自升式碎石樁施工平臺輪機設計特點

2021-11-05 14:57:24劉森林陳雪峰

船舶 2021年5期

劉森林陳雪峰高飛

（天海融合防務裝備技術股份有限公司上海201612）

0 引言

自升式施工平臺作為離岸工程的重要輔助裝備，起源于墨西哥灣水域，主要為海上油田提供設備維護及人員住宿等支持服務。其在外形上具備常規船舶的特點，通過裝備的升降裝置和樁腿將船體抬離水面，工作時不受海水運動的影響，保證了海上作業的穩定性和安全性，可在相對惡劣的海況下持續作業，擴大作業窗口期，有效提升作業效率，受到越來越多的船東青睞，使其在國際上更多的水域得以利用，由此也對該型裝備提出了更多的功能需求，并推動了自升式服務平臺技術的不斷發展，當前自升式服務平臺已廣泛應用于為海上油田生產提供支持服務，海上風電施工等多種水上作業。

1 項目概況

本碎石樁施工平臺是1艘插銷式液壓油缸升降的四腿自升式工程作業平臺，由平臺主體、樁腿（帶樁靴）、升降系統和碎石樁作業系統等部分組成。平臺主體平面形狀為長42 m、寬50 m的矩形，在平臺主體的中間開有1個長為19 m、寬為27 m的長方形月池。四根圓柱形樁腿外徑為2.5 m，布置在平臺主體前后的左右兩舷，樁靴為正方形，邊長6.6 m。

本平臺滿足近海海域無人拖航調遣，沿海航區作業，最大作業水深25 m。本平臺為鋼質非自航自升式工程用平臺，主要用于防波堤碎石樁施工，施工過程主要分為平臺拖航、平臺定位、補料船上料、振沖施工、振沖器檢修和平臺移位等工序。

使用方式為近海海區拖帶，沿海海區作業，設定作業區域為中國沿海及地中海，平臺作業工況為碎石樁施工作業、移船、抬升和拖航。

2 輪機系統布置

本平臺為箱型“回”字結構，四角上布置有4根采用液壓驅動的樁腿，樁腿底部帶有樁靴；平臺上部布置門架，門架覆蓋月池及兩側舷外一定區域，門架上部設置3臺移動桁車，分別布置于月池和兩側舷外區域；每個桁車上布置主起升小車和輔助起升小車，其中主起升小車吊裝振沖器進行碎石樁施工。桁車可在門架上沿門架縱向移動，主起升小車帶動振沖器可橫向移動，實現平臺單次駐位大范圍作業能力。船上還配置了克令吊、儲料倉、供給料皮帶機、柴油發電機組、壓艙注排水系統和操船錨機等各種輔助設備，見圖1。從以上描述可知，輪機系統涵蓋了平臺的主要機械設備，是平臺實現各功能的核心和關鍵，輪機系統的設計尤為重要。

圖1 自升式碎石樁施工平臺甲板面布置

輪機系統的設計應遵循以下布置原則：

（1）統籌性原則

本平臺為箱型“回”字結構，中間有月池，四角布置有固樁室和樁腿，甲板面還有諸多任務設備，空間非常緊張。本平臺的機艙布置在月池左后方生活區下，機艙布置統籌考慮了設備布置、管理維護便利性、對任務設備的影響等因素。本平臺設置有3套碎石施工的任務設備，其動力源采用動力模塊布置在甲板面，利于任務設備的獨立性，也簡化了本平臺機艙的布置。

（2）對稱性原則

對稱性原則要求平臺為4樁腿的型式，每根樁腿的載荷盡量平均，因此輪機系統的設計遵循對稱性原則。如本平臺的升降系統分為2組，左舷2根樁腿設置1套液壓泵站，右舷2根樁腿設置1套液壓泵站，除了樁腿對稱布置外，左右舷的升降系統泵站靠近月池沿橫向對稱分布；本平臺設有緩沖艙2個，靠近月池沿縱向對稱分布。

（3）輕量化原則

可變載荷是平臺性能的重要指標，本平臺的設計遵循輕量化的原則，盡量減少平臺的自重，相當于額外增加了平臺的可變載荷。輪機系統里設備和管路是重量的主要來源，具體措施如本平臺的發電機組及動力模塊選用性能優異的高速機，其余機械設備也選用外形緊湊且質量輕的產品。管路系統的設計在按照平臺規范的相關要求下，合理選取裕度，注重新材料的選用（如上建的黑灰水、供水管路采用PPR-MF管道，電纜托架選用鋁鎂合金，管路連接采用吉瑞普可拆接頭代替傳統法蘭等），都是有效的減重措施。

3 動力配置

機艙設置3臺370 kW 400 V 50 Hz發電機組，3臺發電機可長期并聯運行，平臺升降工況使用3臺發電機。應急發電機室設置99 kW 400 V 50 Hz應急兼停泊發電機組1臺。

另配集裝箱式柴油發電機組，作為任務設備的動力源為振沖器、空壓機、水泵和碎石泵等設備供電；3套任務設備均獨立配置發電機組，且不與平臺發電機組并網運行，可以大幅提高任務設備的抗故障能力。

主發電機與應急發電機設有聯鎖，主發電機運行時，應急兼停泊發電機不允許運行，應急發電機在作為停泊發電機使用時嚴格按照電力負荷計算的要求使用，確保停泊工況隨時可以轉換到應急工況，且應急發電機不會過載，應急設備可以立即使用。應急發電機組用作停泊發電機組，既減少設備配置，又提高經濟性，參見圖2。

圖2 自升式碎石樁施工平臺電力系統圖

4 輪機系統

4.1 規范規則的差異

本平臺的設計和建造按照中國船級社CCS的有關規范和規則進行，其中CCS《海上移動平臺入級規范（2020）》、IMO 2009海上移動式鉆井平臺構造和設備規則（2009 MODU CODE）是本平臺設計的主要依據。

平臺規范里對艙底支管（總管/艙底泵）的公式和船舶規范略有差異：平臺規范要求艙底水總管的內徑應不小于最大艙底水支管內徑的1.414倍，艙底水支管的內徑計算公式也不相同。以機艙為例，船舶規范是按照艙室的長度、寬度及型深作為變量代入相關公式進行計算，而平臺規范是按照機艙進水一半時，該艙內被浸濕的表面積作為變量代入相關公式計算。

平臺規范對消防水滅火要求也略有差異：每個平臺至少有2個吸水源，在平臺升起狀態下，每個消防泵應能從至少2個相互遠離的獨立潛水系統吸水，其中1個潛水系統失效不能導致另外的潛水系統失效。平臺升降過程中，至少有40 m的緩沖水艙為平臺升降過程的消防供水源。

每臺消防泵的輸送壓力應保證在任意2個消防栓通過消防水帶和19 mm水槍同時出水的情況下，能使任意1個消防栓處保持0.35 MPa的最低壓力，此壓力是高于常規的船舶規范0.25 MPa（或0.27 MPa）壓力要求；平臺規范中還要求消防水能隨時立即使用，包括消防泵的控制要求等，在此不再贅述，在平臺消防系統設計時候需要注意。

壓載系統的設計要注意平臺至少有2臺壓載泵，每臺壓載泵的能力應能滿足平臺壓載和排載作業的需要，如果主海水系統的潛水泵是獨立布置于平臺上不同位置且具備壓載功能，可以作為代替。另外，壓載艙的空氣管在正常的吃水條件下應該是自排式的，柜存量的感應方法不能使用柜底部壓頭與大氣壓之比較的方法。預壓載艙的排空口應設計有牢靠關閉型的閥門和自動止回閥（或1套同時兼具2項功能的閥），該閥如果采用遙控，則該閥應設計成當動力源失效時自動關閉。

4.2 處理好平臺設備和任務設備的關系

本平臺是碎石樁施工平臺，平臺本身是基本的載體。平臺上布置了各種任務設備，需要協調好平臺本身與任務設備的布置。任務設備主要有2套振沖送料皮帶輸送系統，每套輸送系統分別為3個振沖器泵送倉送料；碎石樁作業系統主要設備包括振沖器、碎石輸送管、碎石輸送泵、系統用空壓機和系統用發電機等；本平臺主甲板上設有1臺雙懸臂固定門架起重機，門架上方布置3臺移動桁車，3臺移動桁車分別布置于月池及兩側舷外區域，桁車可以沿門架縱向移動，見圖3。

圖3 自升式碎石樁施工平臺甲板綜合布置圖

由上面敘述可知：本平臺的任務設備形式多樣，需要占用絕大部分的甲板面及垂直空間。

針對上述特點，輪機系統的設計遵循集約化布置的原則，具體為：

（1）應急兼停泊發電機室布置于右舷靠近固樁室，避開作業區、遠離生活區，停泊工況使用時也可大大降低船員生活區的噪聲；甲板面的透氣管頭、測深頭、加注接頭和通岸接頭也遵循集約化布置的原則集中靠近艙壁布置，使甲板面整潔、干凈，為任務設備的布置節省寶貴空間。

（2）機艙布置在月池左后方生活區下，3臺主發電機組并排布置，監控室位于機艙左側，海水總管位于機艙前面，利于和緩沖艙的管路連接。排氣管貼上建艙壁向上通大氣，避免單獨設置機艙棚。機艙的左前方設置輔助設備艙，主要布置污水裝置、水柜等輔助設備。機艙和輔助設備艙分開布置，比設置1個機艙的布置更靈活，參見下頁圖4。

圖4 自升式碎石樁施工平臺機艙、輔助設備艙布置圖

（3）由于此類平臺施工過程中有粉塵產生，機艙通風進風口遠離粉塵源，盡量布置在上風口，機艙的通風百葉窗選用具有除塵功能的產品。

（4）本平臺的冷卻系統較常規船也有一定差異，平臺漂浮狀態時候從海水箱吸水；當平臺升起后，通過潛水系統向緩沖艙供水，關閉海水總管舷側閥，聯通緩沖艙和海水總管。

4.3 船員及施工人員的生活保障

本平臺船員6人，施工人員30人。非施工作業工況，平臺上主要是船員，生活用水及排放污水負荷較小，而且時間跨度較長；施工作業工況，需增加30名施工人員，施工平臺作業經常是輪班制，輪班時候典型特點是換班期集中洗浴，生活用水及排放污水負荷較大，時間集中。上述人員的變化需要在生活供水設計上予以特別考慮：常規船型生活用水器具的使用時間通常取16 h左右，但是對本施工平臺而言需要考慮人員短時間集中用水特點，建議取2～4 h。因此淡水柜、熱水柜等選型較常規船要大，本平臺淡水柜、熱水柜規格均為1 m×0.4 MPa。

施工平臺生活區的空調設置也充分考慮施工平臺人員特點，從總圖布置上提前進行規劃。可以將船員生活區作為1個空調區域，其余施工人員分為2個區域；空調的配置按照3個分區設計，空調的壓縮機組也與之相配。實際使用根據空調區的使用數量開啟相應的空調機組。該設計可以精準調節，使用經濟。

5 特種系統

5.1 升降系統

自升式平臺受風、浪等環境因素的聯合作用，升降系統是平臺上用于傳遞和承受載荷的機械設備，是自升式平臺上最關鍵的設備之一，其基本功能在于：

（1）平臺體的提升、下降和固定；平臺漂浮時樁腿的提升、下降和固定；

（2）承受平臺體和樁腿之間的載荷（重力、工作和環境）。

自升降裝置發明后，經過一百多年的發展，多種能夠進行大載荷下直線位移的機械結構先后應用于升降裝置，主要包括：液壓插銷式、齒輪齒條式、鋼絲繩牽引式、卡槽升降式和齒條插銷混合式等。其中成為主流的僅有液壓插銷式和齒輪齒條式兩類。升降裝置的結構型式與樁腿形式密不可分，樁腿形式主要分為殼體式和桁架式兩類，一般而言，水越深，風浪流條件越惡劣，越多采用桁架式樁腿。圖5是某國外設計公司就北海水域選用不同樁腿形式的成本對比。

圖5 北海水域選用不同樁腿形式成本對比

可見在北海海域，水深超過40 m后，桁架式樁腿更具有性價比。根據國內設計研究機構分析，國內近海海域殼體式樁腿一般用于工作水深在70 m以下。本平臺最大作業水深6 ～25 m，配置圓柱樁腿的單步進插銷式液壓升降系統，單樁額定升降能力1 500 t，具有樁腿升降和平臺升降能力，并能可靠完成升船作業鎖緊要求，適用于沿海淺水區無冰區作業。

系統主要分為升降機構、液壓系統和電控系統，升降機構主要由定環梁、動環梁、升降油缸、緩沖裝置和插銷裝置等組成。全平臺升降液壓系統共2套，分別位于船首和船尾，可分別驅動艏部和艉部2套升降機構。升降電控系統與本平臺升降機構配套使用。電控系統主要分為集中控制臺、樁邊控制箱、電機控制箱等。集中控制臺的主要功能為在遠程狀態下可以對整套液壓系統進行控制，并且采集系統中所有壓力、溫度、樁腿位移和傾斜角度等參數，并且可以實時監測樁腿的升降過程。

5.2 潛水系統

根據平臺規范要求，平臺升起狀態下，每個消防泵應能從至少2個相互遠離（當不能遠離時，應另設1套臨時潛水泵系統）的獨立潛水泵系統中吸水。當其中1個潛水泵系統失效時，不應導致潛水泵系統失效。

在平臺升降過程中，鉆井水系統應能向消防泵供水。對本項目而言，無鉆井水系統，可以通過設置緩沖水艙作為平臺升降過程中的消防水源，因此需要設計合適的潛水系統為緩沖艙續水。潛水系統主要功能是在平臺升離水面后將海水提升到平臺上，其主要組成為潛水泵、升降裝置和管路等，主流潛水系統形式及特點比較見表1。主流的潛水系統有如下幾種形式。

表1 主流潛水系統形式及特點

若按照常規設計潛水系統采用軟管絞車形式，價格昂貴、供貨期長、維護費用高。我公司自行開發設計了“卡扣式”潛水系統，該系統的基本原理是潛水泵的出口管路采用鋼管，排出揚水管路兼做升降桿，在升降桿的兩端設置導軌和滑環，根據作業特點在升降桿上設置若干固定法蘭，升降桿連同潛水泵借助平臺的吊機進行升降，達到預定高度后通過固定法蘭和平臺的座子連接固定，見圖6。該裝置設計需充分考慮使用的安全性、操作方便性、工藝可行性，船廠按照我們圖紙即可生產制造，周期短且成本也大幅降低。

圖6 自升式碎石樁施工平臺“卡扣式潛水系統”示意圖

5.3 沖樁系統

沖樁系統在平臺拔樁作業前，并處漂浮作業狀態時，利用平臺上高壓沖樁泵輸送沖樁水至樁靴結構表面，對海土進行沖刷，減少海土對樁靴結構的吸附力、覆土壓力及土體對樁靴結構的抗剪力等外部阻力，提高拔樁效率。樁靴上表面與下表面的沖樁管線獨立，上下噴嘴分別接至其對應的環管，樁靴底部表面設置的噴嘴，其作用在于解決樁靴底部與海土之間產生的吸附力；通常在噴嘴口處設置防護罩，噴水口的水流方向應盡量擴大沖刷范圍，使沖樁效果達到最佳，本平臺沖樁泵規格為50 m/h×6 MPa。

沖樁泵通常布置在甲板下艙室，泵的出口管路分為兩部分，一部分是從泵出口至固樁室附近，另外一部分是在樁腿上，兩部分通過軟管相連。由于平臺根據作業需要調節不同的升降高度，平臺和樁腿的相對位置經常變化，沖樁系統在平臺部分和樁腿部分通過軟管和由壬接頭連接，根據平臺作業水域的水深、氣隙，選擇合適的由壬接頭間距，盡量減少由壬接頭的數量，減小了開孔對樁腿強度的不利影響，還要考慮軟管和由壬連接的操作空間。這類平臺的由壬座子、沖樁噴嘴通常都是采購成品件，本項目設計了專門的連接形式，船廠即可加工生產，故有效降低了成本，見圖7。

圖7 自升式碎石樁施工平臺由壬接頭示意圖

6 環保性

本平臺產生的主要污染物為大氣排放物及少量的生活污水、生活垃圾、工業垃圾和機艙含油污水等。

本平臺主發電機組、應急兼停泊發電機組、碎石樁系統動力單元，其發動機氮氧化物的排放符合Tier-II標準，且滿足GB15097-2016 排放要求。本項目設置低硫油艙，發電機組在限排區內使用符合上述要求的低硫油，主發電機組的選型注意低硫油的適用性。船舶空調、冷藏和空氣干燥器等裝置，選用環保型的制冷劑。

配備了生活污水處理裝置，對船員及施工人員的生活污水進行處理達標后排放，滿足MEPC-227（64）要求；配備了油水分離器對船上油污水進行處理排放，處理設備滿足MEPC-107（49）要求；配備了焚燒爐污油及垃圾進行處理，處理設備滿足MEPC-244（66）要求，使用國家海洋環保部門和船級社認可的海洋工程專用涂料和管接頭涂層材料，確保其對海水的污染在允許的范圍內。本項目排氣管、空調管路采用環保型的絕熱保溫材料，包括管路墊片在內的石棉制品禁止上船。總體而言，本平臺為沿海作業，平臺的環保設計滿足中國海事局的相關要求。

除了上述常規的環保措施外，針對本平臺專門設計的環保措施如下：

（1）甲板面布置有較多的任務設備，在甲板面的四周設置了攔水扁鐵，設有專門的泄放管路到甲板下的收集艙，防止可能泄露的油流入海里。

（2）本平臺施工用的儲料倉分別布置于平臺兩側，每側各1個，共計2個儲料倉。儲料倉位于平臺甲板以上，儲料倉補料通過補給船利用皮帶機送料。補料船位于2個儲料倉一側，另一側儲料倉的送料通過布置于兩側儲料倉之間的皮帶運輸系統轉運。為防止輸送過程中產生粉塵污染，在輸送帶露天部分設計了防塵罩，并設置了噴霧降塵系統，這些措施有效降低了粉塵對空氣污染。

（3）本平臺主要功能為碎石樁施工，為防止施工過程對海底淤泥蔓延，專門設計了防污簾防止對周圍海水產生污染，見圖8。