自升式碎石桩施工平台轮机设计特点

刘森林 陈雪峰 高 飞

（天海融合防务装备技术股份有限公司 上海201612）

0 引 言

自升式施工平台作为离岸工程的重要辅助装备，起源于墨西哥湾水域，主要为海上油田提供设备维护及人员住宿等支持服务。其在外形上具备常规船舶的特点，通过装备的升降装置和桩腿将船体抬离水面，工作时不受海水运动的影响，保证了海上作业的稳定性和安全性，可在相对恶劣的海况下持续作业，扩大作业窗口期，有效提升作业效率，受到越来越多的船东青睐，使其在国际上更多的水域得以利用，由此也对该型装备提出了更多的功能需求，并推动了自升式服务平台技术的不断发展，当前自升式服务平台已广泛应用于为海上油田生产提供支持服务，海上风电施工等多种水上作业。

1 项目概况

本碎石桩施工平台是1艘插销式液压油缸升降的四腿自升式工程作业平台，由平台主体、桩腿（带桩靴）、升降系统和碎石桩作业系统等部分组成。平台主体平面形状为长42 m、宽50 m的矩形，在平台主体的中间开有1个长为19 m、宽为27 m的长方形月池。四根圆柱形桩腿外径为2.5 m，布置在平台主体前后的左右两舷，桩靴为正方形，边长6.6 m。

本平台满足近海海域无人拖航调遣，沿海航区作业，最大作业水深25 m。本平台为钢质非自航自升式工程用平台，主要用于防波堤碎石桩施工，施工过程主要分为平台拖航、平台定位、补料船上料、振冲施工、振冲器检修和平台移位等工序。

使用方式为近海海区拖带，沿海海区作业，设定作业区域为中国沿海及地中海，平台作业工况为碎石桩施工作业、移船、抬升和拖航。

2 轮机系统布置

本平台为箱型“回”字结构，四角上布置有4根采用液压驱动的桩腿，桩腿底部带有桩靴；平台上部布置门架，门架覆盖月池及两侧舷外一定区域，门架上部设置3台移动桁车，分别布置于月池和两侧舷外区域；每个桁车上布置主起升小车和辅助起升小车，其中主起升小车吊装振冲器进行碎石桩施工。桁车可在门架上沿门架纵向移动，主起升小车带动振冲器可横向移动，实现平台单次驻位大范围作业能力。船上还配置了克令吊、储料仓、供给料皮带机、柴油发电机组、压舱注排水系统和操船锚机等各种辅助设备，见图1。从以上描述可知，轮机系统涵盖了平台的主要机械设备，是平台实现各功能的核心和关键，轮机系统的设计尤为重要。

图1 自升式碎石桩施工平台甲板面布置

轮机系统的设计应遵循以下布置原则：

（1）统筹性原则

本平台为箱型“回”字结构，中间有月池，四角布置有固桩室和桩腿，甲板面还有诸多任务设备，空间非常紧张。本平台的机舱布置在月池左后方生活区下，机舱布置统筹考虑了设备布置、管理维护便利性、对任务设备的影响等因素。本平台设置有3套碎石施工的任务设备，其动力源采用动力模块布置在甲板面，利于任务设备的独立性，也简化了本平台机舱的布置。

（2）对称性原则

对称性原则要求平台为4桩腿的型式，每根桩腿的载荷尽量平均，因此轮机系统的设计遵循对称性原则。如本平台的升降系统分为2组，左舷2根桩腿设置1套液压泵站，右舷2根桩腿设置1套液压泵站，除了桩腿对称布置外，左右舷的升降系统泵站靠近月池沿横向对称分布；本平台设有缓冲舱2个，靠近月池沿纵向对称分布。

（3）轻量化原则

可变载荷是平台性能的重要指标，本平台的设计遵循轻量化的原则，尽量减少平台的自重，相当于额外增加了平台的可变载荷。轮机系统里设备和管路是重量的主要来源，具体措施如本平台的发电机组及动力模块选用性能优异的高速机，其余机械设备也选用外形紧凑且质量轻的产品。管路系统的设计在按照平台规范的相关要求下，合理选取裕度，注重新材料的选用（如上建的黑灰水、供水管路采用PPR-MF管道，电缆托架选用铝镁合金，管路连接采用吉瑞普可拆接头代替传统法兰等），都是有效的减重措施。

3 动力配置

机舱设置3台370 kW 400 V 50 Hz发电机组，3台发电机可长期并联运行，平台升降工况使用3台发电机。应急发电机室设置99 kW 400 V 50 Hz应急兼停泊发电机组1台。

另配集装箱式柴油发电机组，作为任务设备的动力源为振冲器、空压机、水泵和碎石泵等设备供电；3套任务设备均独立配置发电机组，且不与平台发电机组并网运行，可以大幅提高任务设备的抗故障能力。

主发电机与应急发电机设有联锁，主发电机运行时，应急兼停泊发电机不允许运行，应急发电机在作为停泊发电机使用时严格按照电力负荷计算的要求使用，确保停泊工况随时可以转换到应急工况，且应急发电机不会过载，应急设备可以立即使用。应急发电机组用作停泊发电机组，既减少设备配置，又提高经济性，参见图2。

图2 自升式碎石桩施工平台电力系统图

4 轮机系统

4.1 规范规则的差异

本平台的设计和建造按照中国船级社CCS的有关规范和规则进行，其中CCS《海上移动平台入级规范（2020）》、IMO 2009海上移动式钻井平台构造和设备规则（2009 MODU CODE）是本平台设计的主要依据。

平台规范里对舱底支管（总管/舱底泵）的公式和船舶规范略有差异：平台规范要求舱底水总管的内径应不小于最大舱底水支管内径的1.414倍，舱底水支管的内径计算公式也不相同。以机舱为例，船舶规范是按照舱室的长度、宽度及型深作为变量代入相关公式进行计算，而平台规范是按照机舱进水一半时，该舱内被浸湿的表面积作为变量代入相关公式计算。

平台规范对消防水灭火要求也略有差异：每个平台至少有2个吸水源，在平台升起状态下，每个消防泵应能从至少2个相互远离的独立潜水系统吸水，其中1个潜水系统失效不能导致另外的潜水系统失效。平台升降过程中，至少有40 m的缓冲水舱为平台升降过程的消防供水源。

每台消防泵的输送压力应保证在任意2个消防栓通过消防水带和19 mm水枪同时出水的情况下，能使任意1个消防栓处保持0.35 MPa的最低压力，此压力是高于常规的船舶规范0.25 MPa（或0.27 MPa）压力要求；平台规范中还要求消防水能随时立即使用，包括消防泵的控制要求等，在此不再赘述，在平台消防系统设计时候需要注意。

压载系统的设计要注意平台至少有2台压载泵，每台压载泵的能力应能满足平台压载和排载作业的需要，如果主海水系统的潜水泵是独立布置于平台上不同位置且具备压载功能，可以作为代替。另外，压载舱的空气管在正常的吃水条件下应该是自排式的，柜存量的感应方法不能使用柜底部压头与大气压之比较的方法。预压载舱的排空口应设计有牢靠关闭型的阀门和自动止回阀（或1套同时兼具2项功能的阀），该阀如果采用遥控，则该阀应设计成当动力源失效时自动关闭。

4.2 处理好平台设备和任务设备的关系

本平台是碎石桩施工平台，平台本身是基本的载体。平台上布置了各种任务设备，需要协调好平台本身与任务设备的布置。任务设备主要有2套振冲送料皮带输送系统，每套输送系统分别为3个振冲器泵送仓送料；碎石桩作业系统主要设备包括振冲器、碎石输送管、碎石输送泵、系统用空压机和系统用发电机等；本平台主甲板上设有1台双悬臂固定门架起重机，门架上方布置3台移动桁车，3台移动桁车分别布置于月池及两侧舷外区域，桁车可以沿门架纵向移动，见图3。

图3 自升式碎石桩施工平台甲板综合布置图

由上面叙述可知：本平台的任务设备形式多样，需要占用绝大部分的甲板面及垂直空间。

针对上述特点，轮机系统的设计遵循集约化布置的原则，具体为：

（1）应急兼停泊发电机室布置于右舷靠近固桩室，避开作业区、远离生活区，停泊工况使用时也可大大降低船员生活区的噪声； 甲板面的透气管头、测深头、加注接头和通岸接头也遵循集约化布置的原则集中靠近舱壁布置，使甲板面整洁、干净，为任务设备的布置节省宝贵空间。

（2）机舱布置在月池左后方生活区下，3台主发电机组并排布置，监控室位于机舱左侧，海水总管位于机舱前面，利于和缓冲舱的管路连接。排气管贴上建舱壁向上通大气，避免单独设置机舱棚。机舱的左前方设置辅助设备舱，主要布置污水装置、水柜等辅助设备。机舱和辅助设备舱分开布置，比设置1个机舱的布置更灵活，参见下页图4。

图4 自升式碎石桩施工平台机舱、辅助设备舱布置图

（3）由于此类平台施工过程中有粉尘产生，机舱通风进风口远离粉尘源，尽量布置在上风口，机舱的通风百叶窗选用具有除尘功能的产品。

（4）本平台的冷却系统较常规船也有一定差异，平台漂浮状态时候从海水箱吸水；当平台升起后，通过潜水系统向缓冲舱供水，关闭海水总管舷侧阀，联通缓冲舱和海水总管。

4.3 船员及施工人员的生活保障

本平台船员6人，施工人员30人。非施工作业工况，平台上主要是船员，生活用水及排放污水负荷较小，而且时间跨度较长；施工作业工况，需增加30名施工人员，施工平台作业经常是轮班制，轮班时候典型特点是换班期集中洗浴，生活用水及排放污水负荷较大，时间集中。上述人员的变化需要在生活供水设计上予以特别考虑：常规船型生活用水器具的使用时间通常取16 h左右，但是对本施工平台而言需要考虑人员短时间集中用水特点，建议取2～4 h。因此淡水柜、热水柜等选型较常规船要大，本平台淡水柜、热水柜规格均为1 m×0.4 MPa。

施工平台生活区的空调设置也充分考虑施工平台人员特点，从总图布置上提前进行规划。可以将船员生活区作为1个空调区域，其余施工人员分为2个区域；空调的配置按照3个分区设计，空调的压缩机组也与之相配。实际使用根据空调区的使用数量开启相应的空调机组。该设计可以精准调节，使用经济。

5 特种系统

5.1 升降系统

自升式平台受风、浪等环境因素的联合作用，升降系统是平台上用于传递和承受载荷的机械设备，是自升式平台上最关键的设备之一，其基本功能在于：

（1）平台体的提升、下降和固定；平台漂浮时桩腿的提升、下降和固定；

（2）承受平台体和桩腿之间的载荷（重力、工作和环境）。

自升降装置发明后，经过一百多年的发展，多种能够进行大载荷下直线位移的机械结构先后应用于升降装置，主要包括：液压插销式、齿轮齿条式、钢丝绳牵引式、卡槽升降式和齿条插销混合式等。其中成为主流的仅有液压插销式和齿轮齿条式两类。升降装置的结构型式与桩腿形式密不可分，桩腿形式主要分为壳体式和桁架式两类，一般而言，水越深，风浪流条件越恶劣，越多采用桁架式桩腿。图5是某国外设计公司就北海水域选用不同桩腿形式的成本对比。

图5 北海水域选用不同桩腿形式成本对比

可见在北海海域，水深超过40 m后，桁架式桩腿更具有性价比。根据国内设计研究机构分析，国内近海海域壳体式桩腿一般用于工作水深在70 m以下。本平台最大作业水深6 ～25 m，配置圆柱桩腿的单步进插销式液压升降系统，单桩额定升降能力1 500 t，具有桩腿升降和平台升降能力，并能可靠完成升船作业锁紧要求，适用于沿海浅水区无冰区作业。

系统主要分为升降机构、液压系统和电控系统，升降机构主要由定环梁、动环梁、升降油缸、缓冲装置和插销装置等组成。全平台升降液压系统共2套，分别位于船首和船尾，可分别驱动艏部和艉部2套升降机构。升降电控系统与本平台升降机构配套使用。电控系统主要分为集中控制台、桩边控制箱、电机控制箱等。集中控制台的主要功能为在远程状态下可以对整套液压系统进行控制，并且采集系统中所有压力、温度、桩腿位移和倾斜角度等参数，并且可以实时监测桩腿的升降过程。

5.2 潜水系统

根据平台规范要求，平台升起状态下，每个消防泵应能从至少2个相互远离（当不能远离时，应另设1套临时潜水泵系统）的独立潜水泵系统中吸水。当其中1个潜水泵系统失效时，不应导致潜水泵系统失效。

在平台升降过程中，钻井水系统应能向消防泵供水。对本项目而言，无钻井水系统，可以通过设置缓冲水舱作为平台升降过程中的消防水源，因此需要设计合适的潜水系统为缓冲舱续水。潜水系统主要功能是在平台升离水面后将海水提升到平台上，其主要组成为潜水泵、升降装置和管路等，主流潜水系统形式及特点比较见表1。主流的潜水系统有如下几种形式。

表1 主流潜水系统形式及特点

若按照常规设计潜水系统采用软管绞车形式，价格昂贵、供货期长、维护费用高。我公司自行开发设计了“卡扣式”潜水系统，该系统的基本原理是潜水泵的出口管路采用钢管，排出扬水管路兼做升降杆，在升降杆的两端设置导轨和滑环，根据作业特点在升降杆上设置若干固定法兰，升降杆连同潜水泵借助平台的吊机进行升降，达到预定高度后通过固定法兰和平台的座子连接固定，见图6。该装置设计需充分考虑使用的安全性、操作方便性、工艺可行性，船厂按照我们图纸即可生产制造，周期短且成本也大幅降低。

图6 自升式碎石桩施工平台“卡扣式潜水系统”示意图

5.3 冲桩系统

冲桩系统在平台拔桩作业前，并处漂浮作业状态时，利用平台上高压冲桩泵输送冲桩水至桩靴结构表面，对海土进行冲刷，减少海土对桩靴结构的吸附力、覆土压力及土体对桩靴结构的抗剪力等外部阻力，提高拔桩效率。桩靴上表面与下表面的冲桩管线独立，上下喷嘴分别接至其对应的环管，桩靴底部表面设置的喷嘴，其作用在于解决桩靴底部与海土之间产生的吸附力；通常在喷嘴口处设置防护罩，喷水口的水流方向应尽量扩大冲刷范围，使冲桩效果达到最佳，本平台冲桩泵规格为50 m/h×6 MPa。

冲桩泵通常布置在甲板下舱室，泵的出口管路分为两部分，一部分是从泵出口至固桩室附近，另外一部分是在桩腿上，两部分通过软管相连。由于平台根据作业需要调节不同的升降高度，平台和桩腿的相对位置经常变化，冲桩系统在平台部分和桩腿部分通过软管和由壬接头连接，根据平台作业水域的水深、气隙，选择合适的由壬接头间距，尽量减少由壬接头的数量，减小了开孔对桩腿强度的不利影响，还要考虑软管和由壬连接的操作空间。这类平台的由壬座子、冲桩喷嘴通常都是采购成品件，本项目设计了专门的连接形式，船厂即可加工生产，故有效降低了成本，见图7。

图7 自升式碎石桩施工平台由壬接头示意图

6 环保性

本平台产生的主要污染物为大气排放物及少量的生活污水、生活垃圾、工业垃圾和机舱含油污水等。

本平台主发电机组、应急兼停泊发电机组、碎石桩系统动力单元，其发动机氮氧化物的排放符合Tier-II标准，且满足GB15097-2016 排放要求。本项目设置低硫油舱，发电机组在限排区内使用符合上述要求的低硫油，主发电机组的选型注意低硫油的适用性。船舶空调、冷藏和空气干燥器等装置，选用环保型的制冷剂。

配备了生活污水处理装置，对船员及施工人员的生活污水进行处理达标后排放，满足MEPC-227（64）要求；配备了油水分离器对船上油污水进行处理排放，处理设备满足MEPC-107（49）要求；配备了焚烧炉污油及垃圾进行处理，处理设备满足MEPC-244（66）要求，使用国家海洋环保部门和船级社认可的海洋工程专用涂料和管接头涂层材料，确保其对海水的污染在允许的范围内。本项目排气管、空调管路采用环保型的绝热保温材料，包括管路垫片在内的石棉制品禁止上船。总体而言，本平台为沿海作业，平台的环保设计满足中国海事局的相关要求。

除了上述常规的环保措施外，针对本平台专门设计的环保措施如下：

（1）甲板面布置有较多的任务设备，在甲板面的四周设置了拦水扁铁，设有专门的泄放管路到甲板下的收集舱，防止可能泄露的油流入海里。

（2）本平台施工用的储料仓分别布置于平台两侧，每侧各1个，共计2个储料仓。储料仓位于平台甲板以上，储料仓补料通过补给船利用皮带机送料。补料船位于2个储料仓一侧，另一侧储料仓的送料通过布置于两侧储料仓之间的皮带运输系统转运。为防止输送过程中产生粉尘污染，在输送带露天部分设计了防尘罩，并设置了喷雾降尘系统，这些措施有效降低了粉尘对空气污染。

（3）本平台主要功能为碎石桩施工，为防止施工过程对海底淤泥蔓延，专门设计了防污帘防止对周围海水产生污染，见图8。

图8 自升式碎石桩施工平台作业区域防污帘

7 结 语

自升式碎石桩施工平台作为离岸工程的重要辅助装备，将碎石桩施工设备和自升式平台进行了有机融合。同常规船舶相比，大口径的月池以及富裕的立体空间不仅便于布置任务设备，并且受风浪流的影响较小，从而可大幅提高作业窗口期，具有施工效率高、可靠性高、安全性强的显著优势。

本文从轮机专业系统设计进行分析总结，从平台的角度注意规范的差异以满足平台合规性设计，从工程领域的角度满足各任务设备合理布置；重点和难点是两者统筹考虑、有机结合、实现船型功能，从而为同类平台的设计提供一定的参考。