自升式海上勘探平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

引言

　　與傳統(tǒng)的勘探船相比，自升式海上勘探平臺(tái)可營(yíng)造陸地勘探環(huán)境，可使海上地質(zhì)勘探作業(yè)不受風(fēng)、浪、涌的影響，提高了勘探精度和效率，改善了作業(yè)人員的工作環(huán)境。與其他自升式平臺(tái)相比，該平臺(tái)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于安全性、經(jīng)濟(jì)性、操作便利性和舒適性[1]。

　　1 平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　該平臺(tái)主要用于江蘇、浙江沿海及福建沿海一帶，這些區(qū)域水文環(huán)境復(fù)雜，海床地質(zhì)差異極大，為了提升勘探作業(yè)的效率，要求平臺(tái)具有能在惡劣海況下工作的能力，從而加大海上勘探作業(yè)的窗口期。

　　經(jīng)過(guò)綜合考慮多方面因素，最終確定為四樁腿自升式非自航平臺(tái)。該平臺(tái)長(zhǎng)29 m，寬22 m，型深3.5 m，可變載荷280 t，樁腿長(zhǎng)度56 m，最大作業(yè)水深35 m，可供25人居住。另外，該平臺(tái)采用液壓齒輪齒條式升降系統(tǒng)，配備2臺(tái)180 kW主發(fā)電機(jī)組和一臺(tái)64 kW應(yīng)急兼停泊發(fā)電機(jī)組。在首部工作甲板區(qū)域設(shè)有兩個(gè)月池，可實(shí)現(xiàn)一次站樁多點(diǎn)勘探，減少平臺(tái)移位次數(shù)，可在7級(jí)風(fēng)時(shí)正常進(jìn)行勘探作業(yè)，同時(shí)在面臨極端惡劣風(fēng)暴狀況時(shí)，該平臺(tái)可在18 m水深抗不大于100節(jié)暴風(fēng)。

　　2 平臺(tái)整體規(guī)劃

　　平臺(tái)的總布置以工作安全、整體布局合理為原則，綜合考慮平臺(tái)的各類功能艙室布置、四點(diǎn)錨泊、固樁架、救生艇和起重機(jī)等的布置要求[2]。

　　平臺(tái)定員為25人，主甲板以上分兩個(gè)功能區(qū)域，尾部的生活區(qū)和首部的工作區(qū)。其中尾部的生活區(qū)以功能分層和簡(jiǎn)潔實(shí)用為原則，共計(jì)分3層，其中最下一層為功能艙室，設(shè)有實(shí)驗(yàn)室、廚房、餐廳等;第二層為人員居住處所，設(shè)有人員住艙、廁所和盥洗室;第三層為控制處所，設(shè)有控制室和會(huì)議室。主甲板以下主要設(shè)有機(jī)艙、輔機(jī)艙、燃油艙、淡水艙、壓載艙等，其中為機(jī)艙和輔機(jī)艙集中布置在平臺(tái)中部，既體現(xiàn)了功能艙室的集中布置原則，也使得設(shè)備處所遠(yuǎn)離居住區(qū)，減小了設(shè)備噪聲的影響，給平臺(tái)上的工作人員提供了良好的休息環(huán)境。

　　主甲板的前部為工作區(qū)，尾部為生活區(qū)，升降系統(tǒng)和四點(diǎn)錨泊布置在平臺(tái)四角，起重吊和潛水泵靠邊布置，該布置在體現(xiàn)功能分區(qū)的原則上，盡可能增大了作業(yè)甲板的凈面積。

　　01甲板為平臺(tái)工作人員的居住區(qū)，其中4人間5個(gè)，2人間2個(gè)，1人間1個(gè)，廁所和盥洗室公用，布置在兩側(cè)，該布置體現(xiàn)了簡(jiǎn)潔實(shí)用的布置原則，在不影響人員居住條件的情況下，盡可能地減小了布置空間。

　　02甲板設(shè)有控制室和會(huì)議室，另外，甲板的兩側(cè)也作為救生艇的登乘平臺(tái)，布置簡(jiǎn)潔合理。

　　主甲板下設(shè)有機(jī)艙、輔機(jī)艙、燃油艙、淡水艙、壓載艙、緩沖艙、艙底水艙、生活污水艙和空艙。其中輔機(jī)艙和機(jī)艙集中布置在平臺(tái)中部，該布置體現(xiàn)了機(jī)械處所的集中布置原則，方便使用。為簡(jiǎn)化管系的設(shè)置，將緩沖艙布置在平臺(tái)的首部，同時(shí)兼做壓載艙使用。

　　3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

　　針對(duì)該平臺(tái)的使用要求，總體設(shè)計(jì)原則要求安全性、經(jīng)濟(jì)性、操作便利性和舒適性[3]。下面就部分設(shè)計(jì)重點(diǎn)進(jìn)行闡述。

　　3.1 樁腿強(qiáng)度分析

　　該平臺(tái)主體完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性主要通過(guò) NAPA進(jìn)行分析評(píng)估，結(jié)構(gòu)通過(guò)FEA有限元分析軟件進(jìn)行分析，而平臺(tái)樁腿強(qiáng)度分析主要通過(guò)SACS軟件進(jìn)行。

　　3.1.1 樁腿結(jié)構(gòu)圖

　　平臺(tái)樁腿直徑取 1.8 m，考慮建造簡(jiǎn)單及焊接的可行性，樁腿選擇 EH36材料，樁腿每1.5 距離設(shè)置環(huán)形T型材結(jié)構(gòu)以防止樁腿外板屈曲，樁腿頂部設(shè)置平臺(tái)保證樁腿的密封性，樁腿外板厚度根據(jù)樁腿強(qiáng)度計(jì)算確定。

　　3.1.2 樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

　　根據(jù)平臺(tái)的作業(yè)工況，采用SACS軟件建立樁腿模型，根據(jù)規(guī)范施加風(fēng)載荷、波流載荷、平臺(tái)起升重量載荷、P-△載荷，波流動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生的慣性載荷，經(jīng)過(guò)計(jì)算樁腿強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，確保樁腿在作業(yè)下的安全性。

　　根據(jù)幾種作業(yè)工況、自存狀態(tài)及遠(yuǎn)洋拖航狀況下的計(jì)算結(jié)果，樁腿強(qiáng)度因子均小于1， 單齒最大受力小于100 t，樁腿強(qiáng)度及升降系統(tǒng)受力均滿足規(guī)范要求。

　　3.1.3 平臺(tái)抗傾覆穩(wěn)性

　　平臺(tái)站立工況下，在環(huán)境載荷作用下應(yīng)具有足夠的抗傾覆能力，在設(shè)計(jì)動(dòng)力放大效應(yīng)及 P-△效應(yīng)后，平臺(tái)的抗傾穩(wěn)性應(yīng)滿足下述要求：Mk/Mq≥Kq。（其中Mk：坐底時(shí)的抗傾力矩（kN·m），Mq：坐底時(shí)的傾覆力矩（kN·m），Kq：抗傾安全系數(shù)，為 1.1）。

　　根據(jù)樁腿整體強(qiáng)度計(jì)算模型可得平臺(tái)在所有外載荷作用下的傾覆力矩，同時(shí)根據(jù)平臺(tái)重量、可變載荷、樁腿樁靴重量可計(jì)算出抗傾覆力矩，根據(jù)樁腿計(jì)算結(jié)果，各種作業(yè)工況下安全系數(shù)均滿足要求。

　　3.2 空船重量限制

　　為了減輕結(jié)構(gòu)重量，平臺(tái)主船體采用高強(qiáng)度鋼并用MSC.PATRAN/NASTRAN 軟件建立整船有限元模型，通過(guò)計(jì)算分析平臺(tái)各作業(yè)工況下的應(yīng)力分布情況，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，使得結(jié)構(gòu)既滿足強(qiáng)度要求，保證平臺(tái)的安全性，又不至于強(qiáng)度富裕過(guò)大，增加結(jié)構(gòu)重量。

　　設(shè)計(jì)階段為了及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)重量重心信息，采用NAPA-STEEL軟件建立全船結(jié)構(gòu)模型，將全船的鋼結(jié)構(gòu)（板材、骨材）等結(jié)構(gòu)全部反映出來(lái)，可以快速地得到全船的重量重心，也可提取不同規(guī)格的結(jié)構(gòu)重量，為船廠掌握全船鋼料信息提供支撐。嚴(yán)格按照程序送審設(shè)計(jì)圖紙，單位充分評(píng)估平臺(tái)各部重量。 　　3.3 沖樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　沖樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要用于拔樁前后沖刷樁靴表面，防止拔樁時(shí)由于吸附力太大造成事故。該平臺(tái)沖樁系統(tǒng)包含高壓水沖樁和低壓水沖樁。

　　高壓沖樁水由1臺(tái)高壓沖樁泵從海水箱吸水并經(jīng)管路輸送至各樁腿附近，然后通過(guò)由壬連接軟管與樁腿上沖樁由壬接頭連接，而實(shí)現(xiàn)高壓水沖樁。低壓沖樁水則由消防泵提供，消防水經(jīng)管路輸送至樁腿附近后通過(guò)由壬連接軟管與樁腿上沖樁由壬接頭連接，而實(shí)現(xiàn)低壓水沖樁。

　　每條樁腿上每間隔3 m設(shè)有一對(duì)沖樁開口，共設(shè)有13對(duì)沖樁孔。每個(gè)沖樁孔上分別設(shè)有至樁靴上環(huán)和下環(huán)沖樁由壬接頭各1個(gè)，由壬接頭尺寸為10 cm。樁靴上下表面均設(shè)有沖樁噴嘴，每個(gè)表面設(shè)有6個(gè)DN32沖樁噴嘴。樁靴表面沖樁噴嘴處設(shè)置DN80半弧形護(hù)管，護(hù)管兩端設(shè)置封板并使封板與樁靴表面留有 10 mm 流水孔間隙。該護(hù)管除起到導(dǎo)流以使沖樁水沿樁靴表面沖刷外，還起到保護(hù)作用，以防止噴嘴堵塞。

　　3.4 噪聲與振動(dòng)控制

　　各種船舶及海上平臺(tái)是一個(gè)相對(duì)封閉的工作和生活環(huán)境，由振動(dòng)源引起的船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲源引起的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲不僅影響長(zhǎng)期工作和生活在平臺(tái)上的人員的休息，也容易引起精神疲勞，從而工作效率下降。另外，產(chǎn)生噪聲的振源是造成平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞破壞的根源之一，不利于機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)平臺(tái)的使用壽命和安全性產(chǎn)生影響。為實(shí)現(xiàn)減振降噪，該平臺(tái)主要采取如下技術(shù)手段。1）從布置上進(jìn)行優(yōu)化處理，通過(guò)對(duì)工作區(qū)與居住區(qū)進(jìn)行合理劃分，相互不干涉不影響，特別是將主要振動(dòng)噪聲源（機(jī)艙）與居住區(qū)的隔離布置，使得本平臺(tái)區(qū)域劃分明確，有利于振動(dòng)和噪聲的隔絕。 2）船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析評(píng)估船體低階固有頻率， 避免和主要?jiǎng)恿υO(shè)備發(fā)生共振。3）噪聲源與其他公共服務(wù)區(qū)相鄰限界面局部敷設(shè)隔音隔熱絕緣。 4）在海上試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試全船的局部振動(dòng)響應(yīng)和艙室噪聲，全面驗(yàn)證減振降噪的效果。

　　3.4.1 振動(dòng)控制

　　3.4.1.2 設(shè)備振動(dòng)控制

　　機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)和各類泵等在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)是船舶最大的振動(dòng)源，柴油機(jī)、空壓機(jī)等設(shè)備振動(dòng)能量主要集中于低頻，屬于人體最敏感的頻率范圍，設(shè)備振動(dòng)能量激起船體鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)，傳遞到平臺(tái)各處所，處理方式主要是合理加強(qiáng)設(shè)備基座。

　　3.4.1.2 平臺(tái)振動(dòng)控制

　　平臺(tái)振動(dòng)是結(jié)構(gòu)隨時(shí)間做周期性運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交變應(yīng)力，加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，輕則引起乘員及船員的不適，重則影響機(jī)器設(shè)備的正常工作，甚者造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，從而降低船舶的使用壽命。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將平臺(tái)主題整體模態(tài)頻率和艙室局部模態(tài)頻率避開柴油機(jī)、電站的擾動(dòng)頻率，避免出現(xiàn)共振;結(jié)構(gòu)布置上，應(yīng)注重結(jié)構(gòu)的環(huán)閉形式，保證鋼質(zhì)艙壁在高度和長(zhǎng)度上盡量延伸。

　　該平臺(tái)所采用的主要結(jié)構(gòu)減振措施有5個(gè)。 1）提高各層甲板的剪切剛度，有效提高縱向振動(dòng)固有頻率; 各層側(cè)壁應(yīng)盡量上下對(duì)齊; 適當(dāng)位置設(shè)置上下對(duì)齊的內(nèi)圍壁; 對(duì)于上端圍壁在甲板下無(wú)法設(shè)置圍壁處，應(yīng)設(shè)置桁材或大肘板，增加剪切面積。 2）提高各層甲板的支承剛度。 上層建筑的圍壁應(yīng)盡可能設(shè)于有足夠剛性的艙壁上，各層圍壁宜設(shè)在同一垂直面內(nèi)，各上層建筑的內(nèi)圍壁、扶強(qiáng)材和支柱也應(yīng)盡可能設(shè)在同一垂直面內(nèi)。 3）避免設(shè)計(jì)大面積的板架和大跨度的梁。 大面積板架會(huì)造成頻率減低，使板架固有頻率降低并接近葉頻發(fā)生共振;本船考慮設(shè)置部分中間短艙壁或增加支柱，從而提高整體板架的固有頻率，避免局部振動(dòng)。 4）避免大跨度板格。 如層高較高，板格的長(zhǎng)邊會(huì)較長(zhǎng)，固有頻率較低，對(duì)此應(yīng)在中間設(shè)置水平桁或等高筋，能夠有效提高板格頻率，控制板格的振動(dòng)。5）機(jī)艙內(nèi)應(yīng)合理設(shè)計(jì)船側(cè)、甲板、平臺(tái)等的扶強(qiáng)結(jié)構(gòu)，主機(jī)基座與船底縱桁的連接應(yīng)均勻過(guò)渡，且在機(jī)艙內(nèi)避免縱向呈折角線，機(jī)座應(yīng)盡可能延伸到機(jī)艙前、后壁。

　　3.4.2 噪聲控制

　　當(dāng)前使用陶瓷棉或礦物棉等隔音隔熱材料是隔音降噪最普遍的方法。該平臺(tái)在設(shè)計(jì)中通過(guò)優(yōu)化布置，將噪聲源與生活區(qū)盡量分開，對(duì)于生活區(qū)跟噪聲源和熱源相臨界處裝設(shè)隔音隔熱材料進(jìn)一步降低噪聲，可以收到滿意的效果。完成船舶建造后，平臺(tái)進(jìn)行海上試驗(yàn)時(shí)對(duì)典型或者重點(diǎn)檢測(cè)艙室進(jìn)行噪聲測(cè)試以驗(yàn)證實(shí)船的噪聲情況。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)在設(shè)計(jì)建造過(guò)程中嚴(yán)格的管控措施，該平臺(tái)空船重量得以控制在合理范圍內(nèi)且船舶艙室噪聲測(cè)試的結(jié)果也符合預(yù)期，極大地提高了工作人員和科研人員辦公的舒適性。實(shí)踐證明，該文提到的重難點(diǎn)問(wèn)題的解決方法是行之有效的。目前該平臺(tái)已順利交付，服務(wù)于各類海上風(fēng)電設(shè)施建設(shè)的前期地質(zhì)勘探，帶來(lái)了很好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。