新型海洋牧场平台功能研究与设计

刘 静，傅 强，韩华伟，孙玉海，郑 浩，屈 强

(1.中集海洋工程研究院有限公司，山东 烟台 264670；2.中国海洋工程咨询协会，北京 100071)

0 引言

国家海洋强国战略，对海洋渔业的现代化建设提出了新的发展要求。2013年，国务院发布的《关于促进海洋渔业持续健康发展的若干意见》文件要求控制近海养殖密度，拓展离岸养殖及深远海养殖，提高设施装备水平和组织化程度。通过应用高端海洋渔业装备，拓展深远海养殖新空间，是我国深远海渔业发展的方向。

我国海洋牧场建设始于 20 世纪 70 年代末, 是促进海洋渔业持续发展的重要途径。阙华勇等[1]探讨了现代海洋牧场建设的现状与发展对策。杨红生等[2]提出，海洋牧场是以环境和生态和谐为目的导向, 集环境保护、资源养护、高效生产和休闲渔业为一体的海洋经济新业态, 是解决我国近海环境保护和渔业资源可持续利用的重要途径；同时现代海洋牧场要更加突出体现工程化、机械化、自动化、信息化等特点和优势。颜慧慧等[3]进一步提出，海洋牧场概念内容正逐步增多，不仅仅指养殖技术，同时融合生态环境修复、旅游开发等方面的内容。海洋牧场的研究学者多次提到了现代化海洋牧场的发展方向和对现代化高端渔业装备的需求，但是对渔业装备本身并未做深入研究，对高端海洋渔业装备的具体功能需求和设计标准有待探讨。

为此，本文以山东现代化海洋牧场发展为例，详细分析高端海洋渔业装备——海洋牧场平台的诞生及发展过程，包括海洋牧场平台功能需求的调研及定位，对比传统油气平台提出海洋牧场平台的特殊性及其设计原则，并依据该设计原则进行国内首座海洋牧场平台设计研究。

1 海洋牧场平台功能需求

经过几十年的发展，海洋牧场正在逐步扩大其研究内容，由单纯的养殖渔业向海洋休闲渔业方向发展，逐步增加高科技项目、旅游开发等。

现代海洋牧场着眼于可持续发展，更加突出深远海、自动化、信息化等特点和优势。传统的渔船由于其航行速度慢、抗风浪能力弱等原因，已不能满足深远海牧场巡视、管护需求等基本要求，更无法满足海洋牧场的功能拓展。2016年初，我国中集来福士海洋工程有限公司应海洋渔业发展需求，率先提出了海洋牧场平台概念[4]。

海洋牧场平台作为支持海洋渔业持续发展的高端装备，与传统成熟的油气平台不同。一方面海洋牧场平台使用方为海洋牧民，一般不具备专业工程知识，要尽量减少或避免专业工程操作；另一方面，海洋牧场平台不用于工程作业，而是海洋牧民的“移动帐篷”。因此，要根据海洋牧场平台的功能需求、安全性、经济性等方面进行论证和特殊设计。

海洋牧场平台需要在深远海给海洋牧民提供一处安全、稳定的作业平台，牧民可在平台上居住办公、管护牧场、停靠船舶，同时还可以发展休闲渔业，开拓环境监测等功能，为海洋牧场大数据建设、海洋渔业的可持续发展提供保障。

经过山东、江苏、海南等多地海洋牧牧场考察，广泛征求海洋牧场主意见，最终形成海洋牧场平台6大功能配置：办公居住、牧场管护、观光旅游、垂钓娱乐、船舶停靠、环境监测。

2 海洋牧场平台设计依据

在海洋牧场平台发展之初，国内尚未出台相应设计标准，设计中主要参考海上移动平台和浅海固定平台相关设计标准和检验规范，但是海洋牧场平台功能需求不同于传统的油气平台，不能完全照搬海上油气平台设计标准。

首先，平台的应用主体不同。油气平台由专业的工程团队操作，而海洋牧场平台供海洋牧民使用。大多牧民不具备专业工程操作能力，因此海洋牧场平台设计中要充分考虑其安全性，并简化操作，如：设计小型船舶靠泊设施、登程梯，便于登乘平台；增设光伏发电，满足日常用电需求。

其次，平台功能需求不同。传统油气平台搭载各类油气工程模块，危险源较多，相应的防火、防爆要求高。而海洋牧场平台作为牧民的海上移动帐篷，主要满足日常居住办公、牧场管护、船舶停靠功能，并可拓展环境监测、观光旅游、垂钓娱乐等附加功能，除发电机室或者光伏电池室外，没有危险源。因此，消防、防爆可根据需求合理化配置。

最后，由于海洋牧场平台应用的主体差异、功能差异，最终可接受的平台造价也有很大差异。海洋牧场平台麻雀虽小、五脏俱全，因此设计出既经济安全又满足功能需求的平台，对设计、建造单位是个非常大的挑战。

3 自升式海洋牧场平台设计案例

3.1 平台总体介绍

国内安装的首座自升式海洋牧场多功能平台是一座矩形钢制平台，配4支圆柱型桩腿，桩腿下端设有桩靴，每支桩腿配备液压插销式升降系统，平台可实现自行升降。平台集海洋牧场看护、海洋环境监测、作业人员生活居住、海上休闲旅游等多功能于一体，于2016年完成设计、建造，并安装在山东长岛附近海域。

平台主要参数为：型长25.0 m，型宽25.0 m，型深2.5 m，桩腿总长37.0 m，桩腿纵向间距22.5 m，桩腿横向间距21.5 m。

3.2 平台在位评估

3.2.1 分析模型

本平台4支桩腿通过上下导向和升降插销与主船体连接。上下导向只约束桩腿与船体之间的水平位移，升降插销约束桩腿与船体之间的垂向位移、垂直插销方向的水平位移及垂直插销方向的转动。

平台设计寿命20 a。为减少牧民维护成本，设计中参照固定平台要求考虑腐蚀裕量，飞溅区取值6.5 mm，全浸区和大气区取1.5 mm。

根据海洋牧场主提供的地质勘查报告，平台站位入泥深度预计1 m。分析中考虑1 m入泥深度，桩靴底部提供部分转动约束。

在位分析分为正常作业和风暴自存2个工况。正常作业工况的设计环境条件的重现期不小于1 a，风暴自存工况设计环境条件的重现期不小于50 a，并假定50 a一遇的风、浪、流同时出现。

根据海洋牧场主提供的海况数据，确定2个工况的设计海况，见表1。

在位分析使用SACS有限元分析软件，按照上述设计信息，简化分析模型，见图1。

图1 SACS分析模型

3.2.2 设计载荷

每个工况要考虑的设计载荷包括静载荷和环境载荷。静载荷包括平台自重及可变载荷。环境载荷包括风、浪、流载荷及动力响应载荷。另外，静载荷和环境载荷共同引起的P-Δ效应也要考虑。

(1)静载荷

该平台的静载荷预估见表2。静载荷一般通过载荷或者质量形式施加到分析模型中。

表2 静载荷 单位：kN

(2)风浪流环境载荷

环境载荷包括风、浪、流载荷及动力响应载荷，其中风载荷F计算公式如下：

F=0.613×10-3ChCsSv2

(1)

式中：Ch为受风构件的高度系数；Cs为受风构件形状系数；S为受风构件的正投影面积， m2；v为设计风速，m/s。

平台的桩腿属于小尺寸孤立桩柱结构，其波浪载荷可用莫里森公式计算。考虑海流与波浪的相互作用,计算时应将波浪水质点速度与海流速度矢量相加。

(2)

上述风、浪、流环境载荷可通过SACS软件的Seastate模块定义并自动计算。

(3)动力效应

在站立工况下，当采用下式求得的动力放大系数DAF>1.1 时，应考虑由于波浪和流共同作用产生的动力效应：

(3)

式中：Tn为平台沿载荷入射方向上的一阶平动自振周期，s；T为波浪周期，s；ζ为临界阻尼的百分比(一般取不大于7%)。

(4)

式中：FIn为由于动力效应引起的惯性力， kN；Fmax为最大浪流剪力， kN；Fmin为最小浪流剪力， kN。

动力效应引起的惯性力一般由工程师根据上述公式自行计算出载荷值，然后施加回模型中。

(4)P-Δ效应

由静载荷产生的轴向压力P和由环境载荷引起的桩腿整体侧向位移Δ联合作用所产生的力或者力矩应在分析中加以考虑。P-Δ效应引起的弯矩M计算公式如下：

M=WΔ

(5)

(6)

式中：M为P-Δ效应引起的弯矩，kN·m；W为平台重量，kN；δ为平台主体线弹性一阶侧向位移， m；P为桩腿平均受压载荷，kN；PE为整根桩腿的弹性临界力(欧拉力)， kN。

P-Δ载荷可以通过SACS程序自动施加，也可以由工程师根据上述公式自行计算出等效弯矩，然后施加到模型中。

(5)载荷组合

经计算，得到上述载荷组合，见表3、表4。

表3 正常作业工况载荷组合

表4 风暴自存工况载荷组合

3.2.3 分析结果

桩腿材料选用DH36和EH36，其屈服强度为355 MPa。在位分析中正常作业工况和风暴自存工况下桩腿的强度利用率分别为0.52、0.88，见图2。

图2 桩腿强度利用率

在位分析的支持载荷和桩靴支反力为下一步升降系统和桩靴设计提供基础，分析结果显示：正常作业工况和风暴自存工况下平台的最大单桩支持载荷分别为1 170、1 470 kN，最大桩靴支反力分别为1 550、1 868 kN。

正常作业工况、风暴自存工况的倾覆稳性计算结果分别见表5、表6。表中只考虑50%可变载荷在位状态的倾覆稳性计算结果，安全系数远大于1，稳性安全。

表5 正常作业工况倾覆稳性

表6 风暴自存工况倾覆稳性

在位评估验证平台可抵御作业海域的环境条件，与总体布置需求相结合，进而确定平台主尺度及关键结构设计参数。平台整体框架结构确立后，进而进行平台上各项功能系统的布局及设计。

3.3 平台功能布设

海洋牧场平台的6大功能包括办公居住、牧场管护、观光旅游、垂钓娱乐、船舶停靠、环境监测。

办公居住和牧场管护是海洋牧场平台首先要保障的基本功能。平台上建设有起居舱室、娱乐设施及膳食服务设施，遵循保护健康和安全及事故预防的原则，为人员提供一个安全舒适的作业和生活环境。平台上配置有无线电通信、航行设备、信号设备、起重设备，并可根据海洋牧场业主要求增设探照灯、高压水枪等看护装备。

为满足观光旅游、船舶停靠、垂钓娱乐功能，平台舷侧设置靠船和登程通道，舷边布设钓位，主船体舱内可建设为海洋科普馆、水族馆等。根据海域情况，平台周边还可以增设潜水、游钓等亲水项目。

海洋牧场平台作为海洋牧民们的“移动帐篷”，可用作各类海洋大数据监测平台，真正意义上形成海岸陆地的延伸。目前已实现基本环境数据的检测项目，包括水下监测水深、温度、盐度、溶解氧、pH、叶绿素、浊度；水上监测风速、风向、气温、气压、湿度和降雨量等。

此外，根据制定的设计标准[5]，平台要配备水、电、暖、通风及排水系统，以及拖带装置、防污底系统、消防系统、充足的救生设备等，以保障生命、财产及环境安全。

4 结语

本研究提出了海洋牧场平台概念，论证了海洋牧场平台的功能需求，制定了地方设计标准，并设计交付全国首座自升式海洋牧场平台。平台至今已运营近5 a时间，期间成功抵御多次台风袭击；办公居住、牧场管护、观光旅游、垂钓娱乐、船舶停靠、环境监测6大功能运行良好。海洋牧场平台将单一的渔业装备升级改造成以生态环保、资源养护、高效生产为导向的可持续发展装备，兼顾牧场管护、休闲渔业、环境监测等功能，填补了我国高端海洋渔业装备的空白。