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 NAPA進(jìn)行分析評(píng)估，結(jié)構(gòu)通過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)

　　通過在設(shè)計(jì)建造過程中嚴(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。