自升式海上勘探平台设计要点研究

　　摘 要：自升式海上勘探平台可营造陆地勘探环境，可使海上地质勘探作业不受风、浪、涌的影响。该文结合自升式海洋平台及地质勘探的具体要求，从平台安全性、经济性、操作便利性和舒适性等方面对自升式海上勘探平台的设计进行了阐述，并就设计建造过程中可能出现的空船重量超重及振动噪声等问题提出了解决方法。

　　关键词：自升式平台;勘探;桩腿强度分析

　　0 引言

　　与传统的勘探船相比，自升式海上勘探平台可营造陆地勘探环境，可使海上地质勘探作业不受风、浪、涌的影响，提高了勘探精度和效率，改善了作业人员的工作环境。与其他自升式平台相比，该平台的设计重点在于安全性、经济性、操作便利性和舒适性[1]。

　　1 平台设计目标

　　该平台主要用于江苏、浙江沿海及福建沿海一带，这些区域水文环境复杂，海床地质差异极大，为了提升勘探作业的效率，要求平台具有能在恶劣海况下工作的能力，從而加大海上勘探作业的窗口期。

　　经过综合考虑多方面因素，最终确定为四桩腿自升式非自航平台。该平台长29 m，宽22 m，型深3.5 m，可变载荷280 t，桩腿长度56 m，最大作业水深35 m，可供25人居住。另外，该平台采用液压齿轮齿条式升降系统，配备2台180 kW主发电机组和一台64 kW应急兼停泊发电机组。在首部工作甲板区域设有两个月池，可实现一次站桩多点勘探，减少平台移位次数，可在7级风时正常进行勘探作业，同时在面临极端恶劣风暴状况时，该平台可在18 m水深抗不大于100节暴风。

　　2 平台整体规划

　　平台的总布置以工作安全、整体布局合理为原则，综合考虑平台的各类功能舱室布置、四点锚泊、固桩架、救生艇和起重机等的布置要求[2]。

　　平台定员为25人，主甲板以上分两个功能区域，尾部的生活区和首部的工作区。其中尾部的生活区以功能分层和简洁实用为原则，共计分3层，其中最下一层为功能舱室，设有实验室、厨房、餐厅等;第二层为人员居住处所，设有人员住舱、厕所和盥洗室;第三层为控制处所，设有控制室和会议室。主甲板以下主要设有机舱、辅机舱、燃油舱、淡水舱、压载舱等，其中为机舱和辅机舱集中布置在平台中部，既体现了功能舱室的集中布置原则，也使得设备处所远离居住区，减小了设备噪声的影响，給平台上的工作人员提供了良好的休息环境。

　　主甲板的前部为工作区，尾部为生活区，升降系统和四点锚泊布置在平台四角，起重吊和潜水泵靠边布置，该布置在体现功能分区的原则上，尽可能增大了作业甲板的净面积。

　　01甲板为平台工作人员的居住区，其中4人间5个，2人间2个，1人间1个，厕所和盥洗室公用，布置在两侧，该布置体现了简洁实用的布置原则，在不影响人员居住条件的情况下，尽可能地减小了布置空间。

　　02甲板设有控制室和会议室，另外，甲板的两侧也作为救生艇的登乘平台，布置简洁合理。

　　主甲板下设有机舱、辅机舱、燃油舱、淡水舱、压载舱、缓冲舱、舱底水舱、生活污水舱和空舱。其中辅机舱和机舱集中布置在平台中部，该布置体现了机械处所的集中布置原则，方便使用。为简化管系的设置，将缓冲舱布置在平台的首部，同时兼做压载舱使用。

　　3 设计要点研究

　　针对该平台的使用要求，总体设计原则要求安全性、经济性、操作便利性和舒适性[3]。下面就部分设计重点进行阐述。

　　3.1 桩腿强度分析

　　该平台主体完整稳性和破舱稳性主要通过 NAPA进行分析评估，结构通过FEA有限元分析软件进行分析，而平台桩腿强度分析主要通过SACS软件进行。

　　3.1.1 桩腿结构图

　　平台桩腿直径取 1.8 m，考虑建造简单及焊接的可行性，桩腿选择 EH36材料，桩腿每1.5 距离设置环形T型材结构以防止桩腿外板屈曲，桩腿顶部设置平台保证桩腿的密封性，桩腿外板厚度根据桩腿强度计算确定。

　　3.1.2 桩腿结构强度计算

　　根据平台的作业工况，采用SACS软件建立桩腿模型，根据规范施加风载荷、波流载荷、平台起升重量载荷、P-△载荷，波流动力响应产生的惯性载荷，经过计算桩腿强度满足规范要求，确保桩腿在作业下的安全性。

　　根据几种作业工况、自存状态及远洋拖航状况下的计算结果，桩腿强度因子均小于1， 单齿最大受力小于100 t，桩腿强度及升降系统受力均满足规范要求。

　　3.1.3 平台抗倾覆稳性

　　平台站立工况下，在环境载荷作用下应具有足够的抗倾覆能力，在设计动力放大效应及 P-△效应后，平台的抗倾稳性应满足下述要求：Mk/Mq≥Kq。(其中Mk：坐底时的抗倾力矩(kN·m)，Mq：坐底时的倾覆力矩(kN·m)，Kq：抗倾安全系数，为 1.1)。

　　根据桩腿整体强度计算模型可得平台在所有外载荷作用下的倾覆力矩，同时根据平台重量、可变载荷、桩腿桩靴重量可计算出抗倾覆力矩，根据桩腿计算结果，各种作业工况下安全系数均满足要求。

　　3.2 空船重量限制

　　为了减轻结构重量，平台主船体采用高强度钢并用MSC.PATRAN/NASTRAN 软件建立整船有限元模型，通过计算分析平台各作业工况下的应力分布情况，然后根据计算结果优化结构尺寸，使得结构既满足强度要求，保证平台的安全性，又不至于强度富裕过大，增加结构重量。

　　设计阶段为了及时掌握结构重量重心信息，采用NAPA-STEEL软件建立全船结构模型，将全船的钢结构(板材、骨材)等结构全部反映出来，可以快速地得到全船的重量重心，也可提取不同规格的结构重量，为船厂掌握全船钢料信息提供支撑。严格按照程序送审设计图纸，单位充分评估平台各部重量。

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