氣囊在自升式海上平臺(tái)下水工藝中的應(yīng)用

朱 彬, 蔡小強(qiáng)

(江蘇大津重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212221)

0 引言

近年來(lái)，海洋平臺(tái)下水工藝一直是國(guó)內(nèi)外船廠研究的工藝熱點(diǎn)，安全、便捷、低成本、高效率亦是各船廠工藝研究的方向。目前，大部分船廠利用船塢建造海洋平臺(tái)，下水方式采用船塢起浮式下水；極少數(shù)船廠利用船臺(tái)建造海洋平臺(tái)，下水方式采用縱向滑道滑板下水[2]。該兩種工藝方法均耗時(shí)耗力，且下水成本居高不下。尤其是船臺(tái)縱向滑道下水，由于平臺(tái)長(zhǎng)寬比小，總體長(zhǎng)度相對(duì)較短，在縱向下水過(guò)程中具有較大的首、尾跌落的風(fēng)險(xiǎn)，容易導(dǎo)致平臺(tái)安全事故。為解決首跌落風(fēng)險(xiǎn)，通常需要較高的潮汐水位才能保證下水安全性，這對(duì)下水時(shí)間的控制要求很高。

本文對(duì)以簡(jiǎn)易傾斜船臺(tái)上建造的海洋平臺(tái)氣囊下水方式進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)下水過(guò)程中各要點(diǎn)的計(jì)算分析，尤其對(duì)平臺(tái)下水時(shí)首跌落狀態(tài)的分析研究，得到比較可靠、安全的應(yīng)用辦法。其中，對(duì)下水牽引鋼絲繩的核算、下水氣囊的核算、平臺(tái)發(fā)生首跌落時(shí)的核算具有典型的實(shí)用參考價(jià)值。

1 工程概況和船臺(tái)概況

平臺(tái)主要參數(shù)：平臺(tái)總長(zhǎng)88.2 m，型寬42 m，型深6.8 m，下水后平臺(tái)漂浮時(shí)首部吃水1.94 m，尾部吃水3.08 m，下水自重約為78 650 kN。船臺(tái)坡比(塢門內(nèi))1∶50，塢門外(此段20 m)坡比1∶20；船臺(tái)寬度52 m，塢門處船臺(tái)寬度50 m。

2 牽引力計(jì)算及拉點(diǎn)布置

2.1 平臺(tái)下滑力計(jì)算公式

平臺(tái)下滑力Fc計(jì)算見式(1)[1]：

Fc=Q(gsinα-μgcosα+V/T)

(1)

式中：Fc為平臺(tái)下滑力，kN;Q為平臺(tái)自重，Q=7 865 t；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；α為坡道傾斜角，α=1.15°；V為遷移速度，V=0.1 m/s；T為卷?yè)P(yáng)機(jī)剎車時(shí)間，T=1 s;μ為氣囊滾動(dòng)阻力系數(shù)，由坡道坡度、地面材質(zhì)、氣囊結(jié)構(gòu)、內(nèi)壓、擺放等諸多因素確定，μ=0.003。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)c=2 102.2 kN。

2.2 卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩牽引力核算

鋼絲繩的牽引力F必須要大于平臺(tái)下滑力Fc，其計(jì)算見式(2)[1]：

(2)

式中：F為牽引力，kN；K為安全系數(shù)，K=1.5；Nc為鋼絲繩道數(shù)，Nc=1；β為牽引鋼絲繩與坡道之間的夾角，β=6°。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)=3 170.7 kN。

根據(jù)平臺(tái)牽引力和牽引方式得出每根鋼絲繩的最小需要受力為113.2 kN。鋼絲繩的安全負(fù)荷按超過(guò)此值選取即可滿足要求。

2.3 平臺(tái)首部拉點(diǎn)的設(shè)置

根據(jù)平臺(tái)在船臺(tái)擺放位置、地錨所在位置及平臺(tái)下滑力的大小，選取平臺(tái)首部具體拉點(diǎn)的位置及大小，左舷與右舷的拉點(diǎn)對(duì)稱，拉點(diǎn)布置見圖1。單個(gè)拉點(diǎn)的受力大于1 500 kN。受拉鋼管厚度大于等于15 mm，與甲板形成一定的夾角，夾角取值約80°。拉點(diǎn)的效果圖見圖2。

圖1 拉點(diǎn)布置圖

圖2 船上拉點(diǎn)效果圖

3 下水前的準(zhǔn)備

3.1 下水平臺(tái)

(1)平臺(tái)水線以下工程全部結(jié)束，尤其是水線以下的開口處應(yīng)安裝的設(shè)備、閥件等必須安裝完畢，并經(jīng)檢驗(yàn)合格，外板油漆結(jié)束。

(2)平臺(tái)底板和所有附件上的毛刺、焊瘤等均應(yīng)磨平。

(3)首部左右舷的樁靴底部?jī)?nèi)凹處過(guò)渡工裝固定完畢，樁靴需三面保護(hù)平整。固定安裝方式見圖3。裝焊在樁靴上表面的拉環(huán)作為永久性吊耳，下水后不作割除，松開卸扣后，鋼絲繩與工裝自然脫落，回收后備于后續(xù)船使用。下水工裝結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖3 工裝固定示意圖

(4)平臺(tái)外板上的焊縫經(jīng)檢驗(yàn)合格，并經(jīng)過(guò)密性試驗(yàn)。

(5)平臺(tái)主尺度測(cè)量完畢，水線標(biāo)志等經(jīng)檢驗(yàn)合格。

(6)對(duì)平臺(tái)的設(shè)備狀態(tài)以及水線下各艙室進(jìn)行檢查，確保下水安全。

3.2 船臺(tái)坡道

(1)氣囊從船臺(tái)經(jīng)過(guò)坡道滾動(dòng)的道路應(yīng)清潔、平整、無(wú)尖銳硬物等。

(2)船臺(tái)閘門外10～15 m段為水泥地面，下水前5 d進(jìn)行淤泥清理。

圖4 下水工裝結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 下水設(shè)備的準(zhǔn)備

(1)氣囊應(yīng)符合CB/T 3795—1996標(biāo)準(zhǔn)[5]。若有必要使用前還需做無(wú)載充氣試驗(yàn)，充氣壓力取該直徑氣囊工作壓力的1.25倍。

(2)下水時(shí)應(yīng)選用低速卷?yè)P(yáng)機(jī)；鋼絲繩需進(jìn)行目測(cè)檢查。

(3)空氣壓縮機(jī)的型號(hào)應(yīng)滿足氣囊總?cè)萘?、充氣時(shí)間、充氣壓力的要求。壓縮機(jī)上的限壓閥、分配閥等應(yīng)安全可靠。

4 水位分析及下水計(jì)算

4.1 船臺(tái)末端(塢門外20 m)拐點(diǎn)處水位推算

排除風(fēng)向等因素造成的潮汐變化影響，結(jié)合以往平臺(tái)下水時(shí)潮位的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]確定船臺(tái)水位約2.1 m時(shí)為下水日期。

4.2 下水前水文氣象觀測(cè)

在正式下水前3 d，必須測(cè)量記錄碼頭標(biāo)桿處高潮時(shí)間，潮位及高潮前2 h整點(diǎn)水位數(shù)據(jù)，便于和潮汐表進(jìn)行對(duì)比。

4.3 下水計(jì)算

本平臺(tái)下水前的空船重量為7 865 t，重心(距0#肋位41.67 m, 距船中線0.03 m, 距基線8.30 m)。平臺(tái)下水主要分三個(gè)階段，內(nèi)容如下[4]：

(1)初始階段，即船舶開始下滑，滑程為0 m。在初始階段，潮位為2.1 m時(shí)，尾部平底部分已開始入水。平臺(tái)下水初始階段見圖5。

圖5 平臺(tái)下水初始階段

(2)自平臺(tái)尾部接觸水面至開始上浮階段，滑程為51.5 m。在此過(guò)程中，重心到達(dá)滑道末端時(shí)，尾部沒有全部浮起，會(huì)繼續(xù)下沉，但至尾部浮起過(guò)程中，浮力矩一直大于重力矩，理論上不會(huì)發(fā)生尾跌落。平臺(tái)尾部開始上浮階段見圖6。

圖6 平臺(tái)尾部開始上浮階段

(3)自尾部開始上浮到首部完全漂浮為止階段，滑程為89.6 m。平臺(tái)首部完全漂浮階段見圖7。

圖7 首部完全漂浮階段

當(dāng)平臺(tái)尾部開始上浮時(shí)，首部支反力達(dá)到18 394 kN，理論上最首端氣囊受力最大，其他氣囊只能分擔(dān)部分壓力。氣囊受力是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，與氣囊分布、氣囊和船底接觸面有關(guān)。按照力學(xué)分析，最首部一排氣囊與平臺(tái)底接觸的面積作為受力點(diǎn)，則最首部氣囊存在被壓爆的風(fēng)險(xiǎn)。首部氣囊位置示意圖見圖8。但根據(jù)實(shí)際動(dòng)態(tài)情況，自尾部開始上浮時(shí)，根據(jù)計(jì)算得出首部平臺(tái)底還有12排共19個(gè)氣囊，完全可以承受18 394 kN的反力，氣囊被安全滾出平臺(tái)底部。

圖8 首部氣囊位置示意圖

此外按照計(jì)算，平臺(tái)離開滑道末端大約5 m后才能完全漂浮，即平臺(tái)會(huì)發(fā)生首跌落現(xiàn)象。首跌落發(fā)生時(shí)，最大首吃水為2.546 m。由于下水過(guò)程吃水太淺，為了保證平臺(tái)在下水過(guò)程中不發(fā)生撞擊，必須保證在圖9中的位置1和位置2，即滑道末端拐角處及5 m距離以內(nèi)位置一直存在氣囊。根據(jù)理論計(jì)算，氣囊受壓力最大為3 211.3 kN，最首部一排氣囊與平臺(tái)底接觸的面積作為受力點(diǎn)，則最首部氣囊存在被壓爆的風(fēng)險(xiǎn)。但根據(jù)實(shí)際動(dòng)態(tài)情況，平臺(tái)首端離開船臺(tái)拐點(diǎn)時(shí)，平臺(tái)的滑程為84 m，則平臺(tái)底首部的氣囊按計(jì)算還有11個(gè)氣囊，此時(shí)的氣囊在水中有浮力來(lái)支撐平臺(tái)底，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜態(tài)最首處支點(diǎn)的受力，所以氣囊不會(huì)被壓爆。

5 氣囊的選用和承載力計(jì)算

5.1 氣囊選用

氣囊選用[5]高強(qiáng)度氣囊，規(guī)格為Φ1.5 m×24 m和Φ1.5 m×15 m，數(shù)量分別為12個(gè)和56個(gè)。根據(jù)氣囊供應(yīng)廠家提供的安全范圍數(shù)據(jù)，氣囊在高氣壓(約0.16 MPa)、起墩高度為0.8 m工作狀態(tài)下，氣囊的承載力為179.3 kN/m。

圖9 平臺(tái)離開滑道末端示意圖

5.2 承載力計(jì)算

(1)核算需要多少米氣囊，足以支撐平臺(tái)。

X=WKg/R

(3)

式中：X為支撐平臺(tái)氣囊的總米數(shù)，m;K為安全系數(shù)，K=1.5；W為下水平臺(tái)總重量，W=7 865 t；R為每米氣囊承載力，R≥179.3 kN/m。

經(jīng)計(jì)算，X=645 m。

(2)核算單只氣囊的有效接觸長(zhǎng)度[5]。規(guī)格為Φ1.5 m×24 m的氣囊有效長(zhǎng)度為21.4 m，規(guī)格為Φ1.5 m×15 m的氣囊有效長(zhǎng)度為12.4 m。

(3)核算沿平臺(tái)縱向需布置多少排氣囊。根據(jù)平臺(tái)的底部線型，其平底橫向?qū)挾葹?2 m，縱向長(zhǎng)度為71 m。由于平臺(tái)過(guò)寬，單排由24 m長(zhǎng)氣囊1只及15 m長(zhǎng)氣囊1只長(zhǎng)氣囊組成。則縱向需要布置的氣囊排數(shù)為：

N=X/Ld

(4)

式中：N為縱向氣囊排數(shù)；Ld為單排氣囊與平臺(tái)底部有效接觸長(zhǎng)度，Ld=33.8 m。

經(jīng)計(jì)算并取整數(shù)，N=19。

(4)核算氣囊是否滿足間距要求，根據(jù)式(5)[1]計(jì)算：

πD/2 +(0.5)≤L/(N-1)≤6

(5)

式中：L為平臺(tái)平底長(zhǎng)度，L=71 m；D為氣囊囊體公稱直徑，D=1.5 m。

經(jīng)計(jì)算，氣囊滿足間距要求。

6 氣囊布置及落墩方案

6.1 氣囊布置

布置氣囊前，應(yīng)根據(jù)下水拉點(diǎn)布置圖的要求，通過(guò)鋼絲繩、脫鉤器、卷?yè)P(yáng)機(jī)一端連接地錨，另一端與平臺(tái)首部拉點(diǎn)連接，緩慢使鋼絲繩受力拉緊，避免氣囊充氣后平臺(tái)發(fā)生位移。

由于平臺(tái)的重心偏尾部，平臺(tái)平底尾部的鋼墩高度達(dá)到2.05 m，為安全起見，尾部1～5排建臨時(shí)中間平臺(tái)，落墩分2次進(jìn)行：首先在尾部船臺(tái)鋼墩間隔內(nèi)布置5排中間平臺(tái)并在中間平臺(tái)上布置氣囊，將平臺(tái)尾部頂起，撤出船臺(tái)墩木；然后逐步將尾部氣囊降低高度，撤出(墩木和鋼板)中間平臺(tái)。中間(即重心靠尾處)4排采用氣囊疊加的方式。前面11排單獨(dú)擺放。氣囊布置見圖10。

圖10 氣囊布置圖

6.2 落墩方案

平臺(tái)重心靠尾處4排疊加氣囊先布置，并與船底受力，與尾部鋼墩一起形成尾部支點(diǎn)。然后平底首部布置氣囊，將首部的鋼墩撤出。最后將撤出的鋼墩用于尾部氣囊支撐平臺(tái)，在支撐平臺(tái)上布置氣囊，將尾部鋼墩撤出，至此落墩完畢。

7 移船

氣囊布置調(diào)整結(jié)束，選擇潮位最低時(shí)間段，吊離閘門，通過(guò)平臺(tái)自身下滑力，在卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引下，按照要求不斷補(bǔ)充氣囊，檢查氣囊狀態(tài)，將平臺(tái)移出閘門外約15 m。由于平臺(tái)尾部左右2個(gè)樁靴內(nèi)凹處未有工裝護(hù)平，故此樁靴位置下方不能布置下水氣囊，此時(shí)氣囊的布置見圖11。等待滿潮(移船到位至滿潮這段期間，檢查周圍安全狀況、氣囊狀態(tài)，該補(bǔ)充氣體的進(jìn)行補(bǔ)充)，到滿潮后的10～15 min，打開快速脫鉤器，通過(guò)平臺(tái)自身重力形成的下滑力，滑入江面。

圖11 靠樁靴處的氣囊布置平面示意圖

8 本平臺(tái)下水的難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

8.1 樁靴位置處的處理

采用工裝對(duì)樁靴施行封堵，用鋼木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用鋼絲繩拉緊，繩索與平臺(tái)可靠連接固定。主船體與樁靴封堵工裝，經(jīng)過(guò)渡處理，下水后打開鋼絲繩索，樁靴封堵工裝可以脫離船體，回收后下次使用。

8.2 尾重型平臺(tái)起墩方法

平臺(tái)尾部偏重，利用千斤頂輔助起墩，以便順利起墩。本次起墩借用千斤頂輔助起墩，尾部2只樁靴下布置10只100 t油壓千斤頂。左、右所有千斤頂必須同時(shí)受力。

8.3 首部側(cè)推處氣囊的處理

首部有首側(cè)推裝置，平臺(tái)移位結(jié)束后，氣囊從平臺(tái)中心至平臺(tái)尾端用24 m和15 m高強(qiáng)度氣囊交叉對(duì)接使用，確保下水至跑道拐點(diǎn)能保護(hù)首側(cè)推及平臺(tái)結(jié)構(gòu)。從下水計(jì)算查得，平臺(tái)首部經(jīng)過(guò)滑道末端時(shí)，平臺(tái)滑行83 m，則氣囊行程41.5 m，算出平臺(tái)底部還剩余11只氣囊，每只氣囊在水里的浮力約為420 kN，則氣囊總浮力為4 620 kN；當(dāng)平臺(tái)首部經(jīng)過(guò)船臺(tái)拐點(diǎn)時(shí)(即滑行83 m)平臺(tái)產(chǎn)生的排水量為7 468 t，小于平臺(tái)下水自重，此時(shí)首部會(huì)發(fā)生輕微跌落，產(chǎn)生的下沉力為3 970 kN。由此可以推斷在平臺(tái)首部離開船臺(tái)拐點(diǎn)時(shí)，氣囊浮力大于下沉力，則首側(cè)推裝置能得到有效的保護(hù)。

9 結(jié)論

(1)自升式海上平臺(tái)下水采用氣囊下水的新工藝，能大幅降低成本，其成本只有縱向滑道下水工藝的25%左右。

(2)安全性大大提高，縱向滑道下水中的“尾跌落”和“首跌落”現(xiàn)象在氣囊下水工藝中不再明顯，該工藝既安全又便捷。