自升式平臺(tái)多功能上層建筑與基座對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)

于 雯， 王 艷， 張佳佳， 趙 峰

(泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 泰州 225300)

0 引 言

多功能自升式平臺(tái)由多功能上層建筑模塊和主平臺(tái)基座組成，將單一功能模塊化，實(shí)現(xiàn)各種功能模塊與船體組合形成多樣化的功能。上層建筑模塊可以是風(fēng)電安裝模塊平臺(tái)、生活模塊平臺(tái)、修井模塊平臺(tái)、氣體壓縮模塊平臺(tái)、海上移動(dòng)電站模塊平臺(tái)、近岸施工模塊平臺(tái)等功能性模塊。平臺(tái)基座為箱型焊接船體，預(yù)留各個(gè)功能模塊接口和必要設(shè)備的接口，便于多功能上層建筑模塊的安裝。為了保證功能模塊的靈活配置，便于改裝或者設(shè)備升級(jí)，接口的適用性、標(biāo)準(zhǔn)性設(shè)計(jì)很有必要。

為了更好地體現(xiàn)模塊化技術(shù)的通用性和標(biāo)準(zhǔn)性，美國、德國、丹麥、瑞典等國家在將模塊化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐的過程中逐步制定和完善了一系列相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[1-2]。通過制定和貫徹統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，包括機(jī)械接口、電子模塊及其基座、開口尺寸、螺栓孔等標(biāo)準(zhǔn)，某些戰(zhàn)略裝備模塊可以實(shí)現(xiàn)相互換裝[3-4]。我國在船舶和海洋工程建造方向的模塊化研究較多[5-7]，對(duì)于為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的功能化而設(shè)計(jì)的模塊化安裝接口研究并不多，與模塊接口有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也較少。徐杰等[8]對(duì)自升式施工平臺(tái)的功能需求進(jìn)行研究,提出幾種不同形式的自升式施工平臺(tái),并將其推廣應(yīng)用于實(shí)際工程；王揚(yáng)等[9]介紹國內(nèi)外現(xiàn)有的自升式多功能水上施工平臺(tái),分析其功能優(yōu)勢(shì)和缺陷,闡明多功能施工平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景，研發(fā)集打樁、清基、整平、起重、風(fēng)電安裝等功能于一身并可提供海上生活支持、工程支持的多功能平臺(tái)迫在眉睫。上述研究說明多功能平臺(tái)研究的必要性。對(duì)多功能平臺(tái)進(jìn)行研究，其實(shí)質(zhì)是將不同功能的上層建筑模塊整合至主平臺(tái)基座上，在整合過程中，各個(gè)功能模塊與主平臺(tái)基座如何對(duì)接，不同上層建筑模塊之間如何快速切換是研究的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款適用于主平臺(tái)基座與各功能模塊之間的轉(zhuǎn)換接口，能有效提高平臺(tái)使用效率、降低使用成本，也是多功能平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

因此，在各功能模塊設(shè)計(jì)完成的前提下，根據(jù)不同平臺(tái)功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)模塊與主體之間的接口，進(jìn)行接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的通用化、提高平臺(tái)本身的利用價(jià)值。采用標(biāo)準(zhǔn)化接口組裝能提高平臺(tái)的建造效率，各個(gè)上層建筑模塊可以分開制造，提高生產(chǎn)效率，也在一定程度上降低了生產(chǎn)和運(yùn)營成本。模塊標(biāo)準(zhǔn)化接口的設(shè)計(jì)還可以使得模塊便于維修，提高平臺(tái)的可用性、經(jīng)濟(jì)性和功能的可重復(fù)性。

1 研究方法和技術(shù)路線

1.1 研究方法

1.1.1 風(fēng)載荷計(jì)算

根據(jù)美國船級(jí)社(ABS)規(guī)范[10]，水平風(fēng)載荷的大小主要與風(fēng)壓、平臺(tái)結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積、結(jié)構(gòu)物的高度和形狀有關(guān)，計(jì)算式為

(1)

式中：P為水平風(fēng)載荷；f為因數(shù)，取值0.611；Vk為風(fēng)速，根據(jù)規(guī)范，在無限制航區(qū)常規(guī)鉆井和拖航工況下的最小風(fēng)速不得小于36.0 m/s(70 kn)，在極限風(fēng)暴工況下必須能夠承受不小于51.5 m/s(100 kn)的風(fēng)速，在限制航區(qū)最小風(fēng)速不得小于25.7 m/s(50 kn)；Cs為形狀因數(shù)，如表1所示；Ch為高度因數(shù)，如表2所示。

表1 Cs取值

表2 Ch取值

續(xù)表2 Ch取值

1.1.2 波浪載荷計(jì)算

波浪載荷計(jì)算采用設(shè)計(jì)波法，克服傳統(tǒng)波浪理論的局限，根據(jù)水深、波高、周期等數(shù)據(jù)，采用Stokes五階波速度勢(shì)函數(shù)[11-12]計(jì)算波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度；作用在樁腿上的波浪載荷采用莫里森公式[13]計(jì)算。

1.2 技術(shù)路線

為了便于多功能模塊的升級(jí)改造，接口設(shè)計(jì)必須考慮標(biāo)準(zhǔn)化及可拆卸，因此針對(duì)不同功能的上層建筑模塊，設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求的通用接口尺寸。為了便于拆卸，將通用接口設(shè)計(jì)成2部分，分別為安裝在多功能上層建筑模塊上的接口部分和安裝在主體平臺(tái)上的接口部分。

為了滿足2部分接口的安裝方便和精度，在設(shè)計(jì)時(shí)增加接口之間的導(dǎo)向裝置；結(jié)合平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行接口安裝位置設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)；為了保證安裝后的強(qiáng)度可靠性，選擇合適的連接和安裝方法。

采用三維勢(shì)流理論分析設(shè)計(jì)海況參數(shù)[14]，采用SEASM軟件模擬接口對(duì)接情況、邊界條件和載荷，研究典型工況下接口的典型狀態(tài)，進(jìn)行規(guī)范校核，找出設(shè)計(jì)缺陷，以此為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度、使用性要求而具有應(yīng)用價(jià)值的平臺(tái)多功能接口。

項(xiàng)目技術(shù)研究路線如圖1所示。設(shè)計(jì)接口一部分位于上層建筑模塊上，另一部分位于主平臺(tái)甲板，位于平臺(tái)甲板的接口安裝在船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，并在接口與船體連接處設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

圖1 項(xiàng)目技術(shù)研究路線

2 標(biāo)準(zhǔn)化接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用如下設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)上部模塊基座接口和主平臺(tái)通用基座接口，接口通過上下面板的螺栓連接，上下面板的螺栓孔尺寸和間距絕對(duì)一致，為保證安裝的精度要求，設(shè)計(jì)安裝導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，使得模塊安裝時(shí)螺栓孔能精確定位。

接口設(shè)計(jì)如圖2所示，具體包括3個(gè)方面：接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證模塊安裝的方便和準(zhǔn)確；接口位置設(shè)計(jì)，滿足局部強(qiáng)度和吊裝的需求；標(biāo)準(zhǔn)化接口與主體連接的方式設(shè)計(jì)，保證主體強(qiáng)度不被削減。標(biāo)準(zhǔn)化接口由上部模塊基座接口、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和主平臺(tái)通用基座接口組成，上部模塊接口與通用基座接口通過螺栓連接，上部模塊接口與不同的多功能上層建筑模塊連接，通用基座接口設(shè)置在主體平臺(tái)上，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)為模塊基座接口與通用基座接口提供定位功能，保證安裝快速定位和安裝位置的準(zhǔn)確。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化接口結(jié)構(gòu)連接三維圖

如圖3和圖4所示，上部模塊基座接口由連接柱、貫穿連接肘板、過渡結(jié)構(gòu)圓弧、豎向引板和橫向連接板組成。連接柱上部與上層建筑構(gòu)造柱連接，下部與上層建筑模塊主體橫梁連接；為了避免橫梁與連接柱之間由結(jié)構(gòu)尺寸不同引起的應(yīng)力集中，將連接柱下部設(shè)計(jì)成三維圓弧結(jié)構(gòu)，并采用貫穿底部的圓弧肘板連接；在上層建筑模塊主體橫梁中部和下部設(shè)置3個(gè)豎向引板，與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和主平臺(tái)通用基座接口上的引板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，達(dá)到定位和位置矯正的作用，同時(shí)增加局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；在上部模塊基座接口下端設(shè)置橫向連接板，與通用基座接口的橫向連接板連接，達(dá)到固定功能模塊的作用。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)由4塊傾斜60°的側(cè)板組成一個(gè)封閉矩形空間，矩形底座尺寸與橫向連接板相同，作為上部模塊基座接口和通用基座接口的過渡設(shè)備；通用基座接口設(shè)置在縱艙壁位置，由側(cè)向加強(qiáng)肘板、豎向引板和橫向連接板組成，底部與基礎(chǔ)平臺(tái)連接并進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

單位：mm圖3 標(biāo)準(zhǔn)化接口橫剖面

單位：mm圖4 標(biāo)準(zhǔn)化接口縱剖面

2.2 連接設(shè)計(jì)

上部模塊基座接口與通用基座接口通過螺栓連接，螺栓布置如圖5所示。為了保證強(qiáng)度足夠，基座接口安裝在基礎(chǔ)平臺(tái)縱橫艙壁連接處，并采用布置縱橫加強(qiáng)筋的方法對(duì)縱橫艙壁連接處作加強(qiáng)處理，安裝位置及局部加強(qiáng)如圖6所示。

圖5 螺栓布置圖

單位：mm圖6 安裝位置及局部加強(qiáng)

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 平臺(tái)裝載工況

平臺(tái)裝載工況繁雜多樣，選取其中各個(gè)模塊典型的裝載工況作為校核依據(jù)，按照各個(gè)模塊平臺(tái)的裝載要求及燃油淡水消耗量進(jìn)行裝載，滿足30 d的自持能力。設(shè)計(jì)空船質(zhì)量為7 200.00 t，考慮不同模塊平臺(tái)燃油、淡水、壓載水裝載和功能基座等，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行壓載水配載調(diào)平，確定各個(gè)模塊的典型裝載工況，總質(zhì)量分別如下：基本型平臺(tái)9 450.60 t；修井平臺(tái)11 067.60 t；生活平臺(tái)10 792.60 t；風(fēng)電安裝平臺(tái)11 470.99 t；近岸施工平臺(tái)10 971.42 t；海上移動(dòng)發(fā)電平臺(tái)11 563.63 t；氣體壓縮平臺(tái)11 292.93 t。

3.2 結(jié)構(gòu)模型

3.2.1 環(huán)境載荷分析

根據(jù)國內(nèi)外近海自航自升式平臺(tái)的作業(yè)區(qū)域技術(shù)要求，研究適合大部分近海區(qū)域(水深約50 m)要求的海上作業(yè)平臺(tái)。設(shè)計(jì)載荷須考慮基座上可能安裝的各種模塊，保證所有功能模塊安裝和工作情況下結(jié)構(gòu)的安全性。根據(jù)ABS設(shè)計(jì)規(guī)范[10]、各種類型自升式平臺(tái)適用的海況數(shù)據(jù)及工況特點(diǎn)[15-16]，以及樁腿計(jì)算書，在樁腿利用率最高的工況中，選取典型的3個(gè)工作工況、1個(gè)自存工況和起吊工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)海況參數(shù)如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)海況參數(shù)

續(xù)表3 設(shè)計(jì)海況參數(shù)

3.2.2 模型創(chuàng)建

平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型主要包括樁腿和主船體。用SESAM軟件的GeniE模塊建立模型，樁腿采用二維梁?jiǎn)卧M，主船體采用等效梁?jiǎn)卧M。采用質(zhì)量點(diǎn)和縮放密度的方法調(diào)整船體質(zhì)量，模擬船體真實(shí)剛度。根據(jù)表3和平臺(tái)總布置設(shè)計(jì)參數(shù)，采用質(zhì)量點(diǎn)方法模擬多功能上層建筑模塊位置和質(zhì)量，圖7所示為氣體壓縮平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型。在建模時(shí)：坐標(biāo)原點(diǎn)取在船尾、船體中心線與船底中心線交點(diǎn)處；x軸平行于船體中心線，相對(duì)船尾指向船首為正；y軸垂直于船體中心線，指向左舷為正、右舷為負(fù)；z軸垂直于船底板中心線，向上為正。為保證計(jì)算的精度，標(biāo)準(zhǔn)化接口與船體連接處采用網(wǎng)格細(xì)化的方法進(jìn)行處理，采用固定約束模擬接口與船體之間的螺栓連接，如圖8和圖9所示。

圖7 氣體壓縮平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

圖8 標(biāo)準(zhǔn)化接口模型

圖9 網(wǎng)格劃分

3.3 規(guī)范校核

校核不同功能上層建筑模塊與主平臺(tái)連接時(shí)的接口應(yīng)力，不同功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化接口應(yīng)力最大位置和最大應(yīng)力數(shù)值如表4所示。風(fēng)電安裝平臺(tái)應(yīng)力分布如圖10所示。

表4 不同功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化接口應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖10 風(fēng)電安裝平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化接口應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)一種自升式平臺(tái)多功能上層建筑模塊與平臺(tái)主體模塊的對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)化接口，接口由多功能上層建筑模塊接口、導(dǎo)向裝置和主平臺(tái)通用基座接口組成，便于諸如修井模塊、近岸施工模塊、生活模塊、70 MW 海上移動(dòng)電站模塊、氣體壓縮模塊和風(fēng)電安裝等功能模塊與主平臺(tái)模塊進(jìn)行整合、切換，提高平臺(tái)持續(xù)可利用率，增加平臺(tái)經(jīng)濟(jì)性。

建立功能模塊、標(biāo)準(zhǔn)化接口、主平臺(tái)模塊為一體的有限元模型，選取各個(gè)模塊典型的裝載工況作為校核的依據(jù)，基于自升式平臺(tái)適用的設(shè)計(jì)海況參數(shù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化接口規(guī)范校核和優(yōu)化，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。研究結(jié)果表明，風(fēng)電安裝平臺(tái)模塊應(yīng)力最大，最大應(yīng)力位于上部模塊導(dǎo)向板與橫梁連接處，通過對(duì)局部進(jìn)行肘板加厚處理，使風(fēng)電安裝平臺(tái)模塊滿足設(shè)計(jì)要求；其他模塊強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。