自升式起重安裝平臺起吊作業結構安全性

宋 顥1， 華 嵬2， 周瑞佳， 高 攀

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院， 上海 200240； 2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116； 3.上海海事大學 海洋科學與工程學院， 上海 201306)

0 引 言

海上風能作為一種清潔的可再生能源，具有湍流強度小、主導風向穩定、節約土地資源、風能平穩、無噪聲及景觀污染、資源豐富、宜大規模開發等優勢，近年來其開發利用技術迅速發展[1-3]。中國擁有豐富的海上風電資源，國家能源局發布的《可再生能源發展“十三五”規劃》明確表示，“十三五”期間中國海上風電產業技術基本成熟，未來中國海上風電將進入較快發展的黃金時期，在2020年前將會有107kW的海上風力發電設施開工建設(相當于三峽工程一半的發電量)，并且要求確保有 0.5×107kW的風力發電設施建設完成。在未來2～3年內，國內還需安裝1 500～2 000臺風機，對起重安裝平臺的需求預計還有20臺。

當清潔能源成為中國能源體系構建的新需求時，海上風電產業也成為國家布局的重要能源產業。與陸上風電場相比，海上風電場安裝和維護環境更為復雜、技術要求更高、涉及層面更廣。惡劣的海上開發環境導致海上風電開發成本高，是陸上風電的1.5～2.0倍，其中安裝成本約占海上風電開發總成本的22%，海上起重安裝技術及裝備是影響海上風電發展的關鍵因素[4]。由于國家對海上風電產業的統一規劃，眾多企業感受到海上風電產業的風口期到了。近些年，國內陸續自主設計建造了包括KOE01型自升式起重安裝平臺、龍源振華系列坐底式起重安裝平臺、海洋069系列自升式起重安裝平臺、尚和系列自升式起重安裝平臺等，但無論是從建造周期還是從經濟效益的角度進行評價，新造平臺仍然不及購置國外二手平臺迅速和便宜。因此，國內部分船舶所有人或業主選擇從國際市場上采購船齡在10～20年的二手平臺以滿足當前國內市場的需求。

對于自升式起重安裝平臺的設計和分析，國內學者進行過不少相關研究。王徽華[5]針對自升式起重安裝平臺吊裝的安全性,開展平臺插樁入泥深度的計算方法研究。于雯等[6]設計一種滿足風車整體運輸、安裝一體化的新型半潛式風車安裝平臺，并采用SESAM軟件的設計波進行平臺整體強度分析。于雯等[7]在確定總布置方案和主尺度的基礎上,針對新型半潛式風車安裝平臺進行強度驗證和結構優化，基于設計波法對平臺自存、操作、航行工況下的整體強度、節點、桿件和局部進行規范校核。劉建峰[8]對自升式海上起重安裝平臺在船型設計階段的模型試驗進行研究，對相似船型的設計研究具有重要參考價值。陳科等[9]應用ABAQUS有限元軟件對海上起重安裝平臺進行結構強度分析，覆蓋了吊裝、預壓等多種工況。

本文依托國內某海上起重安裝公司在2016年購進的由芬蘭GustoMSC設計的動力定位型自升式起重安裝平臺，針對最危險起吊工況，對采購的二手平臺進行結構安全性分析。建立全船有限元模型，并依據《操船手冊》，針對起吊作業進行詳細的結構強度分析，重點關注在最大起吊載荷下船體典型結構和吊機基座的應力分布和剛度。對船體主要結構的建模方法和單元選取進行研究，著重分析起吊作業工況吊機載荷的計算方法、計算過程及施加方法，確定校核準則并進行平臺屈服強度和屈曲強度校核。

1 起重安裝平臺概述

1.1 平臺總體性能概述

該動力定位型自升式起重安裝平臺由荷蘭GustoMSC公司設計，掛盧森堡旗，入ABS船級。近期由中國某海上起重安裝公司將此平臺購買并進口國內，按相關要求，需按國內法規《海上移動平臺安全規則》(1992)對此平臺進行結構技術評估。

該平臺呈長方形，配備直升機平臺，帶有4條桁架式樁腿，每個樁腿下端有獨立樁靴，抬升驅動方式為“齒輪齒條式”。平臺配置鎖緊系統，主甲板以上設有8層生活區，位于主甲板艏部，能夠提供最多260人(站立工況)的就餐、住宿、醫療和辦公，設有單人、多人間居住艙室。平臺基本參數如表1所示，外形總布置如圖1所示。

圖1 平臺外形總布置俯視圖

船長/m總寬/m船體型深/m滿載吃水/m空船質量(不包括樁腿)/t可變載荷/t樁腿數量/條樁腿長度/m類型工作最大水深/m111.7450.09.07.414 9987 7894130.17三角桁架80

1.2 起吊能力概述

該平臺裝備兩臺Huisman OMC 750 t海工桅桿基座式吊機，主鉤最大回轉半徑52.3 m，分別安裝在平臺左舷首、尾樁腿上。在大鉤距離回轉軸29 m處單鉤起重載荷達到最大750 t，若兩臺吊機雙機連吊，在大鉤距離各自回轉軸36 m處起重載荷可以達到最大2×600 t。除此以外，主吊機還帶有活動波浪補償功能，在最大300 m水深、距離回轉軸47 m處單鉤起重能力達到360 t。

對于起吊工況來說，雙機連吊是《操船手冊》中規定的最危險工況，回轉角度范圍為19°～161°。

1.3 吊機載荷計算方法

除風載荷外，吊機載荷還由4部分組成：(1)自重載荷L1；(2)(起升載荷+船舶傾斜(橫傾與縱傾)所產生的起升載荷水平分力)×起升因數φh，用L2表示；(3)其他最不利的水平力(通常由回轉加速度產生)L3；(4)由船舶傾斜(橫傾與縱傾)產生的自重載荷水平分力L4。

組合載荷可表示為(L1+L2+L3+L4)×作業因數φd，作業因數φd的取值參考CCS《船舶與海洋工程起重設備規范》。根據設計工作海況(蒲氏風級、海況、波高和波浪周期)考慮起升動載力的起升因數φh計算式為

(1)

因為吊機在有風狀態工作，應取的組合載荷為上述組合載荷加上最不利的風載荷。平臺傾斜產生的水平分力按《船舶與海洋工程起重設備規范》計算。平臺運動分力如表2所示。

表2 平臺運動分力

不同類型船舶、平臺的橫傾和縱傾角度應根據規范要求進行選取，如表3所示。φw波浪因數的取值可參考表4選取。

表3 最小橫傾和縱傾角度 (°)

表4 波浪因數取值

2 起吊工況平臺強度分析

2.1 有限元模型

圖2 平臺有限元模型

圖3 平臺模型中樁腿與平臺主體的耦合

本文利用ANSYS有限元軟件對該平臺進行建模和計算，對主船體和樁腿進行詳細建模，而對于直升機甲板、生活樓、甲板艙室等對平臺整體結構強度影響不大的結構，采用簡化成集中質量的形式施加到平臺上，但是各自的質量和重心還是按照實際情況確定。

在定義單元類型時，船體各甲板、外圍板、艙壁板、固樁架板等結構選用SHELL 181板單元模擬，縱骨、扶強材、樁腿弦桿等構件選用BEAM 188梁單元模擬。為了真實反映個別強肋位處的強橫梁對結構強度所起的支撐作用，選用SHELL 181模擬其腹板，并選用PIPE 288或BEAM 188模擬船體內部的立柱，用PIPE 288單元模擬樁腿撐桿，用MASS 21單元模擬集中質量。平臺有限元模型如圖2所示。

2.2 邊界條件

本文主要研究平臺主體結構的安全性，并未建出樁靴模型模擬海上起重安裝平臺樁腿下端的樁靴結構，而是采用在樁腿底部樁靴半高位置施加鉸支約束模擬樁靴與海底土壤的相互作用。根據平臺的《操船手冊》確定樁靴入泥深度為5 m。

在本模型中，平臺主體與樁腿采用耦合方式連接。在站樁狀態下，樁腿與船體之間由鎖緊裝置鎖緊，限制樁腿的垂向運動和轉動，而平臺的上導向和下導向約束了樁腿與平臺主體水平相對位移。因此，在所有站樁工況中：在上、下導向處選擇樁腿上的相應位置與上、下導向分別進行x方向和y方向位移的耦合，即Ux、Uy；在鎖緊裝置處，將樁腿上的相應位置與鎖緊裝置進行z方向位移的耦合以及繞x軸、y軸方向的轉動耦合。如圖3所示。

2.3 載荷施加

表5 起吊工況載荷詳細信息

續表5 起吊工況載荷詳細信息

2.3.1 固定載荷

固定載荷主要包括平臺的自重和設備載荷。本模型未建出吊機、生活樓等結構，因此船體模型計算質量比實際質量小。吊機自重作為吊機載荷的一部分施加，生活樓的質量作為載荷施加在B甲板生活樓的艙壁上。通過調整船體材料的密度，將固定載荷轉換為船體的質量施加到整個船體上。通過計算預留出一部分固定載荷施加于未建出的上部結構附近，調整這一部分質量使模型重心與《操船手冊》給出的主船體重心保持一致，這部分載荷施加在A、B甲板上。

2.3.2 可變載荷

可變載荷主要涉及各液艙的配載及可變的甲板載荷，具體數值取自《操船手冊》，油水儲備和壓載水等可變載荷通過在對應的艙室底部施加壓力的方式實現。對于非水平的艙室底部(如WB-7-S等)，將對應的壓力換算為節點力施加在這些艙室底部的節點上。

2.3.3 吊機載荷

實際上風載荷與上述組合載荷施加方向為同向是最保守情況。吊機載荷在計算過程中的主要參數取值及計算為：

(1) 作業因數φd參考CCS《船舶與海洋工程起重設備規范》，取1.2。

實驗從收斂性、平均傳輸速率及歸一化網絡滿意度來衡量算法的性能.對比算法主要為幾種常見的分配算法.(1)本文所提隨機學習博弈算法(Stochastic Learning Game, SLG).(2)完全信息動態博弈(Complete Information of Dynamic Game,CIDG)，利用公式(2)為目標函數的一種最佳響應博弈模型.(3)本地博弈(Local Game)，利用式(2)為目標函數的隨機學習算法.(4)隨機選擇算法(Random Selection).

(3) 橫傾和縱傾角度根據表3的規定，自升式平臺取1°。

在起吊工況計算中，吊機自重載荷和起吊載荷均施加在距離吊機基座中心高度10 m處。表6為回轉角 60°時單個吊機的載荷計算過程。

表6 60°回轉角時單個吊機載荷(600 t×36 m)

《操船手冊》規定的最危險的雙吊機聯吊工況中，單個吊機載荷為600 t×36 m。《操船手冊》規定的吊機聯調回轉角度范圍為19°～161°，因為環境載荷的入射角度為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，可以覆蓋吊機的工作范圍，環境載荷入射角度選擇與吊臂方向一致。

在雙機連吊工況下，單個吊機的載荷計算結果如表7所示，表中所示力矩為距離吊機基座中心高度10 m處的力矩(z=23.5 m)。

表7 起吊工況吊機載荷匯總

圖4 吊機上部結構簡化處理

本文對于吊機上部結構采取簡化處理，僅建立了一部分與吊機基座相連的結構，并將這部分結構與一節點進行綁定，如圖4所示，吊機載荷均施加在該節點上。在模型中用于模擬吊機上部結構的高于13.5 m的結構，在后處理中忽略其應力。

2.3.4 環境載荷

環境載荷包括風載荷、波浪載荷和海流載荷。業內對自升式平臺環境載荷的計算和施加已經有較成熟的研究和應用，加之本文著重研究起重安裝平臺起吊作業的平臺安全性，因此不詳細展開環境載荷的計算和施加過程。作用于平臺上的風載荷F的計算式為

F=Kw·Kz·P0·A

(2)

式中：Kw為風載荷形狀因數，對平臺甲板設備應考慮遮蔽效應，甲板設備與平臺樁腿的風載荷形狀因數應分別計算；Kz為海上風壓高度變化因數；P0為基本風壓，P0=α·v2，α為風壓因數，值為0.613 N·s2/m4,v為設計風速；A為受風面積。

采用Morison公式計算波浪載荷，波浪理論選用斯托克斯五階波理論。利用ANSYS軟件進行波浪和海流載荷的計算。建立模型后，輸入波浪參數數據，選用斯托克斯五階波理論進行計算。

船體在環境載荷風、浪、流的作用下，產生橫向位移，加之船體本身質量會使樁腿產生二次彎矩，此載荷稱為P-Delta效應載荷。因此，根據計算的位移對二次彎矩進行計算，并施加到樁靴鉸支點上。

3 結果與討論

針對該自升式起重安裝平臺的起吊作業工況，在風、浪、流入射角分別取0°、30°、60°、90°、120°、150°及180°等7種組合工況下計算屈服強度和屈曲強度。對于吊裝作業，選取《操船手冊》規定的最危險的雙吊機聯吊工況。

3.1 位移情況

起吊作業各組合工況下船體結構的最大位移如表8所示。從計算結果可知，在環境載荷入射角度為30°時，結構發生的位移最大，位置位于右后樁腿的頂部。該工況下的平臺位移云圖如圖5所示。

圖5 起吊作業工況環境載荷入射角30°時的平臺位移云圖

入射角度/(°)最大位移/mm位置0286.7右后樁腿頂部30304.3右后樁腿頂部60292.3右后樁腿頂部90264.8右后樁腿頂部120225.4右后樁腿頂部150245.3左前樁腿頂部180275.5左前樁腿頂部

3.2 屈服強度校核

船體材料主要是許用應力為355 MPa的高強度鋼，在吊機基座部分區域采用EQ51鋼進行加強，組合工況下安全因數取1.11，許用應力分別為320 MPa和450 MPa。組合工況下骨材安全因數取1.25，許用應力為284 MPa。表9和表10分別整理了該平臺在起吊作業工況下的板材和骨材屈服校核結果。

表9 起吊作業工況船體板材屈服校核

表10 起吊作業工況船體骨材屈服校核

由表9和表10可知船體強度在各組合工況下均滿足要求。由《操船手冊》中吊機作業范圍的規定可知，雙吊機聯合起吊時，其回轉角度范圍為11°～169°。因此，環境荷載入射角30°時為最危險工況，主船體的結構應力和變形位移均最大。該工況下的船體應力云圖如圖6所示。

圖6 起吊作業工況環境載荷入射角30°時的平臺主甲板和右舷外板應力云圖

3.3 屈曲強度校核

根據相關規范要求，平臺結構除滿足強度條件外，還需對受壓構件進行穩定性計算。本文根據《海上移動平臺安全規則》(1992)相關規定進行屈曲校核。

根據屈服校核確定最危險的組合工況(即環境載荷入射角為30°時的組合工況)，進行該最危險組合工況下船體板材和骨材的屈曲校核。經驗算，板材和骨材屈曲校核裕量較大，最危險組合工況的屈曲校核可以覆蓋其他組合工況。由于篇幅所限表11羅列了起吊作業工況扶強材的屈曲強度校核結果。

表11 起吊作業工況扶強材屈曲校核

4 結 論

本文以國內某海上起重安裝公司在2016年購進的芬蘭GustoMSC設計的動力定位型自升式起重安裝平臺為例，詳細分析了其在起吊作業工況下的結構安全性，并對7種組合工況下的船體和吊機基座結構強度進行了校核，得到以下結論：

(1) 在該自升式起重安裝平臺《操船手冊》中規定的起吊作業工況下，平臺結構強度能夠滿足《海上移動平臺安全規則》(1992)的要求。

(2) 各組合工況中船體各部位的最大應力均在許用應力范圍內，滿足結構屈服強度要求。

(3) 各組合工況中船體主要構件的屈曲強度均滿足要求，環境載荷入射角為30°時的組合工況的屈曲強度裕量最小。

(4) 在吊裝工況中，吊機基座中與艙壁交叉處的加強肋板應力水平較高，但仍滿足要求，在實際建造中應予以重點關注。