新型海洋牧場平臺功能研究與設計

劉 靜，傅 強，韓華偉，孫玉海，鄭 浩，屈 強

(1.中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺 264670；2.中國海洋工程咨詢協會，北京 100071)

0 引言

國家海洋強國戰略，對海洋漁業的現代化建設提出了新的發展要求。2013年，國務院發布的《關于促進海洋漁業持續健康發展的若干意見》文件要求控制近海養殖密度，拓展離岸養殖及深遠海養殖，提高設施裝備水平和組織化程度。通過應用高端海洋漁業裝備，拓展深遠海養殖新空間，是我國深遠海漁業發展的方向。

我國海洋牧場建設始于 20 世紀 70 年代末, 是促進海洋漁業持續發展的重要途徑。闕華勇等[1]探討了現代海洋牧場建設的現狀與發展對策。楊紅生等[2]提出，海洋牧場是以環境和生態和諧為目的導向, 集環境保護、資源養護、高效生產和休閑漁業為一體的海洋經濟新業態, 是解決我國近海環境保護和漁業資源可持續利用的重要途徑；同時現代海洋牧場要更加突出體現工程化、機械化、自動化、信息化等特點和優勢。顏慧慧等[3]進一步提出，海洋牧場概念內容正逐步增多，不僅僅指養殖技術，同時融合生態環境修復、旅游開發等方面的內容。海洋牧場的研究學者多次提到了現代化海洋牧場的發展方向和對現代化高端漁業裝備的需求，但是對漁業裝備本身并未做深入研究，對高端海洋漁業裝備的具體功能需求和設計標準有待探討。

為此，本文以山東現代化海洋牧場發展為例，詳細分析高端海洋漁業裝備——海洋牧場平臺的誕生及發展過程，包括海洋牧場平臺功能需求的調研及定位，對比傳統油氣平臺提出海洋牧場平臺的特殊性及其設計原則，并依據該設計原則進行國內首座海洋牧場平臺設計研究。

1 海洋牧場平臺功能需求

經過幾十年的發展，海洋牧場正在逐步擴大其研究內容，由單純的養殖漁業向海洋休閑漁業方向發展，逐步增加高科技項目、旅游開發等。

現代海洋牧場著眼于可持續發展，更加突出深遠海、自動化、信息化等特點和優勢。傳統的漁船由于其航行速度慢、抗風浪能力弱等原因，已不能滿足深遠海牧場巡視、管護需求等基本要求，更無法滿足海洋牧場的功能拓展。2016年初，我國中集來福士海洋工程有限公司應海洋漁業發展需求，率先提出了海洋牧場平臺概念[4]。

海洋牧場平臺作為支持海洋漁業持續發展的高端裝備，與傳統成熟的油氣平臺不同。一方面海洋牧場平臺使用方為海洋牧民，一般不具備專業工程知識，要盡量減少或避免專業工程操作；另一方面，海洋牧場平臺不用于工程作業，而是海洋牧民的“移動帳篷”。因此，要根據海洋牧場平臺的功能需求、安全性、經濟性等方面進行論證和特殊設計。

海洋牧場平臺需要在深遠海給海洋牧民提供一處安全、穩定的作業平臺，牧民可在平臺上居住辦公、管護牧場、停靠船舶，同時還可以發展休閑漁業，開拓環境監測等功能，為海洋牧場大數據建設、海洋漁業的可持續發展提供保障。

經過山東、江蘇、海南等多地海洋牧牧場考察，廣泛征求海洋牧場主意見，最終形成海洋牧場平臺6大功能配置：辦公居住、牧場管護、觀光旅游、垂釣娛樂、船舶停靠、環境監測。

2 海洋牧場平臺設計依據

在海洋牧場平臺發展之初，國內尚未出臺相應設計標準，設計中主要參考海上移動平臺和淺海固定平臺相關設計標準和檢驗規范，但是海洋牧場平臺功能需求不同于傳統的油氣平臺，不能完全照搬海上油氣平臺設計標準。

首先，平臺的應用主體不同。油氣平臺由專業的工程團隊操作，而海洋牧場平臺供海洋牧民使用。大多牧民不具備專業工程操作能力，因此海洋牧場平臺設計中要充分考慮其安全性，并簡化操作，如：設計小型船舶靠泊設施、登程梯，便于登乘平臺；增設光伏發電，滿足日常用電需求。

其次，平臺功能需求不同。傳統油氣平臺搭載各類油氣工程模塊，危險源較多，相應的防火、防爆要求高。而海洋牧場平臺作為牧民的海上移動帳篷，主要滿足日常居住辦公、牧場管護、船舶停靠功能，并可拓展環境監測、觀光旅游、垂釣娛樂等附加功能，除發電機室或者光伏電池室外，沒有危險源。因此，消防、防爆可根據需求合理化配置。

最后，由于海洋牧場平臺應用的主體差異、功能差異，最終可接受的平臺造價也有很大差異。海洋牧場平臺麻雀雖小、五臟俱全，因此設計出既經濟安全又滿足功能需求的平臺，對設計、建造單位是個非常大的挑戰。

3 自升式海洋牧場平臺設計案例

3.1 平臺總體介紹

國內安裝的首座自升式海洋牧場多功能平臺是一座矩形鋼制平臺，配4支圓柱型樁腿，樁腿下端設有樁靴，每支樁腿配備液壓插銷式升降系統，平臺可實現自行升降。平臺集海洋牧場看護、海洋環境監測、作業人員生活居住、海上休閑旅游等多功能于一體，于2016年完成設計、建造，并安裝在山東長島附近海域。

平臺主要參數為：型長25.0 m，型寬25.0 m，型深2.5 m，樁腿總長37.0 m，樁腿縱向間距22.5 m，樁腿橫向間距21.5 m。

3.2 平臺在位評估

3.2.1 分析模型

本平臺4支樁腿通過上下導向和升降插銷與主船體連接。上下導向只約束樁腿與船體之間的水平位移，升降插銷約束樁腿與船體之間的垂向位移、垂直插銷方向的水平位移及垂直插銷方向的轉動。

平臺設計壽命20 a。為減少牧民維護成本，設計中參照固定平臺要求考慮腐蝕裕量，飛濺區取值6.5 mm，全浸區和大氣區取1.5 mm。

根據海洋牧場主提供的地質勘查報告，平臺站位入泥深度預計1 m。分析中考慮1 m入泥深度，樁靴底部提供部分轉動約束。

在位分析分為正常作業和風暴自存2個工況。正常作業工況的設計環境條件的重現期不小于1 a，風暴自存工況設計環境條件的重現期不小于50 a，并假定50 a一遇的風、浪、流同時出現。

根據海洋牧場主提供的海況數據，確定2個工況的設計海況，見表1。

在位分析使用SACS有限元分析軟件，按照上述設計信息，簡化分析模型，見圖1。

圖1 SACS分析模型

3.2.2 設計載荷

每個工況要考慮的設計載荷包括靜載荷和環境載荷。靜載荷包括平臺自重及可變載荷。環境載荷包括風、浪、流載荷及動力響應載荷。另外，靜載荷和環境載荷共同引起的P-Δ效應也要考慮。

(1)靜載荷

該平臺的靜載荷預估見表2。靜載荷一般通過載荷或者質量形式施加到分析模型中。

表2 靜載荷 單位：kN

(2)風浪流環境載荷

環境載荷包括風、浪、流載荷及動力響應載荷，其中風載荷F計算公式如下：

F=0.613×10-3ChCsSv2

(1)

式中：Ch為受風構件的高度系數；Cs為受風構件形狀系數；S為受風構件的正投影面積， m2；v為設計風速，m/s。

平臺的樁腿屬于小尺寸孤立樁柱結構，其波浪載荷可用莫里森公式計算。考慮海流與波浪的相互作用,計算時應將波浪水質點速度與海流速度矢量相加。

(2)

上述風、浪、流環境載荷可通過SACS軟件的Seastate模塊定義并自動計算。

(3)動力效應

在站立工況下，當采用下式求得的動力放大系數DAF>1.1 時，應考慮由于波浪和流共同作用產生的動力效應：

(3)

式中：Tn為平臺沿載荷入射方向上的一階平動自振周期，s；T為波浪周期，s；ζ為臨界阻尼的百分比(一般取不大于7%)。

(4)

式中：FIn為由于動力效應引起的慣性力， kN；Fmax為最大浪流剪力， kN；Fmin為最小浪流剪力， kN。

動力效應引起的慣性力一般由工程師根據上述公式自行計算出載荷值，然后施加回模型中。

(4)P-Δ效應

由靜載荷產生的軸向壓力P和由環境載荷引起的樁腿整體側向位移Δ聯合作用所產生的力或者力矩應在分析中加以考慮。P-Δ效應引起的彎矩M計算公式如下：

M=WΔ

(5)

(6)

式中：M為P-Δ效應引起的彎矩，kN·m；W為平臺重量，kN；δ為平臺主體線彈性一階側向位移， m；P為樁腿平均受壓載荷，kN；PE為整根樁腿的彈性臨界力(歐拉力)， kN。

P-Δ載荷可以通過SACS程序自動施加，也可以由工程師根據上述公式自行計算出等效彎矩，然后施加到模型中。

(5)載荷組合

經計算，得到上述載荷組合，見表3、表4。

表3 正常作業工況載荷組合

表4 風暴自存工況載荷組合

3.2.3 分析結果

樁腿材料選用DH36和EH36，其屈服強度為355 MPa。在位分析中正常作業工況和風暴自存工況下樁腿的強度利用率分別為0.52、0.88，見圖2。

圖2 樁腿強度利用率

在位分析的支持載荷和樁靴支反力為下一步升降系統和樁靴設計提供基礎，分析結果顯示：正常作業工況和風暴自存工況下平臺的最大單樁支持載荷分別為1 170、1 470 kN，最大樁靴支反力分別為1 550、1 868 kN。

正常作業工況、風暴自存工況的傾覆穩性計算結果分別見表5、表6。表中只考慮50%可變載荷在位狀態的傾覆穩性計算結果，安全系數遠大于1，穩性安全。

表5 正常作業工況傾覆穩性

表6 風暴自存工況傾覆穩性

在位評估驗證平臺可抵御作業海域的環境條件，與總體布置需求相結合，進而確定平臺主尺度及關鍵結構設計參數。平臺整體框架結構確立后，進而進行平臺上各項功能系統的布局及設計。

3.3 平臺功能布設

海洋牧場平臺的6大功能包括辦公居住、牧場管護、觀光旅游、垂釣娛樂、船舶停靠、環境監測。

辦公居住和牧場管護是海洋牧場平臺首先要保障的基本功能。平臺上建設有起居艙室、娛樂設施及膳食服務設施，遵循保護健康和安全及事故預防的原則，為人員提供一個安全舒適的作業和生活環境。平臺上配置有無線電通信、航行設備、信號設備、起重設備，并可根據海洋牧場業主要求增設探照燈、高壓水槍等看護裝備。

為滿足觀光旅游、船舶停靠、垂釣娛樂功能，平臺舷側設置靠船和登程通道，舷邊布設釣位，主船體艙內可建設為海洋科普館、水族館等。根據海域情況，平臺周邊還可以增設潛水、游釣等親水項目。

海洋牧場平臺作為海洋牧民們的“移動帳篷”，可用作各類海洋大數據監測平臺，真正意義上形成海岸陸地的延伸。目前已實現基本環境數據的檢測項目，包括水下監測水深、溫度、鹽度、溶解氧、pH、葉綠素、濁度；水上監測風速、風向、氣溫、氣壓、濕度和降雨量等。

此外，根據制定的設計標準[5]，平臺要配備水、電、暖、通風及排水系統，以及拖帶裝置、防污底系統、消防系統、充足的救生設備等，以保障生命、財產及環境安全。

4 結語

本研究提出了海洋牧場平臺概念，論證了海洋牧場平臺的功能需求，制定了地方設計標準，并設計交付全國首座自升式海洋牧場平臺。平臺至今已運營近5 a時間，期間成功抵御多次臺風襲擊；辦公居住、牧場管護、觀光旅游、垂釣娛樂、船舶停靠、環境監測6大功能運行良好。海洋牧場平臺將單一的漁業裝備升級改造成以生態環保、資源養護、高效生產為導向的可持續發展裝備，兼顧牧場管護、休閑漁業、環境監測等功能，填補了我國高端海洋漁業裝備的空白。