半潛起重拆解平臺(tái)總布置設(shè)計(jì)方法

周喜寧 莫 剛 陳伶翔

（招商局重工（江蘇）有限公司 南通226100）

引 言

自1960 年來(lái)，全球已建造超過(guò)7 000 座海上石油生產(chǎn)設(shè)施［1］。依據(jù)相關(guān)環(huán)境保護(hù)法，海洋平臺(tái)在達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命后，為了保護(hù)環(huán)境，需對(duì)其進(jìn)行拆解回收。國(guó)外進(jìn)入平臺(tái)拆解市場(chǎng)較早，從拆解作業(yè)船型、拆解技術(shù)到工程管理均一直處于領(lǐng)先地位，且半潛起重拆解平臺(tái)海上作業(yè)綜合能力明顯優(yōu)于其他現(xiàn)有起重船和生活平臺(tái)的組合，目前世界也僅有五艘起重拆解平臺(tái)正在服役［2］。半潛起重拆解平臺(tái)作為由一個(gè)由極多子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜、超大系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)之間相互聯(lián)系，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，其關(guān)鍵技術(shù)一直被國(guó)外壟斷。為了打破壟斷，本文基于工信部高技術(shù)船舶專(zhuān)項(xiàng)-“半潛式起重拆解平臺(tái)開(kāi)發(fā)”，對(duì)拆解平臺(tái)的總布置設(shè)計(jì)思路進(jìn)行總結(jié)。優(yōu)秀的總布置不僅能夠提高平臺(tái)的性能以及船員的舒適度，還能降低建造成本，提高平臺(tái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文分析平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)后，對(duì)平臺(tái)的主要功能進(jìn)行分解。在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要說(shuō)明總布置設(shè)計(jì)基本原則的基礎(chǔ)上，對(duì)起重系統(tǒng)、動(dòng)力、居住系統(tǒng)以及定位系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 船型特點(diǎn)

本平臺(tái)由2 個(gè)浮箱、4 根立柱和1 個(gè)上船體組成，浮箱和立柱之間沒(méi)有橫撐，配備2 臺(tái)2 100 t的主吊機(jī)、8 臺(tái)主機(jī)和6 臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，并且具備DP-3 動(dòng)力定位能力。左右浮箱大小不一致，首尾帶有線(xiàn)型，立柱與上船體圓滑過(guò)渡，具體如圖1所示。

1.2 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

拆解平臺(tái)總布置是以技術(shù)指標(biāo)為導(dǎo)向，進(jìn)行各系統(tǒng)、各專(zhuān)業(yè)不斷的協(xié)調(diào)，以到達(dá)平臺(tái)最優(yōu)的性能指標(biāo)。優(yōu)秀的總布置不僅能提升平臺(tái)性能，還能提高平臺(tái)的工作效率。本平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

圖1 半潛式起重船總布置圖

表1 半潛起重拆解平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)

2 總布置研究

2.1 總布置設(shè)計(jì)原則

半潛起重拆解平臺(tái)的主體布置和核心系統(tǒng)設(shè)備的布置是平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，是后續(xù)各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)和全船性能計(jì)算的基礎(chǔ)。平臺(tái)總布置是一個(gè)由多個(gè)功能不同的系統(tǒng)組成的復(fù)雜海上建筑物。基于平臺(tái)的功能，可以采用層次劃分法對(duì)其進(jìn)行分解、規(guī)劃和布局。依據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以將平臺(tái)分解成若干層次，每一層次依據(jù)各自特點(diǎn)進(jìn)行2 次或3次劃分［3-4］，具體規(guī)劃如下：首先按照平臺(tái)的主要功能將其分解為起重系統(tǒng)、動(dòng)力和居住系統(tǒng)、定位系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)。進(jìn)而可將起重系統(tǒng)分解為主甲板布置，快速壓載系統(tǒng)布置；居住系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以規(guī)范要求為框架，以居住的舒適性和安全性為導(dǎo)向進(jìn)行設(shè)計(jì)；動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)則需在滿(mǎn)足電力負(fù)荷的情況下，以主發(fā)電機(jī)為核心，配備相應(yīng)的輔機(jī)；定位系統(tǒng)在滿(mǎn)足定位要求下，進(jìn)行DP 分隔以及推進(jìn)器布置。各個(gè)系統(tǒng)分解以后局部區(qū)域可能存在相互沖突，在權(quán)衡平臺(tái)的主次要功能和經(jīng)濟(jì)成本后，兼顧多方要求，使各系統(tǒng)之間的關(guān)系達(dá)到最佳。在進(jìn)行設(shè)備布置設(shè)計(jì)的情況下，需要滿(mǎn)足下述基本原則，以保證平臺(tái)在滿(mǎn)足功能的情況下，設(shè)計(jì)合理。

（1）需確保平臺(tái)的穩(wěn)性、抗沉性、水動(dòng)力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；

（2）優(yōu)化平臺(tái)重量分布，盡可能減少平臺(tái)最大靜水彎矩和剪力；

（3）妥善布置艙室通道，在適用、經(jīng)濟(jì)的前提下，盡量改善人員工作、生活條件；

（4）在設(shè)計(jì)初期應(yīng)考慮防火防爆等問(wèn)題，避免在危險(xiǎn)區(qū)域中布置逃生通道或者機(jī)械設(shè)備；

（5）需考慮施工工藝的可行性和施工過(guò)程方便性，盡量避免焊接和涂裝困難的邊角艙室；

（6）設(shè)備維護(hù)空間及操作平臺(tái)布置要符合人機(jī)工程學(xué)［5］；

（7）如需后期改造，則應(yīng)預(yù)留后期改造空間，并制定改造可行性方案。

2.2 起重系統(tǒng)布置

起重功能是本平臺(tái)的最主要功能之一，服務(wù)該功能的設(shè)備及房間有2 200 t 主吊機(jī)，甲板起重作業(yè)區(qū)域、電工間、機(jī)修間、管工間、焊工間、油漆間、化學(xué)品儲(chǔ)存間、快速壓載艙以及快速空氣壓縮機(jī)間。起重功能作業(yè)區(qū)域主要布置在主甲板，在對(duì)該區(qū)域布置時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（1）盡可能提高甲板吊裝區(qū)域面積；

（2）保證主甲板逃生通道通達(dá)性；

（3）相應(yīng)起重配套機(jī)械房間布置合理；

（4）保證單吊和雙機(jī)聯(lián)吊的起重能力；

（5）快速壓載系統(tǒng)能力滿(mǎn)足吊機(jī)工作要求，快速空壓機(jī)功率盡可能小。

2.2.1 主甲板布置

由于本平臺(tái)左右浮箱大小不一致，提供浮力不同，為保證平臺(tái)浮態(tài)，盡量將大設(shè)備布置在主浮箱之上，因此將2 臺(tái)主吊機(jī)布置在主浮箱一側(cè)。此外，為提高主甲板吊裝區(qū)域的作業(yè)面積，將兩臺(tái)主吊機(jī)分別布置在右舷首尾立柱之上。主吊機(jī)單機(jī)起吊能力為2 200 t，能夠正反270°自由旋轉(zhuǎn)，雙機(jī)聯(lián)吊配合壓載系統(tǒng)能夠起吊4 200 t 重物；結(jié)合吊機(jī)的工作半徑及當(dāng)前位置，雙機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)，重物需通過(guò)兩吊機(jī)之間空間移動(dòng)至或者調(diào)離甲板吊裝區(qū)域。依據(jù)安全要求，起吊重物路徑下一般保持空曠，因此服務(wù)起重作業(yè)的相關(guān)輔助設(shè)施需盡量布置在主吊機(jī)的另外一側(cè)，具體布置如圖2 所示，而對(duì)于輔助設(shè)施的布置，除滿(mǎn)足空間和安全之外，按照使用頻率布置在主甲板上。

圖2 主甲板布置圖

2.2.2 快速壓載系統(tǒng)布置

平臺(tái)起吊重物時(shí)浮態(tài)會(huì)發(fā)生改變，普通壓載系統(tǒng)的調(diào)載能力不能滿(mǎn)足吊機(jī)起吊要求時(shí)，如果強(qiáng)制作業(yè)會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)傾斜，甚至傾覆的危險(xiǎn)，快速壓載系統(tǒng)能夠在平臺(tái)吊裝作業(yè)過(guò)程中，配合吊機(jī)進(jìn)行快速的壓排載，修正平臺(tái)的浮態(tài)，保證平臺(tái)在吊裝作業(yè)過(guò)程中保持很好的平衡狀態(tài)?？焖賶狠d系統(tǒng)主要由快速壓載艙和快速空壓機(jī)間組成，快速壓載艙的大小和快速空壓機(jī)的功率與吊機(jī)的起重能力有關(guān)，快速壓載系統(tǒng)能力越大，調(diào)載效果越好，但建造成本也會(huì)相應(yīng)提高；快速壓載系統(tǒng)能力過(guò)小，則不能保證吊機(jī)工作時(shí)的浮態(tài)，從而不能滿(mǎn)足吊機(jī)正常作業(yè)要求。為減少建造成本和設(shè)計(jì)冗余度，需對(duì)快速壓載艙的布置進(jìn)行優(yōu)化。

快速排壓載艙可以布置在浮箱或者立柱，布置在浮箱中會(huì)增加排載時(shí)空壓機(jī)的功率，增加成本；布置在立柱中，如果快速壓載能力滿(mǎn)足要求，則是一種較優(yōu)的選擇。本平臺(tái)單吊最大起吊能力2 200 t 和雙機(jī)聯(lián)吊最大起重能力為4 200 t 為快速壓載的兩種極端工況，對(duì)上述兩種工況起吊過(guò)浮態(tài)進(jìn)行分析。

（1）單機(jī)最大起吊能力2 200 t

在該工況下工作，初始起吊質(zhì)量為0，每步吊鉤載荷增加27.5 t，進(jìn)行81 步后，起吊質(zhì)量達(dá)到2 200 t，重物吊起。起吊過(guò)程中平臺(tái)的橫傾角/縱傾角的變化如圖3 所示。

圖3 船尾起吊2 200 t 傾角變化圖

（2）雙機(jī)聯(lián)吊最大起吊能力4 200 t

在該工況下工作，初始起吊質(zhì)量為0，每步吊鉤載荷增加40 t，進(jìn)行106 步后，起吊質(zhì)量達(dá)到4 200 t，重物吊起。起吊過(guò)程中平臺(tái)的橫傾角/縱傾角的變化如圖4 所示。

由圖3 和圖4 可知，將快速壓排載艙設(shè)置在立柱中，吊機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，橫傾和縱傾角度變化在0.4°以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足吊機(jī)的工作要求以及排載要求。

快速空壓機(jī)布置在快速壓載艙內(nèi)側(cè)，以減少管路長(zhǎng)度，提高效率，降低建造成本。

圖4 雙機(jī)起吊4 200 t傾角變化圖

2.3 動(dòng)力和居住系統(tǒng)布置

2.3.1 動(dòng)力系統(tǒng)布置

平臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)總功率通過(guò)各種工況下電力負(fù)荷計(jì)算得到，且平臺(tái)設(shè)計(jì)DP-3 動(dòng)力定位系統(tǒng)。依據(jù)國(guó)際海事組織公約及各船級(jí)社規(guī)范要求，應(yīng)至少設(shè)計(jì)2 套獨(dú)立的主機(jī)艙及配電系統(tǒng)，且這2 套系統(tǒng)之間應(yīng)該進(jìn)行物理隔絕。依據(jù)相關(guān)資料［6］研究表明，機(jī)艙數(shù)量不同會(huì)影響主機(jī)的安裝功率且影響建造成本。在相同的功率和DP 要求下，2 個(gè)機(jī)艙方案與4 個(gè)機(jī)艙方案對(duì)比結(jié)果顯示：2 個(gè)機(jī)艙的裝機(jī)總功率和單機(jī)功率均為4 個(gè)機(jī)艙的1.5 倍，而且2 個(gè)機(jī)艙的裝機(jī)功率冗余度是4 個(gè)機(jī)艙的2 倍，因此本平臺(tái)采用4 個(gè)機(jī)艙設(shè)計(jì)。

機(jī)艙可以布置在多個(gè)位置，在布置機(jī)艙時(shí)，需綜合考慮平臺(tái)到重量分布、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、人員舒適度以及建造成本，通常情況下，主機(jī)艙一般布置在一起，以減少電纜、管線(xiàn)布置以及過(guò)多的穿孔；其次機(jī)艙一般位船尾防止在航行中主機(jī)排煙對(duì)平臺(tái)的影響，下文對(duì)機(jī)艙位于船首、左右舷的布置進(jìn)行分析。

（1）機(jī)艙位于船首，則排煙管從船首引出，航行時(shí)主機(jī)排煙會(huì)覆蓋整個(gè)主甲板區(qū)域，通過(guò)主甲板通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入生活區(qū)，對(duì)人員的舒適度和安全不利。

（2）機(jī)艙位于左舷，左舷主甲板位置為吊機(jī)服務(wù)處所，不利于管線(xiàn)及電纜的布置。

（3）機(jī)艙位于右舷，上船體右舷位置已經(jīng)被主吊機(jī)占用，布置在右舷對(duì)平臺(tái)的質(zhì)量分布影響不利。

機(jī)艙位置選定之后，相應(yīng)的輔機(jī)間依據(jù)用途功能?chē)@機(jī)艙布置，因居住是本平臺(tái)主要設(shè)計(jì)功能之一，為滿(mǎn)足人員工作、生活的舒適性，減少振動(dòng)和噪聲的影響，在生活區(qū)和機(jī)艙之間設(shè)計(jì)變壓器和配電間此類(lèi)噪聲較小的房間，布置如圖5 所示。

圖5 上船體機(jī)艙及生活區(qū)布置

2.3.2 生活區(qū)布置

生活區(qū)的布置在照顧經(jīng)濟(jì)型和實(shí)用性的情況下，應(yīng)盡可能提高船員的工作和生活條件。生活區(qū)布置一般需滿(mǎn)足以下要求：

（1）消防通道應(yīng)急逃生通道需要布置合理，保證人員的安全。

（2）居住艙室應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離機(jī)艙等噪聲振動(dòng)較大的機(jī)械艙室，保證人員生活的舒適度。

（3）生活區(qū)內(nèi)工作區(qū)和居住區(qū)應(yīng)盡量分開(kāi)，保持居住區(qū)的安靜。

（4）生活配套設(shè)施在滿(mǎn)足基本要求的情況下，應(yīng)在成本可控范圍內(nèi)盡可能增加一些娛樂(lè)設(shè)施。

（5）居住艙室應(yīng)盡可能布置在舷側(cè)，以保證采光需求。

（6）機(jī)械處所和生活區(qū)過(guò)渡應(yīng)設(shè)隔離間或緩沖間。

在上述要求的基礎(chǔ)下，本平臺(tái)將生活區(qū)設(shè)置在1～3 層甲板上，各個(gè)房間依據(jù)各自的功能特點(diǎn)，對(duì)自身噪聲環(huán)境也有所不同，本平臺(tái)需要滿(mǎn)足美國(guó)船級(jí)社HAB+和英國(guó)OTR 要求，生活區(qū)的噪聲要求如表2 所示。在布置時(shí)盡量將噪聲要求嚴(yán)格的房間遠(yuǎn)離噪聲較大的房間，除考慮噪聲以后，需結(jié)合各房間的功能進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，以維持各方面平衡。

表2 HAB+和OTR 對(duì)生活區(qū)噪聲要求

生活區(qū)布置還有一個(gè)重大要求是逃生通道的布置。由于本平臺(tái)是居住平臺(tái)，生活人數(shù)達(dá)750 人，因此在房間布置以后需進(jìn)行人員逃生的可行性分析。在逃生路線(xiàn)的關(guān)鍵區(qū)域，需按照國(guó)際防火安全要求設(shè)置梯道寬度，防止人員在逃生中出現(xiàn)擁堵。本平臺(tái)居住區(qū)域一共設(shè)置4 梯道，梯道前提供一定的面積，用于人員逃生過(guò)程中緩解通道擁擠度，并對(duì)該區(qū)的門(mén)適當(dāng)加寬［7］，參見(jiàn)圖6。

圖6 生活區(qū)逃生瓶頸區(qū)域設(shè)計(jì)

2.4 定位系統(tǒng)布置

2.4.1 DP 分隔

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)，本平臺(tái)有6 臺(tái)推進(jìn)器需布置在左右浮箱中。左右浮箱大小不同，根據(jù)水動(dòng)力性能要求，輔浮箱布置2 臺(tái)推進(jìn)器，主浮箱布置4 臺(tái)推進(jìn)器，如圖7 所示。平臺(tái)滿(mǎn)足DP-3 的定位能力，保證出現(xiàn)單個(gè)故障后，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)平臺(tái)能夠自動(dòng)保持位置和首向［8］，為增加平臺(tái)定位冗余度，將1 號(hào)和5 號(hào)推進(jìn)器，2 號(hào)和6 號(hào)推進(jìn)器，3號(hào)推進(jìn)器，4 號(hào)推進(jìn)器分別與動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感器設(shè)置在一個(gè)物理空間內(nèi)。各物理空間相互獨(dú)立，在一個(gè)物理空間失火或進(jìn)水導(dǎo)致失效時(shí)，不會(huì)影響其他物理空間。

DP 分隔除物理隔絕之外，在布置設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮以下要求：

（1）推進(jìn)器位置盡可能減少推進(jìn)器與船殼、推進(jìn)器之間的干擾；

（2）需要足夠的推進(jìn)器浸沒(méi)深度，降低吸入漂浮物和形成漩渦的可能性。

圖7 推進(jìn)器布置

2.4.2 定位能力分析

確定大致DP 布置后，需進(jìn)行定位能力的分析，以保證推進(jìn)器功率是否合理和定位能力是否滿(mǎn)足平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)要求。在計(jì)算平臺(tái)所處區(qū)域的風(fēng)、浪、流以及推進(jìn)器的有效推力和扭矩后，得到北海和墨西哥灣的定位能力曲線(xiàn)如圖8 和下頁(yè)圖9 所示。通過(guò)曲線(xiàn)可知，現(xiàn)有布置滿(mǎn)足定位能力和技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8 北海定位能力曲線(xiàn)

圖9 墨西哥灣定位能力曲線(xiàn)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以招商局重工集團(tuán)建造的“拆解起重平臺(tái)總體布置和系統(tǒng)優(yōu)化研究”為選題背景，介紹平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)。在簡(jiǎn)要說(shuō)明總布置設(shè)計(jì)基本原則的基礎(chǔ)上，對(duì)平臺(tái)的起重系統(tǒng)、動(dòng)力和居住系統(tǒng)，以及定位系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的布置進(jìn)行分析，提供一種半潛起重拆解平臺(tái)總布置關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)思路，并為后續(xù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)建造提供借鑒方案和技術(shù)積累。