自升式鉆井平臺重量控制方案

張 明，程志濤，幸耀庭

（大連中遠船務工程有限公司，遼寧大連 116113）

自升式鉆井平臺重量控制方案

張 明，程志濤，幸耀庭

（大連中遠船務工程有限公司，遼寧大連 116113）

文章通過對某自升式鉆井平臺在建造過程中所采取的各種重量控制方案的闡述，根據ABS MODU規范對海工產品的要求，總結了一套貫穿設計和建造階段的重量控制方案。此方案適用于大部分海工項目的重量控制要求。

重量控制；有限元計算；空船重量；減重

0 引言

全球經濟發展對能源要求不斷增大，海洋石油資源因其巨大的儲備量成為今后產業發展的主要方向，從而使以鉆井平臺為代表的海洋工程船舶的建造，成為備受關注的目標。

海洋工程船舶的建造，除要滿足大部分常規船舶的要求外，還受到更多海洋工程和工作海域等規范的約束。在其設計和建造過程中，既要考慮到滿足規范和功能的要求，又要考慮設計的合理性和經濟性。其中重量和重心的變化，將會影響船舶裝載能力和穩性等主要參數，而成為船東和船廠要求控制的主要指標。

1 重量控制的概念

1.1 概念

重量控制包含重量和重心的控制兩個方面。在設計階段通過估算得到一個大概的空船重量和重心位置，在建造過程中采取種種控制手段和方案，使最終建造完工狀態船舶的重量重心接近之前估算值的一個過程。

1.2 重量控制的意義

重量的變化會影響船舶的裝載和壓載能力。當實際空船重量超過設計重量時，船舶的裝貨量會減少，嚴重時可能導致船舶沉沒。反之空船重量少于設計重量，船舶的壓載能力受限，使某些半潛船在滿壓載水狀態仍不能達到下潛深度，直接影響功能使用。重心的變化會影響船舶的穩性，重心過高或過低都會給航行中的船舶帶來危險。船舶重量作為主要指標往往被船東明確寫入建造合同，超出設計重量往往會導致巨額罰款甚至有棄船的風險。

1.3 本文主要研究的目標

本文主要針對當前海工產品建造過程中，普遍存在的超重問題，結合某船廠在建的一座自升式鉆井平臺（入ABS級），在設計和建造過程中所采取的重量控制方案，總結出一套詳細的設計建造經驗，可有效降低空船重量，值得后續海工船舶借鑒。

2 重量控制的階段及方案

2.1 準備階段

準備階段是指在設計開始之前或設計剛剛開始之初，收到部分基本設計圖紙與技術規格書，還沒有對材料進行請購，此階段的重量控制應從以下幾點著手：

1）全員重視，成立專項重控小組

從項目剛開始，就要動員全體設計人員，在重量控制上給予足夠重視。許多超重嚴重的海工產品都是起因于開始階段不夠重視，等想起進行重量控制，需要降低重量時已悔之晚矣。全員的重控意識，成立專項重控小組，安排專職設計人員審圖，可在早期就把超重的風險降到最低，減少后來帶給現場的壓力，減少現場因需要減重而返工的工作量。

2）仔細研讀技術規格書和設備資料

產品的重量要求會在技術規格書中明確寫出。仔細研讀技術規格書，把要求的重量控制數據作為一項重要指標貫徹到設計和生產的各個環節。對任何設計，在滿足規格書要求的基礎上，考慮是否可以合理改變布置或改變結構材料來降低重量。

3）定期編制重量和重心控制報告

重量重心控制報告是重控過程中必不可缺的一個環節。在項目啟動時就應該有一個全面的重量重心控制報告表（見圖1），直到項目結束。把每一階段新增加的重量定期更新進去，與每一期重控的目標重量相比較，及時發現存在超重隱患的區域。

2.2 詳細設計階段

2.2.1 材料的選取

在材料的選擇上，除生活區和一些無強度要求的通道、走臺及圍壁結構外，盡量采取高強度鋼。高強度鋼在相同板厚的前提下，可以提供更高的屈服強度，從而達到簡化結構和降低重量的目的。另一方面，許多海工船舶需要在低溫海域工作，高強鋼在低溫時的性能也要好于同級別的普通鋼。圖 2為ABS MODU規范[1]對低溫時不同級別的材料所能取到的最大板厚的要求。

2.2.2 型材規格的選擇

海工船舶結構設計中型材的用量是比較大的，小到走人通道的平鐵、角鋼，大到直升機平臺支撐結構的工字梁、圓管，型材規格選擇不當往往是造成空船重量增加的主要原因之一。根據型材截面的幾何性能，在相同重量的前提下，圓管的剖面模數優于工字梁，其次是T型材和角鋼，這就是在主要結構的支撐中多使用圓管的原因。任何型材規格的選取，必須以計算結果為依據。海工船舶設計中多采用有限元強度分析軟件輔助結構設計，在滿足強度和穩定性要求的基礎上，可嘗試盡量降低型材規格以達到降低重量的目的。圖3為有限元分析軟件STAAD運行下的直升機平臺下部支撐結構的強度分析圖，可以看出每一根型材梁的利用率都比較高。

2.2.3 結構形式的優化

優化結構形式對重量控制也有著重要意義。例如，在相同強度的前提下，波形壁要比傳統的板加筋形式的圍壁具有更輕的重量。因此在一些圍壁處所，包括生活區的圍壁，經常設計成波形壁結構。圖4為同重量情況下波形壁各參數的比較[2]。

從結構的穩定性上考慮，三角形支撐最為穩定。因此如果空間允許，可考慮一些平臺的支撐多用斜撐代替垂直支撐結構，亦可有效降低設計時支撐結構的重量。

在一些跨距較大的通道走臺處，多采用桁架式結構可有效降低重量。例如鉆臺區域的維修平臺、生活區通往直升機平臺的長直走臺，因為位置的特殊性往往無法增加支撐結構，這時可采用桁架式結構的設計（見圖5），可在滿足強度的基礎上有效降低重量。

2.2.4 區分好主次結構

海工結構一般有主要結構和次要結構的區分，規范對主次結構的要求不同。主要結構需嚴格按照規范設計，而規范無明確要求的次要結構在滿足強度要求的基礎上可適當減弱結構形式。典型的例子是在一個遍布強橫梁的主要結構邊緣有一個僅走人的小通道，此通道不參與主要結構的強度計算，設計時可以考慮將此通道型材適當降低規格，滿足規范要求的均布載荷即可。

2.2.5 布置上的優化

一份合理的布置圖可以大幅降低無關重量的增加。這需要相關設計人員熟悉設備工作原理，在滿足設備功能的前提下，進行模型評比供各專業討論，然后得出最佳位置。最佳位置應該滿足使結構加強做到最少，電纜長度需求最短，減少相關管系的彎頭數量和長度等。

生活區的合理布置也是降低空船重量的有效手段。在滿足規范要求的基礎上，可合理降低生活區的層高，甚至可以在不影響強度的前提下，在生活區主梁開設減輕孔來降低重量，同時也可兼做生活區內電纜和各種管道等的穿越孔，如圖6所示。

2.2.6 焊接與狹小空間

焊接時焊肉產生的重量在重量控制時也需要考慮。各船級社在海工船舶焊接時有各自的焊角計算公式，不同區域選取焊接系數不同，同時會考慮腐蝕余量的影響。生活區的非潮濕區域等特殊區域可考慮間斷焊接。圖7為ABS海工規范對焊角的計算公式[1]。

盡量減少狹小空間的設計，因為大多數狹小空間會因為空間過小，無法油漆作業而做成封閉結構，從而產生重量增加。

2.3 建造階段

建造階段的重量控制主要以監控、現場修改為主，需要現場人員與設計人員相互配合，確保所有的重控方案都能在現場實施。

2.3.1 做好設備稱重工作

在建造的不同階段，每新到設備都需要做好設備稱重工作。稱重后的重量與設備資料相對比，很多設備重量存在誤差，累計后導致完工狀態超重。許多設備還有干重和濕重的區別，在重量控制時需要注意。

2.3.2 澄清可變載荷

可變載荷不計算在空船重量之內，因此需要在建造時與船東及時澄清哪些載荷屬于可變載荷，及時做好簽字備忘，以便完工時進行統計。

2.3.3 定期組織現場拉練

定期組織技術和現場人員一起進行現場拉練，熟悉現場的施工狀態，討論是否存在多余結構，是否可以修改。例如電纜托架形式是否可以簡化，管支架是否合理，一些設備底座是否可用墊塊形式替代組合型材形式等問題。積極的現場拉練可在項目已超重的情況下對空船重量進行補救，減小超重帶來的損失。

2.3.4 關于現場修改問題

在施工建造階段，船東船檢會提出各種修改，有些是合理的，有些在規范中并無此要求。此時需要盡力爭取，把增加重量的修改降到最低，同時對已修改的內容做好記錄，及時更新到重量控制報告中去。

3 結論

以上方案的總結對以鉆井平臺為代表的海工項目的建造具有一定的指導意義，但是重量控制是一個長期而任重道遠的工作，并不局限于以上方案。我國的海工建造業才剛剛起步，可以說機遇與風險并存。若想在國際市場占有更大份額，必須重視和做好重量控制工作，立足于長遠發展。

[1]ABS.Rules for Building and Classing, Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[2]ABS.Rules for Building and Classing, Steel Vessels[S].2015.

[3]孫東昌, 潘斌.海洋自升式移動平臺設計與研究[M].上海: 上海交通大學出版社, 2008.

Weight Control Solution for Self-elevating Drilling Unit

ZHANG Ming, CHENG Zhitao, XING Yaoting
(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

The paper introduces all the weight control solutions adopted during the construction of self-elevating drilling unit.According to the requirements of ABS MODU rule on offshore products, a set of weight control solution through the period of design and construction is summarized.The solution is suitable for the weight control requirements of most offshore projects.

weight control; FEA analysis; light weight; reduce weight

U692.1

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.008

張明（1984—），男，工程師，研究方向：船舶海工結構詳細設計。