自升式海上勘探平台设计要点研究

引言

　　与传统的勘探船相比，自升式海上勘探平台可营造陆地勘探环境，可使海上地质勘探作业不受风、浪、涌的影响，提高了勘探精度和效率，改善了作业人员的工作环境。与其他自升式平台相比，该平台的设计重点在于安全性、经济性、操作便利性和舒适性[1]。

　　1 平台设计目标

　　该平台主要用于江苏、浙江沿海及福建沿海一带，这些区域水文环境复杂，海床地质差异极大，为了提升勘探作业的效率，要求平台具有能在恶劣海况下工作的能力，從而加大海上勘探作业的窗口期。

　　经过综合考虑多方面因素，最终确定为四桩腿自升式非自航平台。该平台长29 m，宽22 m，型深3.5 m，可变载荷280 t，桩腿长度56 m，最大作业水深35 m，可供25人居住。另外，该平台采用液压齿轮齿条式升降系统，配备2台180 kW主发电机组和一台64 kW应急兼停泊发电机组。在首部工作甲板区域设有两个月池，可实现一次站桩多点勘探，减少平台移位次数，可在7级风时正常进行勘探作业，同时在面临极端恶劣风暴状况时，该平台可在18 m水深抗不大于100节暴风。

　　2 平台整体规划

　　平台的总布置以工作安全、整体布局合理为原则，综合考虑平台的各类功能舱室布置、四点锚泊、固桩架、救生艇和起重机等的布置要求[2]。

　　平台定员为25人，主甲板以上分两个功能区域，尾部的生活区和首部的工作区。其中尾部的生活区以功能分层和简洁实用为原则，共计分3层，其中最下一层为功能舱室，设有实验室、厨房、餐厅等;第二层为人员居住处所，设有人员住舱、厕所和盥洗室;第三层为控制处所，设有控制室和会议室。主甲板以下主要设有机舱、辅机舱、燃油舱、淡水舱、压载舱等，其中为机舱和辅机舱集中布置在平台中部，既体现了功能舱室的集中布置原则，也使得设备处所远离居住区，减小了设备噪声的影响，給平台上的工作人员提供了良好的休息环境。

　　主甲板的前部为工作区，尾部为生活区，升降系统和四点锚泊布置在平台四角，起重吊和潜水泵靠边布置，该布置在体现功能分区的原则上，尽可能增大了作业甲板的净面积。

　　01甲板为平台工作人员的居住区，其中4人间5个，2人间2个，1人间1个，厕所和盥洗室公用，布置在两侧，该布置体现了简洁实用的布置原则，在不影响人员居住条件的情况下，尽可能地减小了布置空间。

　　02甲板设有控制室和会议室，另外，甲板的两侧也作为救生艇的登乘平台，布置简洁合理。

　　主甲板下设有机舱、辅机舱、燃油舱、淡水舱、压载舱、缓冲舱、舱底水舱、生活污水舱和空舱。其中辅机舱和机舱集中布置在平台中部，该布置体现了机械处所的集中布置原则，方便使用。为简化管系的设置，将缓冲舱布置在平台的首部，同时兼做压载舱使用。

　　3 设计要点研究

　　针对该平台的使用要求，总体设计原则要求安全性、经济性、操作便利性和舒适性[3]。下面就部分设计重点进行阐述。

　　3.1 桩腿强度分析

　　该平台主体完整稳性和破舱稳性主要通过 NAPA进行分析评估，结构通过FEA有限元分析软件进行分析，而平台桩腿强度分析主要通过SACS软件进行。

　　3.1.1 桩腿结构图

　　平台桩腿直径取 1.8 m，考虑建造简单及焊接的可行性，桩腿选择 EH36材料，桩腿每1.5 距离设置环形T型材结构以防止桩腿外板屈曲，桩腿顶部设置平台保证桩腿的密封性，桩腿外板厚度根据桩腿强度计算确定。

　　3.1.2 桩腿结构强度计算

　　根据平台的作业工况，采用SACS软件建立桩腿模型，根据规范施加风载荷、波流载荷、平台起升重量载荷、P-△载荷，波流动力响应产生的惯性载荷，经过计算桩腿强度满足规范要求，确保桩腿在作业下的安全性。

　　根据几种作业工况、自存状态及远洋拖航状况下的计算结果，桩腿强度因子均小于1， 单齿最大受力小于100 t，桩腿强度及升降系统受力均满足规范要求。

　　3.1.3 平台抗倾覆稳性

　　平台站立工况下，在环境载荷作用下应具有足够的抗倾覆能力，在设计动力放大效应及 P-△效应后，平台的抗倾稳性应满足下述要求：Mk/Mq≥Kq。（其中Mk：坐底时的抗倾力矩（kN·m），Mq：坐底时的倾覆力矩（kN·m），Kq：抗倾安全系数，为 1.1）。

　　根据桩腿整体强度计算模型可得平台在所有外载荷作用下的倾覆力矩，同时根据平台重量、可变载荷、桩腿桩靴重量可计算出抗倾覆力矩，根据桩腿计算结果，各种作业工况下安全系数均满足要求。

　　3.2 空船重量限制

　　为了减轻结构重量，平台主船体采用高强度钢并用MSC.PATRAN/NASTRAN 软件建立整船有限元模型，通过计算分析平台各作业工况下的应力分布情况，然后根据计算结果优化结构尺寸，使得结构既满足强度要求，保证平台的安全性，又不至于强度富裕过大，增加结构重量。

　　设计阶段为了及时掌握结构重量重心信息，采用NAPA-STEEL软件建立全船结构模型，将全船的钢结构（板材、骨材）等结构全部反映出来，可以快速地得到全船的重量重心，也可提取不同规格的结构重量，为船厂掌握全船钢料信息提供支撑。严格按照程序送审设计图纸，单位充分评估平台各部重量。 　　3.3 冲桩系统设计

　　冲桩系统的设计主要用于拔桩前后冲刷桩靴表面，防止拔桩时由于吸附力太大造成事故。该平台冲桩系统包含高压水冲桩和低压水冲桩。

　　高压冲桩水由1台高压冲桩泵从海水箱吸水并经管路输送至各桩腿附近，然后通过由壬连接软管与桩腿上冲桩由壬接头连接，而实现高压水冲桩。低压冲桩水则由消防泵提供，消防水经管路输送至桩腿附近后通过由壬连接软管与桩腿上冲桩由壬接头连接，而实现低压水冲桩。

　　每条桩腿上每间隔3 m设有一对冲桩开口，共设有13对冲桩孔。每个冲桩孔上分别设有至桩靴上环和下环冲桩由壬接头各1个，由壬接头尺寸为10 cm。桩靴上下表面均设有冲桩喷嘴，每个表面设有6个DN32冲桩喷嘴。桩靴表面冲桩喷嘴处设置DN80半弧形护管，护管两端设置封板并使封板与桩靴表面留有 10 mm 流水孔间隙。该护管除起到导流以使冲桩水沿桩靴表面冲刷外，还起到保护作用，以防止喷嘴堵塞。

　　3.4 噪声与振动控制

　　各种船舶及海上平台是一个相对封闭的工作和生活环境，由振动源引起的船舶结构振动和噪声源引起的空气噪声和结构噪声不仅影响长期工作和生活在平台上的人员的休息，也容易引起精神疲劳，从而工作效率下降。另外，产生噪声的振源是造成平台结构疲劳破坏的根源之一，不利于机电设备的正常运行，对平台的使用寿命和安全性产生影响。为实现减振降噪，该平台主要采取如下技术手段。1）从布置上进行优化处理，通过对工作区与居住区进行合理划分，相互不干涉不影响，特别是将主要振动噪声源（机舱）与居住区的隔离布置，使得本平台区域划分明确，有利于振动和噪声的隔绝。 2）船体结构进行有限元分析评估船体低阶固有频率， 避免和主要动力设备发生共振。3）噪声源与其他公共服务区相邻限界面局部敷设隔音隔热绝缘。 4）在海上试验过程中，测试全船的局部振动响应和舱室噪声，全面验证减振降噪的效果。

　　3.4.1 振动控制

　　3.4.1.2 设备振动控制

　　机舱内的发电机、空压机和各类泵等在工作时产生的振动是船舶最大的振动源，柴油机、空压机等设备振动能量主要集中于低频，属于人体最敏感的频率范围，设备振动能量激起船体钢结构振动，传递到平台各处所，处理方式主要是合理加强设备基座。

　　3.4.1.2 平台振动控制

　　平台振动是结构随时间做周期性运动，这种运动会对结构产生交变应力，加速结构的疲劳损伤，轻则引起乘员及船员的不适，重则影响机器设备的正常工作，甚者造成结构的疲劳破坏，从而降低船舶的使用寿命。设计时应将平台主题整体模态频率和舱室局部模态频率避开柴油机、电站的扰动频率，避免出现共振;结构布置上，应注重结构的环闭形式，保证钢质舱壁在高度和长度上尽量延伸。

　　該平台所采用的主要结构减振措施有5个。 1）提高各层甲板的剪切刚度，有效提高纵向振动固有频率; 各层侧壁应尽量上下对齐; 适当位置设置上下对齐的内围壁; 对于上端围壁在甲板下无法设置围壁处，应设置桁材或大肘板，增加剪切面积。 2）提高各层甲板的支承刚度。 上层建筑的围壁应尽可能设于有足够刚性的舱壁上，各层围壁宜设在同一垂直面内，各上层建筑的内围壁、扶强材和支柱也应尽可能设在同一垂直面内。 3）避免设计大面积的板架和大跨度的梁。 大面积板架会造成频率减低，使板架固有频率降低并接近叶频发生共振;本船考虑设置部分中间短舱壁或增加支柱，从而提高整体板架的固有频率，避免局部振动。 4）避免大跨度板格。 如层高较高，板格的长边会较长，固有频率较低，对此应在中间设置水平桁或等高筋，能够有效提高板格频率，控制板格的振动。5）机舱内应合理设计船侧、甲板、平台等的扶强结构，主机基座与船底纵桁的连接应均匀过渡，且在机舱内避免纵向呈折角线，机座应尽可能延伸到机舱前、后壁。

　　3.4.2 噪声控制

　　当前使用陶瓷棉或矿物棉等隔音隔热材料是隔音降噪最普遍的方法。该平台在设计中通过优化布置，将噪声源与生活区尽量分开，对于生活区跟噪声源和热源相临界处装设隔音隔热材料进一步降低噪声，可以收到满意的效果。完成船舶建造后，平台进行海上试验时对典型或者重点检测舱室进行噪声测试以验证实船的噪声情况。

　　4 结语

　　通过在设计建造过程中严格的管控措施，该平台空船重量得以控制在合理范围内且船舶舱室噪声测试的结果也符合预期，极大地提高了工作人员和科研人员办公的舒适性。实践证明，该文提到的重难点问题的解决方法是行之有效的。目前该平台已顺利交付，服务于各类海上风电设施建设的前期地质勘探，带来了很好的社会效益及经济效益。