，對設(shè)計、建造單位是個非常大的挑戰(zhàn)。

3 自升式海洋牧場平臺設(shè)計案例

3.1 平臺總體介紹

國內(nèi)安裝的首座自升式海洋牧場多功能平臺是一座矩形鋼制平臺，配4支圓柱型樁腿，樁腿下端設(shè)有樁靴，每支樁腿配備液壓插銷式升降系統(tǒng)，平臺可實現(xiàn)自行升降。平臺集海洋牧場看護、海洋環(huán)境監(jiān)測、作業(yè)人員生活居住、海上休閑旅游等多功能于一體，于2016年完成設(shè)計、建造，并安裝在山東長島附近海域。

平臺主要參數(shù)為：型長25.0 m，型寬25.0 m，型深2.5 m，樁腿總長37.0 m，樁腿縱向間距22.5 m，樁腿橫向間距21.5 m。

3.2 平臺在位評估

3.2.1 分析模型

本平臺4支樁腿通過上下導(dǎo)向和升降插銷與主船體連接。上下導(dǎo)向只約束樁腿與船體之間的水平位移，升降插銷約束樁腿與船體之間的垂向位移、垂直插銷方向的水平位移及垂直插銷方向的轉(zhuǎn)動。

平臺設(shè)計壽命20 a。為減少牧民維護成本，設(shè)計中參照固定平臺要求考慮腐蝕裕量，飛濺區(qū)取值6.5 mm，全浸區(qū)和大氣區(qū)取1.5 mm。

根據(jù)海洋牧場主提供的地質(zhì)勘查報告，平臺站位入泥深度預(yù)計1 m。分析中考慮1 m入泥深度，樁靴底部提供部分轉(zhuǎn)動約束。

在位分析分為正常作業(yè)和風暴自存2個工況。正常作業(yè)工況的設(shè)計環(huán)境條件的重現(xiàn)期不小于1 a，風暴自存工況設(shè)計環(huán)境條件的重現(xiàn)期不小于50 a，并假定50 a一遇的風、浪、流同時出現(xiàn)。

根據(jù)海洋牧場主提供的海況數(shù)據(jù)，確定2個工況的設(shè)計海況，見表1。

在位分析使用SACS有限元分析軟件，按照上述設(shè)計信息，簡化分析模型，見圖1。

圖1 SACS分析模型

3.2.2 設(shè)計載荷

每個工況要考慮的設(shè)計載荷包括靜載荷和環(huán)境載荷。靜載荷包括平臺自重及可變載荷。環(huán)境載荷包括風、浪、流載荷及動力響應(yīng)載荷。另外，靜載荷和環(huán)境載荷共同引起的P-Δ效應(yīng)也要考慮。

(1)靜載荷

該平臺的靜載荷預(yù)估見表2。靜載荷一般通過載荷或者質(zhì)量形式施加到分析模型中。

表2 靜載荷 單位：kN

(2)風浪流環(huán)境載荷

環(huán)境載荷包括風、浪、流載荷及動力響應(yīng)載荷，其中風載荷F計算公式如下：

F=0.613×10-3ChCsSv2

(1)

式中：Ch為受風構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs為受風構(gòu)件形狀系數(shù)；S為受風構(gòu)件的正投影面積， m2；v為設(shè)計風速，m/s。

平臺的樁腿屬于小尺寸孤立樁柱結(jié)構(gòu)，其波浪載荷可用莫里森公式計算?？紤]海流與波浪的相互作用,計算時應(yīng)將波浪水質(zhì)點速度與海流速度矢量相加。

(2)

上述風、浪、流環(huán)境載荷可通過SACS軟件的Seastate模塊定義并自動計算。

(3)動力效應(yīng)

在站立工況下，當采用下式求得的動力放大系數(shù)DAF>1.1 時，應(yīng)考慮由于波浪和流共同作用產(chǎn)生的動力效應(yīng)：

(3)

式中：Tn為平臺沿載荷入射方向上的一階平動自振周期，s；T為波浪周期，s；ζ為臨界阻尼的百分比(一般取不大于7%)。

(4)

式中：FIn為由于動力效應(yīng)引起的慣性力， kN；Fmax為最大浪流剪力， kN；Fmin為最小浪流剪力， kN。

動力效應(yīng)引起的慣性力一般由工程師根據(jù)上述公式自行計算出載荷值，然后施加回模型中。

(4)P-Δ效應(yīng)

由靜載荷產(chǎn)生的軸向壓力P和由環(huán)境載荷引起的樁腿整體側(cè)向位移Δ聯(lián)合作用所產(chǎn)生的力或者力矩應(yīng)在分析中加以考慮。P-Δ效應(yīng)引起的彎矩M計算公式如下：

M=WΔ

(5)

(6)

式中：M為P-Δ效應(yīng)引起的彎矩，kN·m；W為平臺重量，kN；δ為平臺主體線彈性一階側(cè)向位移， m；P為樁腿平均受壓載荷，kN；PE為整根樁腿的彈性臨界力(歐拉力)， kN。

P-Δ載荷可以通過SACS程序自動施加，也可以由工程師根據(jù)上述公式自行計算出等效彎矩，然后施加到模型中。

(5)載荷組合

經(jīng)計算，得到上述載荷組合，見表3、表4。

表3 正常作業(yè)工況載荷組合

表4 風暴自存工況載荷組合

3.2.3 分析結(jié)果

樁腿材料選用DH36和EH36，其屈服強度為355 MPa。在位分析中正常作業(yè)工況和風暴自存工況下樁腿的強度利用率分別為0.52、0.88，見圖2。

圖2 樁腿強度利用率

在位分析的支持載荷和樁靴支反力為下一步升降系統(tǒng)和樁靴設(shè)計提供基礎(chǔ)，分析結(jié)果顯示：正常作業(yè)工況和風暴自存工況下平臺的最大單樁支持載荷分別為1 170、1 470 kN，最大樁靴支反力分別為1 550、1 868 kN。

正常作業(yè)工況、風暴自存工況的傾覆穩(wěn)性計算結(jié)果分別見表5、表6。表中只考慮50%可變載荷在位狀態(tài)的傾覆穩(wěn)性計算結(jié)果，安全系數(shù)遠大于1，穩(wěn)性安全。

表5 正常作業(yè)工況傾覆穩(wěn)性

表6 風暴自存工況傾覆穩(wěn)性

在位評估驗證平臺可抵御作業(yè)海域的環(huán)境條件，與總體布置需求相結(jié)合，進而確定平臺主尺度及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。平臺整體框架結(jié)構(gòu)確立后，進而進行平臺上各項功能系統(tǒng)的布局及設(shè)計。

3.3 平臺功能布設(shè)

海洋牧場平臺的6大功能包括辦公居住、牧場管護、觀光旅游、垂釣娛樂、船舶?？俊h(huán)境監(jiān)測。

辦公居住和牧場管護是海洋牧場平臺首先要保障的基本功能。平臺上建設(shè)有起居艙室、娛樂設(shè)施及膳食服務(wù)設(shè)施，遵循保護健康和安全及事故預(yù)防的原則，為人員提供一個安全舒適的作業(yè)和生活環(huán)境。平臺上配置有無線電通信、航行設(shè)備、信號設(shè)備、起重設(shè)備，并可根據(jù)海洋牧場業(yè)主要求增設(shè)探照燈、高壓水槍等看護裝備。

為滿足觀光旅游、船舶?？?、垂釣娛樂功能，平臺舷側(cè)設(shè)置靠船和登程通道，舷邊布設(shè)釣位，主船體艙內(nèi)可建設(shè)為海洋科普館、水族館等。根據(jù)海域情況，平臺周邊還可以增設(shè)潛水、游釣等親水項目。

海洋牧場平臺作為海洋牧民們的“移動帳篷”，可用作各類海洋大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，真正意義上形成海岸陸地的延伸。目前已實現(xiàn)基本環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測項目，包括水下監(jiān)測水深、溫度、鹽度、溶解氧、pH、葉綠素、濁度；水上監(jiān)測風速、風向、氣溫、氣壓、濕度和降雨量等。

此外，根據(jù)制定的設(shè)計標準[5]，平臺要配備水、電、暖、通風及排水系統(tǒng)，以及拖帶裝置、防污底系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、充足的救生設(shè)備等，以保障生命、財產(chǎn)及環(huán)境安全。

4 結(jié)語

本研究提出了海洋牧場平臺概念，論證了海洋牧場平臺的功能需求，制定了地方設(shè)計標準，并設(shè)計交付全國首座自升式海洋牧場平臺。平臺至今已運營近5 a時間，期間成功抵御多次臺風襲擊；辦公居住、牧場管護、觀光旅游、垂釣娛樂、船舶?？?、環(huán)境監(jiān)測6大功能運行良好。海洋牧場平臺將單一的漁業(yè)裝備升級改造成以生態(tài)環(huán)保、資源養(yǎng)護、高效生產(chǎn)為導(dǎo)向的可持續(xù)發(fā)展裝備，兼顧牧場管護、休閑漁業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等功能，填補了我國高端海洋漁業(yè)裝備的空白。