一種新型的自升式平臺海水提升系統的設計

石保國 袁亞文 蘇福星 黃江峰 劉海臣

摘 ? ?要：本文提出了一種新型自升式平臺海水提升系統的設計方案：利用自升式平臺的升降系統，通過樁腿樁靴的升降直接帶動海水提升泵，替代海水提升泵塔和海水提升軟管絞車。

關鍵詞：自升式平臺;升降系統;海水提升系統;海水提升泵

中圖分類號：U663.31?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Based on the introduction of the conventional design scheme of the seawater lifting system of the jack-up platform， this paper puts forward a new seawater lifting design scheme： the jacking system of the jack-up platform can directly drive the seawater lifting pump through the lifting of pile legs and pile boots， which can replace the sea pump tower and the seawater lifting hose winch.

Key words： Jack-up platform; ?Jacking system; ?seawater lifting system; ?Seawater lifting pump

1 ? ? 前言

自升式平臺作為進行海洋資源開發與項目工程維護的重要裝備，在海洋能源開發中占據重要地位。開展海工自升式平臺的相關技術研究，對我國海洋資源開發和海洋工程裝備發展具有非常重要的意義。

海水在自升式平臺上應用廣泛，諸多系統都離不開海水。自升式平臺脫離海面處于升起狀態時，平臺依靠海水提升系統給平臺提供海水。自升式平臺海水提升系統主要由海水提升泵塔和海水提升軟管絞車組成。

本文通過對自升式平臺海水提升系統常規設計方案的布置和載荷分析，發現其工作可靠性不足，存在一定的安全隱患。為有效解決常規海水提升系統存在的問題，提出了一種新型的海水提升系統設計方案：利用自升式平臺上原有的升降系統，通過對樁腿樁靴的升降，直接帶動海水提升泵。這種新型設計方案能夠替代海水提升泵塔和海水提升軟管絞車，并消除了常規設計方案存在的隱患。

2 ? ? 常規海水提升系統簡介

自升式平臺在上升過程中，平臺底部逐漸脫離海面，最終升到一定氣隙高度時停止。升降期間海底門不能正常工作，為此自升式平臺一般均設有海水儲存艙。

海水儲存艙長期保持注滿海水狀態，其存儲海水量滿足平臺升降過程中所需用量。自升式平臺在升起狀態下，平臺供給海水主要依靠海水提升系統。

常規海水提升系統，主要有兩種方式：

（1）“海水提升軟管絞車方式”：一般設置為2臺/船或3臺/船;

（2）“海水提升泵塔+海水提升軟管絞車”方式：一般為各1臺/船。

下面主要介紹“海水提升泵塔+海水提升軟管絞車”方式。

2.1 ? ?海水提升泵塔

2.1.1 ?海水提升泵塔布置及參數

我司建造的自升式風電作業平臺（H6008/H6016），在升起狀態下主要依靠布置在左舷的海水提升泵塔作為海水供給設備，布置在右舷的海水提升軟管絞車作為備用海水供給設備：H6008平臺海水提升泵塔下掛3臺海水提升泵，H6016平臺海水提升泵塔下掛2臺海水提升泵。泵塔的選型主要由海水提升泵的排量、數量決定，其主要參數如下：

額定負荷：18 t

塔架總高度：30 m

電機功率：4X7.5 kW

塔架重量（不包括軟管3*16 m）：28 t

海水提升泵塔布置示意圖，如圖1所示。

圖2中：海水提升泵塔出水口端（A端）和平臺固定硬管進水口端（B端）通過軟管連接。在平臺升起狀態下，海水提升泵塔通過泵塔升級齒輪下降到可工作深度，平臺硬管進水口端處于高點，泵塔出水口端處于低點，泵塔連接軟管軌跡落在主甲板上;平臺在漂浮或拖航時，海水提升泵塔處于升起狀態，平臺硬管進水口端處于低點，泵塔出水口端處于高點，泵塔連接軟管整體懸空;海水提升泵塔在升起時，泵塔塔架高出主甲板約23 m。

2.1.2海水提升泵塔的主要缺點

海水提升泵塔，存在如下缺點;

（1）承受多方面載荷

海水提升泵塔承受風載荷、磨損載荷、重力載荷及功能載荷，對其影響較大的是風載荷。

在無限作業區域的平臺，最小設計風速為：自存工況～51.5 m/s（～100 kn）;正常作業工況～36 m/s（～70 kn）;具有營運限制附加標志的平臺，正常作業風速不小于～25.8 m/s。

風壓P按下式計算：

P=0.613*V?/10? ? ?（kpa） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中： V—設計風速（m/s）。

作用在泵塔構件上的風力F，按下式計算如下：

F=ChCsSP ? （Kn） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中： P—風壓（kpa）;

S—受風構件的正投影面積（m?）;

Ch—受風構件的高度系數，可根據構件的高度h在系數表中查得;

Cs—受風構件的形狀系數，可根據構件形狀在系數表中查得;

（2）占據主甲板面積大

采用海水提升泵塔的海水提升系統，需要配置一臺海水提升軟管絞車作為備用，占據主甲板面積大;

（3）海水提升泵塔和連接軟管，維護比較困難;

（4）海水提升泵塔需要設置限位和扶正裝置;

（5）海水提升泵塔采購成本大。

2.2 ?海水提升軟管絞車

我司建造的SE-300LB自升式海工平臺（H6003/4）和Z-210-108 LIFT BOAT（H6011），海水提升系統全部采用海水提升軟管絞車供給海水。以SE-300LB自升式海工平臺為例，本平臺設置3臺海水提升軟管絞車（主甲板右舷布置2臺，左舷布置1臺）。每臺絞車都設置了絞車平臺（5 400*4 400），占據主甲板面積約71㎡。

2.2.1海水提升軟管絞車的主要參數

（1）絞車：功率7.5 kW、電壓380 V、3相、50Hz、IP56，自帶盤式制動器和空間加熱器;傳動方式為行星齒輪傳動;絞車重量5.35 t;絞車平臺重量8.8t;

（2）雙排海水軟管：直徑4 ?ft，長度49 m;

（3）絞盤：4430x2680x3600（長x寬x高）m2;

海水提升軟管絞車布置示意圖如圖2所示。

2.2.2海水提升軟管絞車的主要缺點

海水提升軟管絞車，存在如下缺點;

（1）絞車軟管承受多方面載荷

平臺在升起狀態下，海水提升泵通過絞車軟管被放入海水中，軟管長度跨過了主船體型深、平臺氣隙高度、有義波高和海水提升泵正常工作潛入深度;絞車至海水段軟管懸空，無法固定;海水提升泵和軟管承受風載荷、波浪載荷與海流載荷;海水提升泵在風載荷、波浪載荷及海流載荷中必將產生位移，軟管在海水提升泵位移牽動下與船體外板產生摩擦;絞車軟管在風載荷、磨損載荷、重力載荷、波浪載荷、海流載荷及功能載荷下，存在軟管斷裂、海水提升泵連接螺栓松動、海水提升泵脫落掉入海中等風險。

（2）絞車軟管管路壓力損失大

海水提升軟管絞車中的海水軟管長度可以分為兩段：一段是絞車至海水段;另一段是纏繞在絞車絞盤上。絞車至海水段的軟管管路壓力主要為管路的摩擦損失，而纏繞絞車絞盤的軟管段的軟管主要為阻力損失。

總壓頭損失：P=P1+P2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：P1—摩擦損失：

P1=（λ·L/di）·（ρs?/2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：λ—摩擦系數;

L—軟管的長度;

di—軟管的內徑;

ρ—介質的密度;

s —介質的流速。

P2—阻力損失：

P2=∑η·ρ·s?/2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：η—阻力系數;

ρ—介質的密度;

s —介質的流速。

絞車軟管摩擦損失P1和阻力損失P2均大于船用無縫鋼管。

（3）絞車占據主甲板面積大

自升式平臺對主甲板面積的使用效率要求非常高，例如自升式風電安裝平臺出海作業時，主甲板需要擺放風機和風葉，要求主甲板有足夠的面積和空間;而海水提升軟管絞車占據甲板面積較大，以上述SE-LB300平臺為例，約占用主甲板面積達71㎡。

（4）絞車采購成本大

我司建造的800 t自升式風電作業平臺的軟管絞車采購成本，約60萬人民幣/臺。

3 ? ?新型海水提升系統

通過對常規海水提升系統的特點分析，為了有效解決甲板占用面積大、軟管使用壽命無保障、設備采購成本高等缺點，研究新型海水提升系統具有非常重要的意義。

3.1 ? 設計思路

海水提升系統的主要功能是在平臺站立期間，將海水通過海水提升泵輸送到海水儲存艙。如果能借助自升式平臺已有的升降系統，在不需要專門設置海水提升泵塔或軟管絞車的情況下實現海水提升泵的升降，那么就可以節省泵塔和軟管絞車。以我司建造的800t風電安裝平臺H6008為例，將海水提升泵固定在樁腿內僅高于最大入土深度位置，樁腿內部布置海水提升泵出水管，出水管上設置類似沖樁系統支管，以穿艙件形式穿過樁腿外板并配快速接頭;平臺在規定作業水深下作業時，能保證至少2處支管快速接頭位于固樁室內。同時在固樁室內海水提升泵出水管支管位置附近，布置海水提升硬管進水口固定端，通過軟管與就近支管快速接頭相連，從而實現海水提升系統管路的連通。

根據平臺所需海水用量和海水提升泵排量，在1～3（4）個樁腿內布置海水提升泵，包括備用海水提升泵，幾臺海水提升泵出水管可匯總后注入海水儲存艙。

圖3是以H6008平臺樁腿為背景的新型海水提升系統管系圖及海水提升泵布置示意圖。

3.2 ? 設計方案

新型自升式平臺海水提升系統是將海水提升泵布置在樁腿內，而泵需要潛入海水中才能吸入海水，因此需確保樁腿內部與海水灌通。H6008平臺的八角形樁腿站樁后，潛入至海面之下的樁腿內部可通過升降系統在樁腿上設置的插銷孔灌入海水，使樁腿與海水相通。新型海水提升系統方案示意圖，見圖4。

3.3 ? 主要優點

新型海水提升系統方案與常規海水提升系統方案相比，具有以下優點;

（1）不需要占據主甲板面積，提高甲板面積使用效率;

（2）避免了諸多載荷影響，提高了安全可靠性;

（3）不需要限位裝置和扶正裝置;

（4）節約了平臺電力負荷;

（5）采購成本低，不需要軟管絞車、泵塔等設備。

常規海水提升系統與新型海水提升系統方案的成本對比，如表1所示。

4 ? ?結束語

海水提升系統是自升式平臺不可缺少的部分。本文通過對自升式平臺常規海水提升系統的分析，發現其占用甲板面積大、軟管使用壽命無保障、設備采購成本高等缺點，為此提出了一種新型的設計方案。新方案利用自升式平臺原有的升降系統，通過升降系統對樁腿樁靴的升與降直接帶動海水提升泵，替代海水提升泵塔和海水提升軟管絞車。新型海水提升系統安全、可靠、經濟，對我國海洋資源開發和海洋項目工程裝備發展具有重要的意義。

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