半潜平台举力驳顶升减载起浮出坞技术

(招商局重工(江苏)有限公司， 江苏 海门 226100)

随着半潜平台尺度越做越大，吃水随之不断增加，国内现有船坞深度已不能满足此类平台常规起浮出坞的要求，迫切需要研究解决此类大吃水平台的出坞方案。举力驳顶升减载起浮出坞技术是对这类问题很好的解决方案，在低平潮时段将举力驳拖至平台下方，举力驳随着涨潮而上升最终将平台托举起浮。本文以实际案例介绍该技术方案的实施。

1 半潜平台技术参数

平台三维效果见图1。

图1 平台三维效果

总长×船宽×主甲板高度(全船)：137.75 m×81.00 m×42.80 m；型长×型宽×型深(主浮筒)：137.75 m×19.50 m×12.00 m；型长×型宽×型深(辅浮筒)：122.00 m×13.50 m×12.00 m；最大作业吃水：26.4 m；自存吃水：17.00 m；拖带吃水：10.5 m；排水量(水深20 m)=49 750 t；起重能力：2×2 200 t；生活区：750人。

2 干船坞及周边水文、气象条件分析

2.1 干船坞

招商局重工(江苏)有限公司干船坞尺度为530 m(长)×130 m(宽)×13.80 m(深)。船坞工程坞顶地面高程+7.00 m(吴淞高程，下同)，坞底板面标高-6.80 m，坞墩顶面标高-5.00 m，坞外江底标高-6.00 m。

2.2 水文分析

1)潮汐特征。干船坞位于长江下游感潮河段，长江口为中等强度的潮汐河口，为非正规半日混合潮型，日不等现象比较明显。潮水位每日2涨2落，涨潮平均历时远小于落潮。本河段潮位在天文大潮与台风遭遇时形成风暴潮，出现特高潮位。根据船坞对岸徐六泾水位站的资料统计(1982—2001年)，本河段的潮位特征值如下(吴淞高程，下同)。

历年最高潮位：6.75 m；

历年最低潮位：0.33 m。

2)设计水位。

设计高水位：4.66 m(高潮累积频率10%)；

设计低水位：1.10 m(低潮累积频率90%)；

校核高水位：6.29 m(50年一遇高潮位)；

校核低水位：0.32 m(50年一遇低潮位)；

进出坞水位：+2.5 m(极限+3.0 m)。

2.3 气象分析

江苏省海门地区属亚热带气候，四季分明，雨量充沛。本地区多年平均风速3.4 m/s，常风向E 向，频率10%；次常风向NE、ESE频率为9%。夏季常风向SE 向，冬季主导风向NNW 向，强风向ESE 向，实测最大风速17 m/s；次强风向SSE 向，实测最大风速16 m/s。瞬时极大风速 26.3 m/s。

年平均6 级(10.8 m/s)以上大风天数20 d；年平均7 级(13.8 m/s)以上大风天数12.8 d。

2.4 出坞潮汐、天气选择结果

根据上述数据，坞底标高-6.8 m，坞墩顶面标高-5 m，极限出坞潮高+3 m，安全间隙0.5 m，因此，平台出坞吃水需要小于7.5 m。

规范要求，出坞风速要≤6级(10.8 m/s)，本地区风速小于6级以下天数为336 d，因此，选择10.8 m/s产生的风力作为有限元计算举力驳和平台强度的环境参数。

3 出坞作业流程

1)举力驳叠加及顶升工装安装。举力驳(见图1)由振驳19、振驳26、振驳28这3艘驳船叠加而成。3艘驳船之间铺设鱼骨墩作为力的传递载体，驳船之间采用柔性连接。顶升工装布置6纵5横，共计30组，每组之间采用20#槽钢交叉相连，工装和振驳28之间采用刚性角焊缝连接；顶升工装由下部滑道梁、中部圆柱型支墩、上部滑道梁，各结构之间使用刚性角焊缝连接；为方便调整枕木顶面水平度，枕木采用2组4块楔木组合，枕木顶面先完成初调平，调平精度±25 mm。振驳19两舷安装14组SA600橡胶护舷，作为驳船进出平台空挡时碰擦的缓冲；驳船主甲板外围安装一圈高1.2 m防浪墙，下潜分离时防止驳船甲板上浪；驳船主甲板艏部安装1只、右舷安装2只桁架式拖轮靠靶，作为驳船下潜分离时拖船的停靠点位。振驳28尾部安装2根定位桩，在驳船进档到位时，定位桩和平台甲板包靠实，定位桩顶部绑扎直径80 mm缆作为到位缓冲。

2)开坞门、举力驳进坞。坞内注水，同时进行平台防起浮压载(大浮筒)；高平潮时打开坞门(坞门吃水7.4 m，潮位底时无法起浮)，使用2条拖船将举力驳绑拖进坞定位，见图3。振驳19两侧与坞边小车相连，作为调整左右的动力，艉部与北坞墙上2台100 kN绞车交叉相连，作为前进的动力。缆绳带紧后拖船撤出。

3)关闭坞门、举力驳定位。高平潮时关坞门，将坞内水深排至6 m(与吴淞零点平，同时排出大浮筒防起浮压载水)，此时枕木与平台反顶间隙1.3 m，然后将举力驳牵引到平台下方(见图4)指定位置。在牵引过程中通过调整坞边小车松紧控制驳船方位，防止驳船与平台主船体碰擦。在距离指定位置还有10 m左右时，需降低驳船牵引速度，减轻靠靶与平台甲板包的碰撞力。

图2 举力驳结构及原理示意

图3 举力驳坞内带缆定位

图4 举力驳牵引至平台下方

4)涨水时坞内放水、平台起浮。举力驳随水位上升并将平台托举起浮；平台甲板包内部开档48 m，长度80 m，平台反顶甲板不平整度30 mm；在枕木开始与甲板包反顶接触时，停止往坞内放水，开始打紧没有贴实的枕木，注意打紧的力道需要相等；待全部楔木与甲板反顶贴实后，坞内继续放水直到平台起浮；在整个起浮过程中需要监查工装、驳船和平台的结构有无变形，如有变形立即停止起浮。(理论计算潮高2.3 m时完全起浮，举力驳给平台提供86 000 kN举力，将平台吃水由9.8 m降低至7.3 m)。

5)打开坞门、平台和举力驳整体出坞。使用坞边小车将平台牵引到坞口，靠坞西侧并带缆等待拖轮编队，拖船编队结束后解缆起拖。

6)平台拖带靠码头。艉部2条拖船吊拖，左侧靠2条拖船控制船位，艏部1条拖船倒拖，将平台拖至码头靠泊带缆。

7)举力驳压载下潜分离。举力驳与平台之间带缆，举力驳使用自身压载系统进行压载下潜，在下潜过程中，平台需要压载调平，当枕木与平台分离并产生0.2 m间隙时将举力驳拖出，拖出过程中需要控制驳船和与平台之间缆绳的松紧，防止驳船受风力和流压作用与平台碰擦(分离时举力驳吃水7.4 m、平台吃水9.8 m，举力驳压载23 040 kN、平台调平压载3 350 kN)[1]。举力驳下潜分离见图5。

图5 举力驳下潜分离

4 技术可行性分析

4.1 浮态计算分析

1)平台重量控制。平台的重量控制不仅包含平台重量的控制，还包含平台重心的控制。重量控制的目的就是平台完工后的实际重量重心和预估数据接近。为尽可能真实预测和反映平台实际重量重心，编制重量控制报告。各专业需要配重量控制专员、项目配重量控制工程师，负责项目重量重心的统计和计算。控制流程[2]如下。

①统计各专业实际上船安装设备和物资数量、重量、位置。

②收集、汇总、检查重量控制数据，如发现异常与重量控制专员确认和澄清。

③将重量控制报告发给项目总技术经理确认。

平台空船重:34 070 t,重心高度:25.885 m, 纵向位置:59.261 m, 横向位置：-3.133 m。

2)举力驳重量重心计算。举力驳空船重量:13 828 t,重心高度(BL): 15.455 m,纵向位置(Fr0):54.097 m, 横向位置(CL)：3.375 m。

3)出坞整体浮态计算。举力驳和平台整体起浮时，水下浮体有平台主浮筒、平台辅浮筒、举力驳(振驳19)，平台2只浮筒不对称且艏艉均有双曲面线形。采用犀牛软件建模、GHS模型输入和计算分析法，得到整体起浮吃水7.3 m，调平压载1 380 t。

4)下潜分离浮态计算。平台左右浮体不对称，且重心和浮心不在同一条垂线上，在举力驳压载下潜过程中，整体重心和整体浮心位置同时变化，这个变化贯穿于整个下潜过程。因此，举力驳压载下潜过程中，需要同时进行平台调平压载。驳船压载下潜过程中，举力驳对平台举力由86 000 kN共分10个步骤逐步降低至0 kN。驳船压载→平台调平压载→举力驳压载循环进行，保证整个下潜过程平稳、均匀。举力驳压载总量19 466 t，分离吃水7.2 m,平台调平压载3 377 t，分离后吃水9.8 m。

4.2 稳性计算分析

4.2.1 举力驳稳性计算

举力驳在作业过程中由于不适用中华人民共和国海事局《船舶与海上设施法定检验规则——国内航行海船法定检验技术规则 2011》完整稳性衡准，本计算校核参考中国船级社《钢质海船入级规范》(2014)第二篇第一章第九节条款：1.9.6.4 半潜船满载甲板货物在举升甲板入水或出水过程中，其稳性应满足下列衡准：在蒲氏风级不超过 6 级，有义波高不超过 0.5 m 的水域，经自由液面修正后的初稳性高度不小于 0.15 m。

1)举力驳叠加后的初始稳性。

2)举力驳下潜分离时的初稳性。

4.2.2 出坞整体稳性计算

将举力驳和平台作为一个整体建模，使用GHS进行整体稳性分析。初稳性高为15 m大于稳性衡准0.15 m要求，满足要求。

4.3 拖带阻力计算分析

为了确定平台在出坞拖带过程中需要匹配拖船功率，需要对平台出坞拖带阻力进行计算和分析，计算结果如下。

风阻力Raa=0.5σavw2∑CsChAi=406 kN;

流阻力Rc=0.5ρwCdvc2Ac/g==515 kN;

浪阻力Rd=0.125ρwgR2BHs2==23 kN;

总阻力Rt=Raa+Rc+Rd=944 kN。

考虑到拖轮拖带过程中发挥75%功率，拖船总系住拖力需大于1 250 kN，拖带采用艉部2艘顶推、艏部1艘牵引提供前进动力，总系住拖力1 600 kN，满足要求。

4.4 系泊力计算分析

平台在靠泊码头等待下潜分离作业期间，需要按照风力10级，流速3 kn，浪高2 m进行系泊力计算和带缆，确保靠泊安全。系泊力计算如下。

风阻力Raa=0.5σavw2∑CsChAi=2 813 kN;

流阻力Rc=0.5ρwCdvc2Ac/g=515 kN;

浪阻力Rd=0.125ρwgR2BHs2=377 kN;

总阻力Rt=Raa+Rc+Rd=3 705 kN。

涨水缆、落水缆及横缆按照外部环境载荷大于3 800 kN布置，满足要求。

4.5 结构强度分析

结构强度分析包含举力驳强度(包括振驳19、振驳26、振驳28)、工装结构强度和平台自身强度校核，确保结构强度满足要求，不发生塑性变形或引起结构破坏，保证出坞安全[4]。

4.5.1 振驳19总纵强度分析

振驳19作为提供举力的载体，同时承载来自平台的86 000 kN压力和上方两艘驳船与工装的重力。需要校核在该种工况下驳船的总纵强度。计算结果见表1。

实际剪力、弯矩值均小于许用值，总纵强度满足要求。

4.5.2 振驳19结构强度有限元分析

采用MSC.Patran 与 MSC.Nastran软件进行有限元分析。模型计算范围选取振驳19号的全船模型，高度从甲板面至船底板，并在甲板上增加了挡浪板结构。模型网格尺寸取两相邻纵骨间距。

约束与边界条件:整个模型采用惯性释放，不进行刚性约束，驳船正浮状态，平均吃水4.7m，下部约束模拟4.7 m吃水时举力驳的浮力状况。

加载：载荷包括自身重量、上部驳船、工装重量及给平台提供的86 000 kN举力，总计157 790 kN。

图9为振驳19组合应力云图。表2为振驳19有限元分析结果。

图6 振驳19组合应力云图

MPa

许用应力参考ABS 的MODU 3-2-1/3.3，3.11 规范，许用应力取235/1.43=164。相当应力值在规范许用范围内，结构满足强度要求。

4.5.3 振驳26结构强度有限元分析

模型计算范围选取振驳26号FR13-FR157区域，高度从甲板面到船底板处。

约束:边界取船底部自由支持，甲板受压。

加载:载荷包括上部驳船、工装重量及给平台提供的86 000 kN举力，总计126 220 kN。

表3为振驳26有限元分析结果。

表3 振驳26有限元分析结果 MPa

许用应力参考ABS 的MODU 3-2-1/3.3，3.11 规范，许用应力取235/1.43=164。计算结果表明，相当应力值在规范规定的许用范围内，结构满足强度要求。

4.5.4 振驳28结构强度有限元分析

模型计算范围选取振驳28号FR4-FR44受压区域，高度从甲板面到船底板处。

约束：边界取船底部自由支撑，甲板受压。

加载：载荷包括上部工装重量及给平台提供的86 000 kN举力，总计98 010 kN，在滑道和甲板接触区域施加面载。有限元分析结果见表4。

许用应力参考ABS 的MODU 3-2-1/3.3，3.11 规范，许用应力取164 MPa。

表4 振驳28有限元分析结果 MPa

计算结果表明，相当应力值在规范规定的许用范围内，结构满足强度和安全要求。

4.5.5 平台结构强度分析

为了校核平台结构强度，建立14.3 m甲板以上船体结构的有限元模型。

边界条件：船体模型在14.3 m甲板约束(x、y、z位移约束,x、y、z转角释放)。

载荷：驳船与滑道的反顶力为86 000 kN，考虑到存在不确定的环境因素，在计算分析中，载荷放大系数取1.5，故模型施加滑道反顶力大小为129 000 kN，平均施加在与滑道接触的底板上。

组合应力见图7，平台有限元分析结果见表5。

图7 组合应力云图

许用应力参考ABS 的MODU 3-2-1/3.3，3.11 规范，取355/1.43=248 MPa。船体结构最大应力为232 MPa，满足要求。

上述论证结果显示，平台起浮、出坞、下潜分离过程中，水文、气象、方案可操作性、浮态、稳性、拖带阻力、系泊力、结构强度均满足要求，方案可行。

5 结论

2018年9月29日该技术成功实施，顺利完成平台起浮、整体拖带出坞、码头靠泊、举力驳下潜分离作业，填补了半潜平台使用举力驳减载起浮法出坞的技术空白，解决了半潜平台因吃水大出不了坞的难题。该技术具有安全性高、操作简单、成本底等优势。