履帶吊作業安裝平臺的可行性研究

楊松

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067）

1 前言

傳統海工自升式支持平臺由平臺結構、樁腿及升降機構組成，其中自升式平臺的主船體部分是一個水密結構，用以承載機械，實現海洋作業支持功能。當其浮于海面上時，主船體部分產生的浮力用以平衡樁腿、機械、結構等的重力。自升式平臺包括很多通用的結構，最大的不同在于樁腿結構、升降系統以及樁腿與船體之間的載荷傳遞系統。

帶有獨立樁靴的樁基結構的樁靴數量與樁腿數量相同。樁靴式樁基結構最大的優勢在于能夠適應不同的海底地形。除此之外，樁靴的壓載并沒有嚴格的順序要求。目前，主流自升式平臺多采用樁靴式樁基系統，避免了在軟土層地區作業時樁腿插入太長影響作業深度，同時，也提高了插樁和拔樁作業時安全性。一般情況下，這種樁靴底部會做成突起的過渡形狀，像一個小錐形的頭部，方便入泥的功用，并且樁靴上自身一般會帶有沖樁系統。

所有的自升式鉆井平臺都具有樁腿結構。該結構的作用是保證船體升離水面到一定高度而不必承受波浪載荷。樁腿結構主要有兩種形式：圓柱式和桁架式。圓柱式樁腿適用于作業水深小于300英尺，當水深大于300英尺時，通常使用桁架式樁腿結構。圓柱式樁腿結構最大的優勢在于體積較小，占用較少的甲板面積，因而建造工藝比較簡單；桁架式樁腿結構由弦管及撐管構成。

本文重點針對自升式支持平臺搭載履帶吊方案總體布置、結構加強、站立穩性和結構強度進行研究，開展海上風機安裝作業工程的方案可行性研究，解決當前海上風機吊裝專用船資源緊張問題。

2 自升式支持平臺搭載履帶方案

2.1 總體布置研究

本文自升式支持平臺，為一矩形箱型船體結構，平臺型長63.6m，型寬40m，型深5.8m。平臺配置四條圓柱樁腿，每個樁腿下部安裝一個正方形樁靴，樁腿總長度90m（不含樁靴），樁靴邊長為11.7m，高度為1.5m。平臺配置四套液壓齒輪齒條升降系統，用于平臺的升降操作。主船體有三層甲板，分別是雙層底、下甲板和主甲板。

主甲板由生活區和工作區組成。工作區甲板面積約為1500m2。平臺配置兩套主推裝置和一套艏側推裝置，具備DP1控制系統。平臺配置1座190t主吊機和1座20t輔助吊機，配置2套電動錨絞車。生活區有四層甲板，可實現300人住宿能力，應急發電機房布置于第三層生活區甲板，升降控制室布置于生活區頂樓，生活區前端安裝一直徑22.2m的直升機甲板，可搭載Sikorsky S-92型直升機。原平臺總布置如圖1所示。

圖1 自升式支持平臺總體布置示意圖

2.2 改造方案設計

計劃將一座XGC11000型履帶吊布置在主甲板上，如圖2所示，履帶吊裝能力參數數據。

圖2 吊裝工藝方案

履帶吊參數和作業載荷數據如表1所示。按照履帶吊在平臺甲板上的移動軌跡，進行專用工裝底座設計，設計圖如圖3所示，沿著履帶吊履帶設置兩行軌道，作為履帶吊作業行走支撐，底座由型材、肘板等組成，型材腹板上開減輕孔，主甲板反面結構進行加強。底座材料為AH32，底座整體高度為800mm。

表1 履帶吊參數和作業載荷數據

圖3 結構有限元模型

2.3 吊裝工藝研究

本文提出的改造方案計劃用于連云港灌云風電場，計劃吊裝風機機型為金風科6.45MW，葉片長度186m。

（1）結構總體強度分析。針對本方案，結合連云港灌云海上風電場環境地質參數條件，對自升式平臺搭載履帶吊進行作業工況下結構強度有限元分析。

主要計算輸入如表2所示，且模型剛度目前采用與給出的初始模型一致，并未進行調整。

表2 主要計算輸入參數

模型的所有甲板、舷側板、艙壁板、縱/橫桁材腹板、加強結構桁材腹板均采用二維三、四節點殼單元模擬，其他加強筋及桁材面板用二節點梁單元模擬，網格大小約為600mm。模型的結構有限元如圖3所示。

在樁腿底部簡支約束，上下導向采用mpc連接約束xy方向平動自由度，抬升系統采用mpc連接約束z向自由度。風載荷來源DS356-101-006JS Wind Force Calculation 1(2020.01.17退審)中3.8節，相關數據如表3所示。具體風載荷采用加載在船體側面的均布載荷進行模擬。

表3 風載荷及彎矩

（2）吊機載荷。由于暫時無準確的吊機載荷，對吊機載荷采用預估的方式。主吊機吊重為120t。根據《DS356-050-00190M自升式平臺操船手冊5（2020.05.09退審）》中吊載120t時作業半徑大約為14m。考慮吊機自重大約為250t，作業半徑14m時，吊機自身重心到回轉重心力臂為7m（保守考慮）。同時，考慮吊機傾斜2°造成的水平載荷。具體吊機載荷預估數據如表4所示。

表4 吊機載荷預估數據

①強度計算結果。相應的結構分析計算云圖，具體強度計算結果見數據，最大板單元應力為306MPa，最大梁單元應力為283MPa，可見該結構滿足強度要求。②立柱的屈曲校核。選取履帶吊履帶下面立柱載荷最大的進行立柱的屈曲校核，經過核實，uc值為0.443滿足屈曲強度要求。

圖4

3 結語

采用履帶吊上自升式平臺安裝海上風機的工藝方案，從安全角度考慮，存在的安全風險高于常規海洋吊機，但是，在特定情況下，增加吊裝海上風機工況的風險因素分析和穩定性校核，保證結構強度安全、平臺拖航和站立的穩性，在升船壓載過程中充分考慮壓載的可靠性，為履帶吊作業構建穩定的平臺，也可作為一種臨時的方案投入生產。