移動(dòng)式多功能平臺(tái)總體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

朱龍偉+李蘭芳+徐勝

摘 要：本文闡述了移動(dòng)自升式平臺(tái)采用“平臺(tái)通用化、功能模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化”的創(chuàng)新總體設(shè)計(jì)理念，使平臺(tái)可在多種功能間快速切換。并介紹了平臺(tái)的總體性能在復(fù)雜載荷條件下的數(shù)值仿真分析方法。

關(guān)鍵詞：Liftboat； 自升式平臺(tái)；多功能；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：U674.40 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

General Design of Mobile Multifunctional Lift Boat

ZHU Longwei， LI Lanfang， XU Sheng

（ Whale Offshore Engineering Co.， Ltd. Shenzhen 518067 ）

Abstract： This paper describes the general design concept of "platform generalization， functional modularization and interface standardization" for the mobile multifunctional lift boat， so that the platform can switch quickly between multiple functions. The numerical simulation method of the general performance of the platform under complex load conditions is introduced.

Key words： Lift boat； Self-elevating platform； Multifunctional； Numerical stimulation

1 引言

目前，移動(dòng)式多功能平臺(tái)主要用于配合鉆井平臺(tái)鉆井、油田生產(chǎn)服務(wù)、海上油田建設(shè)、油田增產(chǎn)、修井作業(yè)、生活支持、風(fēng)電安裝等方面。該類平臺(tái)配有三或四條獨(dú)立樁腿，可以根據(jù)所處海域環(huán)境情況實(shí)現(xiàn)400 ft以內(nèi)水深的快速插樁、壓樁，使主船體脫離海面一定高度以降低海浪對(duì)平臺(tái)的作業(yè)干擾；平臺(tái)配有舵槳及首側(cè)推系統(tǒng)，具備自主航行及動(dòng)力定位功能，可以在油田群內(nèi)或短距離間實(shí)現(xiàn)快速作業(yè)切換；平臺(tái)可根據(jù)需求布置1 500 m2左右的甲板面積，承載5 t/m2的甲板載荷，滿足鉆修井模塊、維修作業(yè)甲板堆放、吊裝等空間需求；平臺(tái)可配備50～300人的生活區(qū)，并提供相應(yīng)的燃油、淡水、氣電等動(dòng)力物資供應(yīng)，滿足連續(xù)作業(yè)的需求；平臺(tái)可配備1 200 t主吊機(jī)和相應(yīng)輔助吊機(jī)，滿足7 MW等現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的海上安裝需求及油田生產(chǎn)平臺(tái)大型模塊的吊裝運(yùn)輸?shù)纫蟆Ｒ陨瞎δ苁沟靡苿?dòng)式多功能平臺(tái)在安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適用性等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)其需求量不斷增加，其設(shè)計(jì)方案和理念也不斷得到優(yōu)化和提升。

根據(jù)多條平臺(tái)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，本文依據(jù)移動(dòng)式多功能平臺(tái)的主要功能、通用作業(yè)要求、接口界面要求等因素，對(duì)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并闡述了平臺(tái)的總體性能在復(fù)雜載荷條件下的數(shù)值仿真分析方法。

2 平臺(tái)通用化

全面準(zhǔn)確收集不同功能平臺(tái)的技術(shù)數(shù)據(jù)信息，科學(xué)合理的匯總主要通用部分，對(duì)設(shè)計(jì)的組成部分進(jìn)行分類處理，主要考慮如下幾個(gè)方面：

（1）平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿足不同作業(yè)水深、氣隙、入泥深度、風(fēng)速、底面及表面流速、浪高、可變載荷等條件下的強(qiáng)度及穩(wěn)性要求，包括主船體、樁腿、樁靴、升降塔、直升機(jī)甲板等。參見圖1；

（2）平臺(tái)艙室空間滿足不同功能下設(shè)備布置的要求。艙室的布置依據(jù)各功能下設(shè)備數(shù)量、尺寸統(tǒng)籌考慮，預(yù)留后期升級(jí)改造空間。主要包括艙室劃分、生活艙室布置、工作艙室布置、艙面設(shè)備布置、通道及扶梯設(shè)置等；

（3）平臺(tái)公用系統(tǒng)能力按最大能力要求設(shè)計(jì)，并預(yù)留后期升級(jí)改造余量。主要考慮壓載系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、沖樁系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、疏排系統(tǒng)、柴油系統(tǒng)、海水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、冷藏系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)等。

3 功能模塊化

對(duì)不同功能的設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行成撬，能適用于不同油田油氣水處理要求，重量輕、體積小、安裝成本低，并且操作簡(jiǎn)單，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化生產(chǎn)。參見圖2。

功能模塊具體包括：

（1）鉆井功能—井口區(qū)、鉆機(jī)、鉆井支持模塊、鉆井設(shè)備模塊、生活樓模塊；

（2）修井功能—井口區(qū)、修井機(jī)、修井支持模塊、生活樓模塊；

（3）生產(chǎn)功能—井口區(qū)、采油樹、工藝處理模塊、動(dòng)力模塊、生活樓模塊。

4 接口模塊化

對(duì)不同功能模塊及系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)籌考慮連接界面：

（1）統(tǒng)一結(jié)構(gòu)支撐形式：根據(jù)各模塊的布置，預(yù)先做好設(shè)備底座、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)公用系統(tǒng)，且統(tǒng)一采用國(guó)際接口；

（2）平臺(tái)動(dòng)力能源外輸系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)：包括燃料外輸系統(tǒng)、電力外輸系統(tǒng)以及壓縮空氣系統(tǒng)等接口；

（3）平臺(tái)供給外輸系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)：包括淡水、海水、消防、鹽水、泥漿、散料等外輸管線等接口；

（4）平臺(tái)與水下生產(chǎn)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)：包括混輸海管、注水海管以及電液控制管纜接口。

5 平臺(tái)的數(shù)值仿真分析

平臺(tái)的總體性能直接影響其操作安全及作業(yè)能力，需要給予重點(diǎn)關(guān)注。在對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜條件下的數(shù)值仿真分析之前，需根據(jù)給定的客戶要求或者平臺(tái)使用方向，對(duì)平臺(tái)尺度、總布置、性能、船體結(jié)構(gòu)、鐵舾裝、內(nèi)裝、輪機(jī)、電氣、機(jī)械、空調(diào)等各個(gè)方面，通過計(jì)算、繪圖及多方案的比較，得出一個(gè)合理的初步設(shè)計(jì)方案，以確定數(shù)值仿真分析的初步輸入數(shù)據(jù)。

5.1 平臺(tái)計(jì)算載荷

（1）功能載荷

包括固定載荷和可變載荷：固定載荷主要包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備重量；可變載荷主要包括各液艙的配載、平臺(tái)作業(yè)相關(guān)載荷和其他生活供應(yīng)品。endprint

（2）環(huán)境載荷

主要包括風(fēng)、海流和波浪載荷，以及波浪載荷產(chǎn)生的慣性力載荷。環(huán)境載荷的模擬，要充分考慮平臺(tái)實(shí)際使用中可能遇到的情況，要考慮不同方向的影響。

（3）變形載荷

主要為平臺(tái)建造誤差、船體和樁腿之間的距離以及平臺(tái)的橫移、環(huán)境載荷產(chǎn)生的水平位移等產(chǎn)生的載荷。

（4）拖航波動(dòng)載荷

在移航狀態(tài)，樁腿完全提升，如船體支持的懸臂梁一般，任何橫搖或者縱搖運(yùn)動(dòng)和風(fēng)力組合都會(huì)對(duì)樁腿產(chǎn)生很大的彎矩、以及作用在升降塔位置的支反力。

5.2 平臺(tái)主船體及樁腿強(qiáng)度分析

主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核采用板元結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型，樁腿結(jié)構(gòu)采用梁系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單模擬，以確定船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的邊界條件。

在樁腿的強(qiáng)度校核中，不考慮船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，采用梁系結(jié)構(gòu)對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，將船體縱橫剖面視為箱型結(jié)構(gòu)，模型的梁?jiǎn)卧M合截面特性按如下方式進(jìn)行定義：（1）面積與實(shí)際船體截面一致；（2）y、z方向的慣性矩與實(shí)際船體截面一致；（3）扭轉(zhuǎn)慣性矩與實(shí)際船體截面一致。通過上述定義，確保梁系模型與實(shí)際船體剛度保持一致。參見圖3。

5.3 樁腿升降塔分析

升降塔是安裝及固定升降單元、同時(shí)連接主船體與樁腿的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其承受載荷大、加工精度要求高，通過有限元模型對(duì)升降塔結(jié)構(gòu)的真實(shí)模擬，反應(yīng)出平臺(tái)系統(tǒng)的剛度和方位，明確樁腿彎矩和剪力在上導(dǎo)向與下導(dǎo)向以及升降和鎖緊之間的分布。

同時(shí)，根據(jù)模擬合理布置樁腿間距，使平臺(tái)重心和樁腿型心基本重合，樁腿能平均分配整個(gè)平臺(tái)的重量，有利于樁腿的受力，平臺(tái)重力引起的樁靴對(duì)地壓力基本一致，提高樁腿強(qiáng)度的利用率，很好的平衡了結(jié)構(gòu)冗余度及平臺(tái)整體的經(jīng)濟(jì)性。

5.4 平臺(tái)樁靴的能力分析

根據(jù)平臺(tái)樁腿強(qiáng)度分析，得到樁腿作用于樁靴上的最大載荷。采用有限元分析軟件建立樁靴模型（見圖4），考慮靜水壓力，按正常作業(yè)工況、吊機(jī)操作工況及風(fēng)暴自存工況，根據(jù)美國(guó)船級(jí)社ABS設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮整個(gè)面積受力和50%面積受力，組合成不同的受力狀態(tài)，校核樁靴強(qiáng)度。

5.5 平臺(tái)穩(wěn)性分析

平臺(tái)的穩(wěn)性分析使用GHS軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，分別考慮其在漂浮狀態(tài)的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性，并按規(guī)范要求校核平臺(tái)在站立狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)性。

根據(jù)已建立的全尺寸數(shù)值模型（見圖5），按規(guī)范要求，針對(duì)平臺(tái)在工作狀態(tài)和自存狀態(tài)進(jìn)行模擬，以確保平臺(tái)漂浮狀態(tài)下的操作使用安全。

平臺(tái)的抗傾覆穩(wěn)性是指平臺(tái)在重量、浮力及海床的聯(lián)合作用下，抵抗環(huán)境載荷作用而引起平臺(tái)傾覆的能力，此指標(biāo)是考核平臺(tái)站立安全性的重要性能之一。它以通過平臺(tái)一根或多根樁腿的最不利軸線計(jì)算抗傾覆力矩，如圖6中A-A軸線。按美國(guó)船級(jí)社ABS的相關(guān)規(guī)范：作業(yè)及自存的條件下，平臺(tái)的抗傾覆安全系數(shù)不低于1.1～1.3（對(duì)于獨(dú)立樁腿的平臺(tái)，其安全系數(shù)不低于1.1；對(duì)于有墊塊的平臺(tái)，其安全系數(shù)不低于1.3）。抗傾覆安全系數(shù)Ks按下式計(jì)算：

KS = Ms/M0 （1）

MS = MD+ML+MS （2）

M0 = ME+MDM+PΔ （3）

式中：MD—平臺(tái)自重產(chǎn)生的恢復(fù)力矩；

ML—樁腿、樁靴重量產(chǎn)生的恢復(fù)力矩；

MS—海床對(duì)樁靴吸附、摩擦產(chǎn)生的恢復(fù)力矩；

ME—風(fēng)、浪、流對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生的傾覆力矩；

MDM—波浪慣性力產(chǎn)生的傾覆力矩；

PΔ—船體P-Delta效應(yīng)產(chǎn)生的傾覆力矩；

MO — 傾覆力距。

6 結(jié)論

平臺(tái)通過數(shù)值仿真分析，確保其主船體、樁腿、樁靴、升降塔等主要結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷下的強(qiáng)度、穩(wěn)性等安全能力滿足要求，使平臺(tái)操作更加可靠。

同時(shí)，通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的總體設(shè)計(jì)理念，可將各項(xiàng)功能需要的裝備進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際需要選擇性進(jìn)行搭載，在確保安全性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)功能快速靈活的轉(zhuǎn)換，具有更好的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1] ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling

Units [M] 2008 （with Rule Change Notices）.endprint