自升式起重安装平台起吊作业结构安全性

宋 颢1， 华 嵬2， 周瑞佳， 高 攀

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200240； 2.招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226116； 3.上海海事大学 海洋科学与工程学院， 上海 201306)

0 引 言

海上风能作为一种清洁的可再生能源，具有湍流强度小、主导风向稳定、节约土地资源、风能平稳、无噪声及景观污染、资源丰富、宜大规模开发等优势，近年来其开发利用技术迅速发展[1-3]。中国拥有丰富的海上风电资源，国家能源局发布的《可再生能源发展“十三五”规划》明确表示，“十三五”期间中国海上风电产业技术基本成熟，未来中国海上风电将进入较快发展的黄金时期，在2020年前将会有107kW的海上风力发电设施开工建设(相当于三峡工程一半的发电量)，并且要求确保有 0.5×107kW的风力发电设施建设完成。在未来2～3年内，国内还需安装1 500～2 000台风机，对起重安装平台的需求预计还有20台。

当清洁能源成为中国能源体系构建的新需求时，海上风电产业也成为国家布局的重要能源产业。与陆上风电场相比，海上风电场安装和维护环境更为复杂、技术要求更高、涉及层面更广。恶劣的海上开发环境导致海上风电开发成本高，是陆上风电的1.5～2.0倍，其中安装成本约占海上风电开发总成本的22%，海上起重安装技术及装备是影响海上风电发展的关键因素[4]。由于国家对海上风电产业的统一规划，众多企业感受到海上风电产业的风口期到了。近些年，国内陆续自主设计建造了包括KOE01型自升式起重安装平台、龙源振华系列坐底式起重安装平台、海洋069系列自升式起重安装平台、尚和系列自升式起重安装平台等，但无论是从建造周期还是从经济效益的角度进行评价，新造平台仍然不及购置国外二手平台迅速和便宜。因此，国内部分船舶所有人或业主选择从国际市场上采购船龄在10～20年的二手平台以满足当前国内市场的需求。

对于自升式起重安装平台的设计和分析，国内学者进行过不少相关研究。王徽华[5]针对自升式起重安装平台吊装的安全性,开展平台插桩入泥深度的计算方法研究。于雯等[6]设计一种满足风车整体运输、安装一体化的新型半潜式风车安装平台，并采用SESAM软件的设计波进行平台整体强度分析。于雯等[7]在确定总布置方案和主尺度的基础上,针对新型半潜式风车安装平台进行强度验证和结构优化，基于设计波法对平台自存、操作、航行工况下的整体强度、节点、杆件和局部进行规范校核。刘建峰[8]对自升式海上起重安装平台在船型设计阶段的模型试验进行研究，对相似船型的设计研究具有重要参考价值。陈科等[9]应用ABAQUS有限元软件对海上起重安装平台进行结构强度分析，覆盖了吊装、预压等多种工况。

本文依托国内某海上起重安装公司在2016年购进的由芬兰GustoMSC设计的动力定位型自升式起重安装平台，针对最危险起吊工况，对采购的二手平台进行结构安全性分析。建立全船有限元模型，并依据《操船手册》，针对起吊作业进行详细的结构强度分析，重点关注在最大起吊载荷下船体典型结构和吊机基座的应力分布和刚度。对船体主要结构的建模方法和单元选取进行研究，着重分析起吊作业工况吊机载荷的计算方法、计算过程及施加方法，确定校核准则并进行平台屈服强度和屈曲强度校核。

1 起重安装平台概述

1.1 平台总体性能概述

该动力定位型自升式起重安装平台由荷兰GustoMSC公司设计，挂卢森堡旗，入ABS船级。近期由中国某海上起重安装公司将此平台购买并进口国内，按相关要求，需按国内法规《海上移动平台安全规则》(1992)对此平台进行结构技术评估。

该平台呈长方形，配备直升机平台，带有4条桁架式桩腿，每个桩腿下端有独立桩靴，抬升驱动方式为“齿轮齿条式”。平台配置锁紧系统，主甲板以上设有8层生活区，位于主甲板艏部，能够提供最多260人(站立工况)的就餐、住宿、医疗和办公，设有单人、多人间居住舱室。平台基本参数如表1所示，外形总布置如图1所示。

图1 平台外形总布置俯视图

船长/m总宽/m船体型深/m满载吃水/m空船质量(不包括桩腿)/t可变载荷/t桩腿数量/条桩腿长度/m类型工作最大水深/m111.7450.09.07.414 9987 7894130.17三角桁架80

1.2 起吊能力概述

该平台装备两台Huisman OMC 750 t海工桅杆基座式吊机，主钩最大回转半径52.3 m，分别安装在平台左舷首、尾桩腿上。在大钩距离回转轴29 m处单钩起重载荷达到最大750 t，若两台吊机双机连吊，在大钩距离各自回转轴36 m处起重载荷可以达到最大2×600 t。除此以外，主吊机还带有活动波浪补偿功能，在最大300 m水深、距离回转轴47 m处单钩起重能力达到360 t。

对于起吊工况来说，双机连吊是《操船手册》中规定的最危险工况，回转角度范围为19°～161°。

1.3 吊机载荷计算方法

除风载荷外，吊机载荷还由4部分组成：(1)自重载荷L1；(2)(起升载荷+船舶倾斜(横倾与纵倾)所产生的起升载荷水平分力)×起升因数φh，用L2表示；(3)其他最不利的水平力(通常由回转加速度产生)L3；(4)由船舶倾斜(横倾与纵倾)产生的自重载荷水平分力L4。

组合载荷可表示为(L1+L2+L3+L4)×作业因数φd，作业因数φd的取值参考CCS《船舶与海洋工程起重设备规范》。根据设计工作海况(蒲氏风级、海况、波高和波浪周期)考虑起升动载力的起升因数φh计算式为

(1)

因为吊机在有风状态工作，应取的组合载荷为上述组合载荷加上最不利的风载荷。平台倾斜产生的水平分力按《船舶与海洋工程起重设备规范》计算。平台运动分力如表2所示。

表2 平台运动分力

不同类型船舶、平台的横倾和纵倾角度应根据规范要求进行选取，如表3所示。φw波浪因数的取值可参考表4选取。

表3 最小横倾和纵倾角度 (°)

表4 波浪因数取值

2 起吊工况平台强度分析

2.1 有限元模型

图2 平台有限元模型

图3 平台模型中桩腿与平台主体的耦合

本文利用ANSYS有限元软件对该平台进行建模和计算，对主船体和桩腿进行详细建模，而对于直升机甲板、生活楼、甲板舱室等对平台整体结构强度影响不大的结构，采用简化成集中质量的形式施加到平台上，但是各自的质量和重心还是按照实际情况确定。

在定义单元类型时，船体各甲板、外围板、舱壁板、固桩架板等结构选用SHELL 181板单元模拟，纵骨、扶强材、桩腿弦杆等构件选用BEAM 188梁单元模拟。为了真实反映个别强肋位处的强横梁对结构强度所起的支撑作用，选用SHELL 181模拟其腹板，并选用PIPE 288或BEAM 188模拟船体内部的立柱，用PIPE 288单元模拟桩腿撑杆，用MASS 21单元模拟集中质量。平台有限元模型如图2所示。

2.2 边界条件

本文主要研究平台主体结构的安全性，并未建出桩靴模型模拟海上起重安装平台桩腿下端的桩靴结构，而是采用在桩腿底部桩靴半高位置施加铰支约束模拟桩靴与海底土壤的相互作用。根据平台的《操船手册》确定桩靴入泥深度为5 m。

在本模型中，平台主体与桩腿采用耦合方式连接。在站桩状态下，桩腿与船体之间由锁紧装置锁紧，限制桩腿的垂向运动和转动，而平台的上导向和下导向约束了桩腿与平台主体水平相对位移。因此，在所有站桩工况中：在上、下导向处选择桩腿上的相应位置与上、下导向分别进行x方向和y方向位移的耦合，即Ux、Uy；在锁紧装置处，将桩腿上的相应位置与锁紧装置进行z方向位移的耦合以及绕x轴、y轴方向的转动耦合。如图3所示。

2.3 载荷施加

表5 起吊工况载荷详细信息

续表5 起吊工况载荷详细信息

2.3.1 固定载荷

固定载荷主要包括平台的自重和设备载荷。本模型未建出吊机、生活楼等结构，因此船体模型计算质量比实际质量小。吊机自重作为吊机载荷的一部分施加，生活楼的质量作为载荷施加在B甲板生活楼的舱壁上。通过调整船体材料的密度，将固定载荷转换为船体的质量施加到整个船体上。通过计算预留出一部分固定载荷施加于未建出的上部结构附近，调整这一部分质量使模型重心与《操船手册》给出的主船体重心保持一致，这部分载荷施加在A、B甲板上。

2.3.2 可变载荷

可变载荷主要涉及各液舱的配载及可变的甲板载荷，具体数值取自《操船手册》，油水储备和压载水等可变载荷通过在对应的舱室底部施加压力的方式实现。对于非水平的舱室底部(如WB-7-S等)，将对应的压力换算为节点力施加在这些舱室底部的节点上。

2.3.3 吊机载荷

实际上风载荷与上述组合载荷施加方向为同向是最保守情况。吊机载荷在计算过程中的主要参数取值及计算为：

(1) 作业因数φd参考CCS《船舶与海洋工程起重设备规范》，取1.2。

实验从收敛性、平均传输速率及归一化网络满意度来衡量算法的性能.对比算法主要为几种常见的分配算法.(1)本文所提随机学习博弈算法(Stochastic Learning Game, SLG).(2)完全信息动态博弈(Complete Information of Dynamic Game,CIDG)，利用公式(2)为目标函数的一种最佳响应博弈模型.(3)本地博弈(Local Game)，利用式(2)为目标函数的随机学习算法.(4)随机选择算法(Random Selection).

(3) 横倾和纵倾角度根据表3的规定，自升式平台取1°。

在起吊工况计算中，吊机自重载荷和起吊载荷均施加在距离吊机基座中心高度10 m处。表6为回转角 60°时单个吊机的载荷计算过程。

表6 60°回转角时单个吊机载荷(600 t×36 m)

《操船手册》规定的最危险的双吊机联吊工况中，单个吊机载荷为600 t×36 m。《操船手册》规定的吊机联调回转角度范围为19°～161°，因为环境载荷的入射角度为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，可以覆盖吊机的工作范围，环境载荷入射角度选择与吊臂方向一致。

在双机连吊工况下，单个吊机的载荷计算结果如表7所示，表中所示力矩为距离吊机基座中心高度10 m处的力矩(z=23.5 m)。

表7 起吊工况吊机载荷汇总

图4 吊机上部结构简化处理

本文对于吊机上部结构采取简化处理，仅建立了一部分与吊机基座相连的结构，并将这部分结构与一节点进行绑定，如图4所示，吊机载荷均施加在该节点上。在模型中用于模拟吊机上部结构的高于13.5 m的结构，在后处理中忽略其应力。

2.3.4 环境载荷

环境载荷包括风载荷、波浪载荷和海流载荷。业内对自升式平台环境载荷的计算和施加已经有较成熟的研究和应用，加之本文着重研究起重安装平台起吊作业的平台安全性，因此不详细展开环境载荷的计算和施加过程。作用于平台上的风载荷F的计算式为

F=Kw·Kz·P0·A

(2)

式中：Kw为风载荷形状因数，对平台甲板设备应考虑遮蔽效应，甲板设备与平台桩腿的风载荷形状因数应分别计算；Kz为海上风压高度变化因数；P0为基本风压，P0=α·v2，α为风压因数，值为0.613 N·s2/m4,v为设计风速；A为受风面积。

采用Morison公式计算波浪载荷，波浪理论选用斯托克斯五阶波理论。利用ANSYS软件进行波浪和海流载荷的计算。建立模型后，输入波浪参数数据，选用斯托克斯五阶波理论进行计算。

船体在环境载荷风、浪、流的作用下，产生横向位移，加之船体本身质量会使桩腿产生二次弯矩，此载荷称为P-Delta效应载荷。因此，根据计算的位移对二次弯矩进行计算，并施加到桩靴铰支点上。

3 结果与讨论

针对该自升式起重安装平台的起吊作业工况，在风、浪、流入射角分别取0°、30°、60°、90°、120°、150°及180°等7种组合工况下计算屈服强度和屈曲强度。对于吊装作业，选取《操船手册》规定的最危险的双吊机联吊工况。

3.1 位移情况

起吊作业各组合工况下船体结构的最大位移如表8所示。从计算结果可知，在环境载荷入射角度为30°时，结构发生的位移最大，位置位于右后桩腿的顶部。该工况下的平台位移云图如图5所示。

图5 起吊作业工况环境载荷入射角30°时的平台位移云图

入射角度/(°)最大位移/mm位置0286.7右后桩腿顶部30304.3右后桩腿顶部60292.3右后桩腿顶部90264.8右后桩腿顶部120225.4右后桩腿顶部150245.3左前桩腿顶部180275.5左前桩腿顶部

3.2 屈服强度校核

船体材料主要是许用应力为355 MPa的高强度钢，在吊机基座部分区域采用EQ51钢进行加强，组合工况下安全因数取1.11，许用应力分别为320 MPa和450 MPa。组合工况下骨材安全因数取1.25，许用应力为284 MPa。表9和表10分别整理了该平台在起吊作业工况下的板材和骨材屈服校核结果。

表9 起吊作业工况船体板材屈服校核

表10 起吊作业工况船体骨材屈服校核

由表9和表10可知船体强度在各组合工况下均满足要求。由《操船手册》中吊机作业范围的规定可知，双吊机联合起吊时，其回转角度范围为11°～169°。因此，环境荷载入射角30°时为最危险工况，主船体的结构应力和变形位移均最大。该工况下的船体应力云图如图6所示。

图6 起吊作业工况环境载荷入射角30°时的平台主甲板和右舷外板应力云图

3.3 屈曲强度校核

根据相关规范要求，平台结构除满足强度条件外，还需对受压构件进行稳定性计算。本文根据《海上移动平台安全规则》(1992)相关规定进行屈曲校核。

根据屈服校核确定最危险的组合工况(即环境载荷入射角为30°时的组合工况)，进行该最危险组合工况下船体板材和骨材的屈曲校核。经验算，板材和骨材屈曲校核裕量较大，最危险组合工况的屈曲校核可以覆盖其他组合工况。由于篇幅所限表11罗列了起吊作业工况扶强材的屈曲强度校核结果。

表11 起吊作业工况扶强材屈曲校核

4 结 论

本文以国内某海上起重安装公司在2016年购进的芬兰GustoMSC设计的动力定位型自升式起重安装平台为例，详细分析了其在起吊作业工况下的结构安全性，并对7种组合工况下的船体和吊机基座结构强度进行了校核，得到以下结论：

(1) 在该自升式起重安装平台《操船手册》中规定的起吊作业工况下，平台结构强度能够满足《海上移动平台安全规则》(1992)的要求。

(2) 各组合工况中船体各部位的最大应力均在许用应力范围内，满足结构屈服强度要求。

(3) 各组合工况中船体主要构件的屈曲强度均满足要求，环境载荷入射角为30°时的组合工况的屈曲强度裕量最小。

(4) 在吊装工况中，吊机基座中与舱壁交叉处的加强肋板应力水平较高，但仍满足要求，在实际建造中应予以重点关注。