移动式多功能平台总体设计简介

2017-12-11朱龙伟李兰芳徐胜

广东造船 2017年5期

关键词：数值仿真多功能

朱龙伟+李兰芳+徐胜

摘要：本文阐述了移动自升式平台采用“平台通用化、功能模块化、接口标准化”的创新总体设计理念，使平台可在多种功能间快速切换。并介绍了平台的总体性能在复杂载荷条件下的数值仿真分析方法。

关键词：Liftboat；自升式平台；多功能；数值仿真

中图分类号：U674.40 文献标识码：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，移动式多功能平台主要用于配合钻井平台钻井、油田生产服务、海上油田建设、油田增产、修井作业、生活支持、风电安装等方面。该类平台配有三或四条独立桩腿，可以根据所处海域环境情况实现400 ft以内水深的快速插桩、压桩，使主船体脱离海面一定高度以降低海浪对平台的作业干扰；平台配有舵桨及首侧推系统，具备自主航行及动力定位功能，可以在油田群内或短距离间实现快速作业切换；平台可根据需求布置1 500 m2左右的甲板面积，承载5 t/m2的甲板载荷，满足钻修井模块、维修作业甲板堆放、吊装等空间需求；平台可配备50～300人的生活区，并提供相应的燃油、淡水、气电等动力物资供应，满足连续作业的需求；平台可配备1 200 t主吊机和相应辅助吊机，满足7 MW等现有风机的海上安装需求及油田生产平台大型模块的吊装运输等要求。以上功能使得移动式多功能平台在安全性、可靠性、经济性、适用性等方面具有突出的优势，国际市场对其需求量不断增加，其设计方案和理念也不断得到优化和提升。

根据多条平台设计的经验，本文依据移动式多功能平台的主要功能、通用作业要求、接口界面要求等因素，对总体设计进行研究，并阐述了平台的总体性能在复杂载荷条件下的数值仿真分析方法。

2 平台通用化

全面准确收集不同功能平台的技术数据信息，科学合理的汇总主要通用部分，对设计的组成部分进行分类处理，主要考虑如下几个方面：

（1）平台结构强度能满足不同作业水深、气隙、入泥深度、风速、底面及表面流速、浪高、可变载荷等条件下的强度及稳性要求，包括主船体、桩腿、桩靴、升降塔、直升机甲板等。参见图1；

（2）平台舱室空间满足不同功能下设备布置的要求。舱室的布置依据各功能下设备数量、尺寸统筹考虑，预留后期升级改造空间。主要包括舱室划分、生活舱室布置、工作舱室布置、舱面设备布置、通道及扶梯设置等；

（3）平台公用系统能力按最大能力要求设计，并预留后期升级改造余量。主要考虑压载系统、舱底水系统、冲桩系统、冷却系统、压缩空气系统、疏排系统、柴油系统、海水系统、淡水系统、空调通风系统、冷藏系统、消防系统、外输系统等。

3 功能模块化

对不同功能的设备及系统进行成撬，能适用于不同油田油气水处理要求，重量轻、体积小、安装成本低，并且操作简单，可进行标准化、模块化生产。参见图2。

功能模块具体包括：

（1）钻井功能—井口区、钻机、钻井支持模块、钻井设备模块、生活楼模块；

（2）修井功能—井口区、修井机、修井支持模块、生活楼模块；

（3）生产功能—井口区、采油树、工艺处理模块、动力模块、生活楼模塊。

4 接口模块化

对不同功能模块及系统，在设计时统筹考虑连接界面：

（1）统一结构支撑形式：根据各模块的布置，预先做好设备底座、结构加强公用系统，且统一采用国际接口；

（2）平台动力能源外输系统接口设计：包括燃料外输系统、电力外输系统以及压缩空气系统等接口；

（3）平台供给外输系统接口设计：包括淡水、海水、消防、盐水、泥浆、散料等外输管线等接口；

（4）平台与水下生产系统接口设计：包括混输海管、注水海管以及电液控制管缆接口。

5 平台的数值仿真分析

平台的总体性能直接影响其操作安全及作业能力，需要给予重点关注。在对其进行复杂条件下的数值仿真分析之前，需根据给定的客户要求或者平台使用方向，对平台尺度、总布置、性能、船体结构、铁舾装、内装、轮机、电气、机械、空调等各个方面，通过计算、绘图及多方案的比较，得出一个合理的初步设计方案，以确定数值仿真分析的初步输入数据。

5.1 平台计算载荷

（1）功能载荷

包括固定载荷和可变载荷：固定载荷主要包括平台结构自重和设备重量；可变载荷主要包括各液舱的配载、平台作业相关载荷和其他生活供应品。endprint

（2）环境载荷

主要包括风、海流和波浪载荷，以及波浪载荷产生的惯性力载荷。环境载荷的模拟，要充分考虑平台实际使用中可能遇到的情况，要考虑不同方向的影响。

（3）变形载荷

主要为平台建造误差、船体和桩腿之间的距离以及平台的横移、环境载荷产生的水平位移等产生的载荷。

（4）拖航波动载荷

在移航状态，桩腿完全提升，如船体支持的悬臂梁一般，任何横摇或者纵摇运动和风力组合都会对桩腿产生很大的弯矩、以及作用在升降塔位置的支反力。

5.2 平台主船体及桩腿强度分析

主船体结构强度校核采用板元结构数值分析模型，桩腿结构采用梁系结构简单模拟，以确定船体结构强度校核的边界条件。

在桩腿的强度校核中，不考虑船体结构的强度，采用梁系结构对船体结构进行模拟，将船体纵横剖面视为箱型结构，模型的梁单元组合截面特性按如下方式进行定义：（1）面积与实际船体截面一致；（2）y、z方向的惯性矩与实际船体截面一致；（3）扭转惯性矩与实际船体截面一致。通过上述定义，确保梁系模型与实际船体刚度保持一致。参见图3。

5.3 桩腿升降塔分析

升降塔是安装及固定升降单元、同时连接主船体与桩腿的关键结构，其承受载荷大、加工精度要求高，通过有限元模型对升降塔结构的真实模拟，反应出平台系统的刚度和方位，明确桩腿弯矩和剪力在上导向与下導向以及升降和锁紧之间的分布。

同时，根据模拟合理布置桩腿间距，使平台重心和桩腿型心基本重合，桩腿能平均分配整个平台的重量，有利于桩腿的受力，平台重力引起的桩靴对地压力基本一致，提高桩腿强度的利用率，很好的平衡了结构冗余度及平台整体的经济性。

5.4 平台桩靴的能力分析

根据平台桩腿强度分析，得到桩腿作用于桩靴上的最大载荷。采用有限元分析软件建立桩靴模型（见图4），考虑静水压力，按正常作业工况、吊机操作工况及风暴自存工况，根据美国船级社ABS设计规范，考虑整个面积受力和50%面积受力，组合成不同的受力状态，校核桩靴强度。

5.5 平台稳性分析

平台的稳性分析使用GHS软件建立数值计算模型，分别考虑其在漂浮状态的完整稳性和破舱稳性，并按规范要求校核平台在站立状态下的抗倾覆稳性。

根据已建立的全尺寸数值模型（见图5），按规范要求，针对平台在工作状态和自存状态进行模拟，以确保平台漂浮状态下的操作使用安全。

平台的抗倾覆稳性是指平台在重量、浮力及海床的联合作用下，抵抗环境载荷作用而引起平台倾覆的能力，此指标是考核平台站立安全性的重要性能之一。它以通过平台一根或多根桩腿的最不利轴线计算抗倾覆力矩，如图6中A-A轴线。按美国船级社ABS的相关规范：作业及自存的条件下，平台的抗倾覆安全系数不低于1.1～1.3（对于独立桩腿的平台，其安全系数不低于1.1；对于有垫块的平台，其安全系数不低于1.3）。抗倾覆安全系数Ks按下式计算：

KS = Ms/M0 （1）

MS = MD+ML+MS （2）

M0 = ME+MDM+PΔ （3）

式中：MD—平台自重产生的恢复力矩；

ML—桩腿、桩靴重量产生的恢复力矩；

MS—海床对桩靴吸附、摩擦产生的恢复力矩；

ME—风、浪、流对平台产生的倾覆力矩；

MDM—波浪惯性力产生的倾覆力矩；

PΔ—船体P-Delta效应产生的倾覆力矩；

MO — 倾覆力距。

6 结论

平台通过数值仿真分析，确保其主船体、桩腿、桩靴、升降塔等主要结构在复杂载荷下的强度、稳性等安全能力满足要求，使平台操作更加可靠。