液壓升降系統圓柱形樁腿兩種結構形式

黃寶文, 戴小明，陳 極，張 磊

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司, 廣東 廣州 511462； 2.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

樁腿是自升式作業平臺的核心構件，根據不同的工作水深、海底地基、升降機構等情況，可設計成殼體式或桁架式。殼體式樁腿為封閉型，一般適用水深在60 m以內；桁架式樁腿為透空式，用于深水(一般大于60 m)自升式平臺。樁腿上部樁身結構與升降機構配合完成升降動作，下部樁底形式根據海底地基不同可選用沉墊型(軟黏土地基)、樁靴型(較軟黏土和沙土地基)、插樁型(較硬的沙土地基和堅硬的巖石地基)，樁靴型樁腿一般而言兼顧軟硬地基的要求。

我國近海作業水深一般不超過60 m，因此近海作業的風電安裝平臺、居住平臺、輔助工程平臺，甚至新開發的旅游居住平臺大多安裝液壓插銷式升降系統和圓柱形殼體式樁腿。

1 兩種樁腿形式介紹

目前國內液壓插銷式升降系統的樁腿一般為圓柱形殼體式，也有少量為多邊形或方形，考慮到樁腿的耐波性，用圓柱形殼體式的居多。圓柱形殼體式樁腿有如下兩種形式。

(1) 插銷孔處有腹板加強形式(簡稱貼板式)。如圖1所示，樁腿插銷孔處有腹板加強，從底部銷孔一直延伸至樁腿頂部，腹板直徑一般比銷孔直徑大300 mm以上，腹板厚度與樁腿厚度基本一致，在腹板四周開深熔焊坡口，并保證腹板與樁腿貼合，以便腹板參與樁腿的剖面模數計算[1]。

圖1 帶腹板型式樁腿示例

(2) 插銷孔處無腹板加強形式(簡稱無貼板式)。如圖2所示，樁腿插銷孔處無腹板加強，只有銷孔。

圖2 不帶腹板型式樁腿示例

2 兩種樁腿形式優缺點比較

參考中船黃埔文沖船舶有限公司在建和已交付的多艘居住平臺、風電安裝平臺，對兩種樁腿形式在建造工藝、詳細設計強度計算、使用時的防轉功能等方面的優缺點進行對比。

2.1 建造工藝

在插銷孔處設置貼板時，由于銷孔從上至下貫穿整個樁腿，貼板長度與樁腿長度幾乎一致，會大幅增加焊接工作量。貼板角焊縫與樁腿對接焊縫有一定的重疊，在重復受熱中對特殊構件的焊接質量有影響。此外，插銷孔處設置的貼板無法保證與樁腿完全貼合，一般會有較小的間隙，后期處理難度大。若貼板與樁腿貼合不緊密，則需退回加工車間重新壓制，增加施工時間。實船驗證表明此情況經常出現，導致反復施工。

在插銷孔處設置的貼板與樁腿焊接后將影響樁腿的整體撓度和筒體圓度的精度，可能導致樁腿完工后的公差度達不到要求。

因此在建造工藝方面，銷孔處無腹板加強形式更簡單、制作難度小，銷孔處有腹板加強形式的制作成本更高。

2.2 強度計算

殼體式樁腿通常采用圓柱型，樁腿橫截面為圓形，考慮到樁腿的細長比滿足簡化條件，內部結構較為簡單，采用梁單元對樁腿進行有限元模擬。樁腿模型如圖3[2]所示。

圖3 樁腿模型

為驗證結構強度并優化質量，計算時在橫剖面的樁腿插銷貼板、樁腿壁板以及加強筋等位置均選取數個計算點，沿樁腿長度方向每隔5 m選取計算剖面，在樁腿有限元模型中獲取剖面載荷之后，對該剖面的所有計算點進行手動校核。根據各強度指標對樁腿板厚進行適當的減薄和增厚。這種方法雖然計算量較大，但對樁腿質量優化較為有效。

在計算分析中將樁腿插銷孔處貼板加入樁腿計算，需要加強的地方均做加強，不以增加樁腿板厚的方法來全面加強樁腿的剖面載荷，對樁腿的質量減小有幫助。

因此，在強度計算分析方面，銷孔處有腹板加強形式更能減小樁腿質量，減少材料成本。

2.3 樁腿防轉功能

在樁腿插銷孔處貼板后，樁腿的貼板將與固樁室頂和圍井區域的耐磨板配合，以限制樁腿的轉動，如圖4所示。樁腿相對于主船體的轉動力直接作用于固樁室頂和圍井區域[3]。

圖4 樁腿貼板防轉示例

樁腿銷孔處無腹板形式通過上下環梁與固樁室的導向裝置來限制樁腿的轉動，如圖5所示。樁腿相對于主船體的轉動力先通過插銷連接傳遞至上下環梁，再通過環梁傳遞至固樁室[4]。

圖5 固樁室導向裝置防轉動示例

對比兩種轉動力的傳遞可知，樁腿銷孔貼板后，樁腿的轉動力直接傳遞至主船體，防轉功能更優化。

3 兩種樁腿形式的選擇范圍和原因

在設計初期，選擇樁腿形式需從多個方面進行考慮：在詳細設計時，從船型配合的需求上來考慮；在生產設計時，從大型船廠的設備制作能力上來考慮；在運營時，從使用方的經濟性和海域適用性等方面進行考慮。

對兩種樁腿形式的選擇進行劃分：

(1) 對于空船質量在10 000 t以下、起重能力在800 t以下的船型，考慮到國內大部分制造廠的加工能力，此類平臺在設計初期選擇的樁腿直徑一般不超過3.8 m，樁腿板厚一般不超過60 mm，推薦使用插銷孔處設置貼板式樁腿，原因如下：

圓柱形樁腿一般采用液壓三芯輥或四芯輥進行板材壓圓，國內大型船廠的壓圓能力在直徑4 m以下，3.8 m的直徑為加工有效寬度的極限；空船質量在10 000 t以下的船型的樁腿厚度一般不超過60 mm，因此插銷孔處的貼板厚度也不會超過此厚度，一般為50～55 mm，國內大型船廠的壓圓能力可制作此直徑和板厚的樁腿，而且在公差度控制方面有一定的保障。另外使用樁腿貼板可以與固樁室的耐模板配合使用，形成防轉功能，不必再額外添加防轉裝置。

使用貼板式可減小樁腿整體質量、降低樁腿厚度，在現階段鋼材價格居高的形勢下可用貼板式達到節約成本的目的。

(2) 對于空船質量在10 000 t以上、起重能力在1 200 t以上的船型，推薦使用插銷孔處無貼板式樁腿，原因如下：

空船質量超過10 000 t以上的大型工程平臺的樁腿板厚可能會在80 mm以上，樁腿直徑超過4 m。如果此時再用貼板形式，國內的制造廠制作能力有限，插銷孔處的貼板在壓圓后的公差度難以保證，導致插銷孔處的貼板在壓圓后與圓柱形樁腿無法貼合，此時將插銷孔處的貼板計算加入樁腿受力分析中是不合理的。因為貼板不參與剖面模數計算，所以樁腿板厚無法減少，還額外增加貼板質量，導致樁腿的質量沒有改變。

因此，對于船廠的建造成本和詳細設計計算而言，使用無貼板式比較合理，可降低船廠的制作難度，且達到節約成本的目的。

上述劃分對樁腿的選擇給出了指導性意見，但沒有參考使用方的要求。如果使用方的作業環境和施工習慣希望盡可能減少樁腿厚度、壓縮樁腿直徑，以減輕船舶整體質量，則可能會從樁腿材質入手，通過提高樁腿材質來達到目的。在這種情況下，上述劃分可能會有一定的改動。

4 結束語

對于中小型工程平臺，在選擇圓柱型樁腿時，樁腿直徑一般不超過4 m，此直徑的樁腿適合在船廠自行加工制造，選用貼板形式的樁腿既可減小船廠制作難度，又可減小船廠的委外制造成本。對于大型工程平臺，樁腿直徑一般超過4 m，由于目前國內船廠的加工能力有限，而且此直徑的樁腿使用貼板形式也無法減小制作難度，建議使用固樁室內的防轉裝置取代貼板的樁腿防轉功能，可確保平臺的施工運營。因此，在樁腿選擇時以4 m直徑為界限區分，4 m以下樁腿用貼板形式防轉，4 m以上樁腿用無貼板形式，以固樁室內的防轉裝置防止轉動[5]。

船舶市場處于低谷時期，在不影響平臺正常施工的情況下，應重點考慮船廠的施工難度和制造成本。現階段在樁腿的制作成本方面，各大型船廠都在進行各種嘗試，本文是對樁腿選型驗證的較好推薦。