朱 彬, 蔡小強

(江蘇大津重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212221)

0 引言

近年來，海洋平臺下水工藝一直是國內(nèi)外船廠研究的工藝熱點，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，下水方式采用船塢起浮式下水；極少數(shù)船廠利用船臺建造海洋平臺，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耗力，且下水成本居高不下。尤其是船臺縱向滑道下水，由于平臺長寬比小，總體長度相對較短，在縱向下水過程中具有較大的首、尾跌落的風險，容易導致平臺安全事故。為解決首跌落風險，通常需要較高的潮汐水位才能保證下水安全性，這對下水時間的控制要求很高。

本文對以簡易傾斜船臺上建造的海洋平臺氣囊下水方式進行研究，通過對下水過程中各要點的計算分析，尤其對平臺下水時首跌落狀態(tài)的分析研究，得到比較可靠、安全的應用辦法。其中，對下水牽引鋼絲繩的核算、下水氣囊的核算、平臺發(fā)生首跌落時的核算具有典型的實用參考價值。

1 工程概況和船臺概況

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

2 牽引力計算及拉點布置

2.1 平臺下滑力計算公式

平臺下滑力Fc計算見式(1)[1]：

Fc=Q(gsinα-μgcosα+V/T)

(1)

式中：Fc為平臺下滑力，kN;Q為平臺自重，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為卷揚機剎車時間，T=1 s;μ為氣囊滾動阻力系數(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)計算，F(xiàn)c=2 102.2 kN。

2.2 卷揚機鋼絲繩牽引力核算

鋼絲繩的牽引力F必須要大于平臺下滑力Fc，其計算見式(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)計算，F(xiàn)=3 170.7 kN。

根據(jù)平臺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。鋼絲繩的安全負荷按超過此值選取即可滿足要求。

2.3 平臺首部拉點的設置

根據(jù)平臺在船臺擺放位置、地錨所在位置及平臺下滑力的大小，選取平臺首部具體拉點的位置及大小，左舷與右舷的拉點對稱，拉點布置見圖1。單個拉點的受力大于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°。拉點的效果圖見圖2。

圖1 拉點布置圖

圖2 船上拉點效果圖

3 下水前的準備

3.1 下水平臺

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

(2)平臺底板和所有附件上的毛刺、焊瘤等均應磨平。

(3)首部左右舷的樁靴底部內(nèi)凹處過渡工裝固定完畢，樁靴需三面保護平整。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)平臺外板上的焊縫經(jīng)檢驗合格，并經(jīng)過密性試驗。

(5)平臺主尺度測量完畢，水線標志等經(jīng)檢驗合格。

(6)對平臺的設備狀態(tài)以及水線下各艙室進行檢查，確保下水安全。

3.2 船臺坡道

(1)氣囊從船臺經(jīng)過坡道滾動的道路應清潔、平整、無尖銳硬物等。

(2)船臺閘門外10～15 m段為水泥地面，下水前5 d進行淤泥清理。

圖4 下水工裝結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 下水設備的準備

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

(2)下水時應選用低速卷揚機；鋼絲繩需進行目測檢查。

(3)空氣壓縮機的型號應滿足氣囊總?cè)萘俊⒊錃鈺r間、充氣壓力的要求。壓縮機上的限壓閥、分配閥等應安全可靠。

4 水位分析及下水計算

4.1 船臺末端(塢門外20 m)拐點處水位推算

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

4.2 下水前水文氣象觀測

在正式下水前3 d，必須測量記錄碼頭標桿處高潮時間，潮位及高潮前2 h整點水位數(shù)據(jù)，便于和潮汐表進行對比。

4.3 下水計算

本平臺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)。平臺下水主要分三個階段，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，尾部平底部分已開始入水。平臺下水初始階段見圖5。

圖5 平臺下水初始階段

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

圖6 平臺尾部開始上浮階段

(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。平臺首部完全漂浮階段見圖7。

圖7 首部完全漂浮階段

當平臺尾部開始上浮時，首部支反力達到18 394 kN，理論上最首端氣囊受力最大，其他氣囊只能分擔部分壓力。氣囊受力是個動態(tài)的過程，與氣囊分布、氣囊和船底接觸面有關(guān)。按照力學分析，最首部一排氣囊與平臺底接觸的面積作為受力點，則最首部氣囊存在被壓爆的風險。首部氣囊位置示意圖見圖8。但根據(jù)實際動態(tài)情況，自尾部開始上浮時，根據(jù)計算得出首部平臺底還有12排共19個氣囊，完全可以承受18 394 kN的反力，氣囊被安全滾出平臺底部。

圖8 首部氣囊位置示意圖

此外按照計算，平臺離開滑道末端大約5 m后才能完全漂浮，即平臺會發(fā)生首跌落現(xiàn)象。首跌落發(fā)生時，最大首吃水為2.546 m。由于下水過程吃水太淺，為了保證平臺在下水過程中不發(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)理論計算，氣囊受壓力最大為3 211.3 kN，最首部一排氣囊與平臺底接觸的面積作為受力點，則最首部氣囊存在被壓爆的風險。但根據(jù)實際動態(tài)情況，平臺首端離開船臺拐點時，平臺的滑程為84 m，則平臺底首部的氣囊按計算還有11個氣囊，此時的氣囊在水中有浮力來支撐平臺底，遠遠大于靜態(tài)最首處支點的受力，所以氣囊不會被壓爆。

5 氣囊的選用和承載力計算

5.1 氣囊選用

氣囊選用[5]高強度氣囊，規(guī)格為Φ1.5 m×24 m和Φ1.5 m×15 m，數(shù)量分別為12個和56個。根據(jù)氣囊供應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 平臺離開滑道末端示意圖

5.2 承載力計算

(1)核算需要多少米氣囊，足以支撐平臺。

X=WKg/R

(3)

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

經(jīng)計算，X=645 m。

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

(3)核算沿平臺縱向需布置多少排氣囊。根據(jù)平臺的底部線型，其平底橫向?qū)挾葹?2 m，縱向長度為71 m。由于平臺過寬，單排由24 m長氣囊1只及15 m長氣囊1只長氣囊組成。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為單排氣囊與平臺底部有效接觸長度，Ld=33.8 m。

經(jīng)計算并取整數(shù)，N=19。

(4)核算氣囊是否滿足間距要求，根據(jù)式(5)[1]計算：

πD/2 +(0.5)≤L/(N-1)≤6

(5)

式中：L為平臺平底長度，L=71 m；D為氣囊囊體公稱直徑，D=1.5 m。

經(jīng)計算，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，應根據(jù)下水拉點布置圖的要求，通過鋼絲繩、脫鉤器、卷揚機一端連接地錨，另一端與平臺首部拉點連接，緩慢使鋼絲繩受力拉緊，避免氣囊充氣后平臺發(fā)生位移。

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

圖10 氣囊布置圖

6.2 落墩方案

平臺重心靠尾處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。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，在支撐平臺上布置氣囊，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，選擇潮位最低時間段，吊離閘門，通過平臺自身下滑力，在卷揚機的牽引下，按照要求不斷補充氣囊，檢查氣囊狀態(tài)，將平臺移出閘門外約15 m。由于平臺尾部左右2個樁靴內(nèi)凹處未有工裝護平，故此樁靴位置下方不能布置下水氣囊，此時氣囊的布置見圖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)，該補充氣體的進行補充)，到滿潮后的10～15 min，打開快速脫鉤器，通過平臺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 本平臺下水的難點及應對措施

8.1 樁靴位置處的處理

采用工裝對樁靴施行封堵，用鋼木結(jié)構(gòu)設計，利用鋼絲繩拉緊，繩索與平臺可靠連接固定。主船體與樁靴封堵工裝，經(jīng)過渡處理，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 尾重型平臺起墩方法

平臺尾部偏重，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，平臺移位結(jié)束后，氣囊從平臺中心至平臺尾端用24 m和15 m高強度氣囊交叉對接使用，確保下水至跑道拐點能保護首側(cè)推及平臺結(jié)構(gòu)。從下水計算查得，平臺首部經(jīng)過滑道末端時，平臺滑行83 m，則氣囊行程41.5 m，算出平臺底部還剩余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；當平臺首部經(jīng)過船臺拐點時(即滑行83 m)平臺產(chǎn)生的排水量為7 468 t，小于平臺下水自重，此時首部會發(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首部離開船臺拐點時，氣囊浮力大于下沉力，則首側(cè)推裝置能得到有效的保護。

9 結(jié)論

(1)自升式海上平臺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。