船舶与海洋平台平地建造及气囊下水研究

摘要：平地建造方法是对船舶与海洋平台建造方式进行的一次重大变革，本文

本文从平地建造技术入手，对平地建造中的几个关键技术进行了分析与探讨，

并对气囊的下水技术进行了重点的探讨。主要的是：

    1)以自行升降平台作为平面建筑的产物，分析分析了几个典型实例，探讨、分析和研究了其主要技术问题。

    2)对气囊下水的工艺布局进行了设计，对气囊的数量、位置的选择进行了探讨，重点对气囊的下水阻力的确定进行了重点分析，为选择吊机、缆索、斜率等问题提出了科学依据。

    3)对弹性下流的理论基础进行了简要的阐述；本文讨论了下水强度有限元建模的理论与步骤，并应用了基于局部强化理论的嵌套式局部强化法，以确保其准确性；提出了用有限元方法计算下水中的应力与边界情况；采用有限元方法对45000吨成品油船进行了下水强度有限元分析。

    对了解和把握平地施工技术中的某些关键技术，具有一定的指导意义。特别是对安全气囊的下水能力进行了有限元分析，制订出合理的下水计划，确保安全航行。

关键词：船舶；海洋平台；下水强度；有限元；气囊

1.舶与海洋平台平地建造关键技术

1.1概述

平地建造方法是船体与海上平台结构的一次重要改革，它可以降低生产和分配的费用，降低成本，缩短周期，扩大总量，但是，由于平地建造方法的发展，提出了一种新的技术需求，包括下水方法、船体巨型分段对接、平台的桥腿接长、结构重量控制、平台升降方法、载荷计算及悬臂梁称重试验等关键技术。这章介绍了关于平地建造的有关技术。

1.2自升式平台平地建造关键技术

自升平台是以平地建造方式施工的，它的结构特征应按其结构特性划分为主体、桩腿、悬臂梁、钻井架等。其主要工序为：在地面施工的基础上，可按施工现场的施工设备和情况，分别设置桩支段（部分）、悬臂梁、钻台和钻台，并采用特别的方法下水，将其余的构件（例如桩脚）在水下进行组装，完成舾装、设备调试和最后的工作。

以大连船舶重工建造的中海942钻井平台为例，其施工工艺为：船体分段、楼子分段和直升机平台及下部桩腿在临时滑道上进行施工，平台的主船体分段、楼子分段和直升机平台及下部桩腿在临时滑道上垫墩施工合拢，平台坐在临时滑道上。平台关闭后，通过滑板将其拉入码头，然后在码头的一条临时通道上安装吊杆，然后将整个吊车抬上码头，安装桩腿、钻井和起重机，然后进行码头舾装、桩腿升船接长，完成各种设备调试、试验等后续工作，最后平台交工。

1.2.1平地建造水面桩腿接长技术

由于在平地上施工，大连船舶重工集团拥有神州最好的九百多吨起重机，而其它部件则要在码头上进行吊装，但由于吊装的条件有限，比如大连船舶重工集团的900吨起重机，就得在码头上进行吊装。所以，在水下水下桩腿连接技术是平台平地施工中的另一个重要技术。

在此基础上，采用两种不同的方式进行大型超长桩的表面接长。一种是采用大型海上起重机或履带式起重机进行起重和闭合。一种是采用专用工具进行装配。但其弊端在于，起重机的使用成本较高、成本较高、依赖较大、使用时间难以掌握。后一种工艺过程比较繁琐，对模具的力量等各个环节都有很高的需求，而且没有标准和规范可循，难度大、风险大；其优势在于成本低廉，能够自行规划工作时间表，且时间控制。

对于后者，我国已经取得了一定的成功。“COSL941”是由中海油田公司 FGL BUYER LLC合作开发的美国海上钻井平台，是目前全球第3个可在122m深度下进行原油开发的海上钻机。大连船舶重工集团承建。该钻机的桩脚共167公尺，分为七个部分，每个部分大约200吨。三层桩脚的上部长度为70多公尺，位于船坞外侧100多公尺处。

在进行水下施工时，采用专用工具完成了在水中的高处进行。它既要达到结构强度和桥墩插入水域的要求，又要能在水下完成桩脚的拖动和位置。该专用工具的整体设计思想是：通过借助物体的滚动或滑动的摩擦力，借助专用设备，通过拖拉的方式将桩脚从起重的固定点拖拽到安装状态，完成对齐、安装等工作

1.2.2平地建造下水方法

平地船舶的下水问题是其最大的难题。采用平面结构施工的制品，按各种情况分为整体式或分离式。如果是一件成品，可以在不动用码头的情况下直接投入使用，如果是一艘母舰，那么就必须先下水，然后在码头上进行连接，但这并不会影响到整个码头的建设进度。如果能顺利地处理出货问题，可以拓宽下水渠道，从而可以避免或减轻对船坞、船台等设备的依赖，从而提高产量。我国山海关船厂、大连船舶重工在坞中已取得了两个或三个较大的成功，尤其是大连船舶重工集团在大 FPSO码头上实现了两个大的对接，以及在坞内总区的对接技术上的技术的完善，为进一步推广 iF地建造技术打下了坚实的基础。目前，世界上主要有三种船舶下水方式：半潜驳船、滑道下水和气囊下水。

1.2.2.1半潜驳船下水方法

这种方式是先把平地搭建的半潜驳船转移到合适的深度，再把半潜驳船放到可以自己浮起来的地方，这样就可以利用半潜驳船进行水下作业了。有两个选择：

一是利用船坞，驳船进坞坐墩下水方案。本项目采用船坞，只在船坞底部设置一个固定墩子，半潜式驳船驶入船坞，关闭坞门，将水排出码头，让驳船停靠在船坞上，不会受到海浪的冲击。当拖曳完成后，卸下船坞上的水，驳船就会带着甲板离开船坞。二是运用船坞，采用拖轮浮动式的下水方式。这个方法也是使用船坞，在驳船的浮动情况下，通过拖曳的驳船来实现下潜。

1.2.2.2滑道下水方法

滑道下水的方法可按下水道深度的不同分为两类。水深不足的话，可以通过船坞，或者是深水码头，通过滑道下水。

第一种：使用船坞上的滑轨来进行下水。此种方案使用了一条滑轨，节省了一艘半潜式的拖轮。将平整的平台用专用的导轨拖拽到船坞的专用工具上，然后将桩腿伸出来，将N4型的桩腿延伸到船坞底部，然后将工作台拆卸下来，让平台悬浮在船坞外。将船坞从地面施工地点转移，并在船坞上修建两条水泥平滑通道，船坞内部还必须有两条连接地面的水泥滑道，支撑着船坞，并将其移入船坞。第二种：通过码头的滑动来进行。这种方式是在深海港口使用滑轨，无需使用船坞，彻底脱离了对船坞的依赖性。一般情况下，先在平坦的地面铺设一条滑梯，再在平坦的地面上搭建一个平台，完成之后，再通过滑道将其滑到靠近港口的浮块上，再将其拉出港口，再将其下沉，完成平台的下水。

1.2.2.3气囊下水方法

若在平地上建成后，在深水港口也可以使用气囊进行下水。就是通过安全气囊将平台拉入浮体装置（浮船坞、浮体平台等），使浮体沉入水中。

2. 气囊下水工艺布置设计

    在气囊下水时，气囊数目的选取与配置直接影响着船只的安全航行。如果气囊数目不够，则会造成单个安全气囊因承受能力的不足而爆裂，造成船身的损伤；如果气囊的数量过多，不仅不划算，而且还会造成安全气囊之间的间隙过窄，造成前后安全气囊的压力，造成安全隐患。所以，要正确地选取安全气囊的个数和设置安全气囊。

2.1气囊的布置

对于首尾尖细型的船只，其下船的长度 L应该是由首尾不适合作为安全气囊的那一段的总长减去。对于有特别要求的船型，安全气囊的间隔要按特定的需要来确定。

在船舶底部，安全气囊应该尽可能地单列放置，并且安全套的轴向中线与移动船只的方位保持一致。气囊头部突出船体的长度不能太大。在运输中，由于四边的因素比较少，因此，在移动时，气袋的头部要从舷侧处突出，并且每个侧面的延伸长度要比安全气囊的直径稍大。

对于宽船，可采用两列横放安全袋，两列安全气囊间隔不得少于0.51。

2.2下水坡道的设计

从一艘船的起动到它的底部到它的整个底部，都有一个或多个船壳的整体或部分的船体在斜坡上被下面的安全气囊所支持。船只在斜坡上滑动，这是一种由重力、拉力、支撑、摩擦等力量互相均衡的运动。如果斜面过低，船就不会动了；由于斜率过大，导致缆索的拉索断裂，造成船失控的风险。下水道斜度与下滑量、摩擦系数有关，从而影响绞车、缆绳的选用以及船只的安全下水，必须对下水道的倾斜角度进行合理的分析。

在力矩均衡、入水（任意或可控）和绞盘的选取中，最重要的问题在于确定安全气囊的下水摩擦力（或摩擦因数）。

2.3总结

这一章探讨了气囊的下潜过程。要对气囊的数目和布局进行探讨。从船舶的受力均衡的观点入手，着重于摩擦力的求解，并从滚动摩擦的机制入手，对气囊的滚动摩擦因数进行了分析和推导。根据500 t海岸集装箱船舶的气囊下水情况，对其进行了整体方案的设计，并对其进行了详细的分析，并得出了相应的滚轮摩擦系数。

3. 囊下水安全性的有限元分析

3.1气囊下水运动分析

    在起航前，整个安全气囊均由船身自重分配。当斜坡倾斜度发生变化，或是船身从斜坡上滑行时，安全套的支承状态会发生变化，甚至会发生变化（失去了对船身的支撑）。当滑程增加时，后甲板浮力增加，后甲板上升，一部分安全气囊从船身上脱落，整个船的重量被浮力和前面的安全气囊的支撑所抵消，底部的反作用力会慢慢地聚集在头部，直至整个船都浮出水面。在全过程中，气囊的变形、反力、浮力、纵倾角等都会发生变化，所以精确的预测整个下潜的动态和受力状况对于计算的精度非常关键。对于下水船的弹性分析，可以很好地得到较好的解答。

3.1.1弹性下水原理

    采用弹性下水的方法，将船舶结构看作一条弹性变形的横梁，由一气囊支承的船底部体系构成了其弹性支撑点。由于受水流动力系统影响，船舶的弯矩和支撑的弹性变形，影响着底板与导板的接触面及支承力的分配。将该船的结构简单地分解为一段变截面的连续梁，采用梁元方法进行了数值模拟。对一组滑移部位进行了迭代求解，并根据其力学与变形的协调情况，求取每个安全气囊的支撑作用力，以此来求取其内力，并以此来预测其在下水时的安全状况。

3.1.2弹性下水计算过程

在一组随机选取的滑动部位进行了船体下水的数值模拟。举例来说，从滑翔的起点，以每次10公尺的距离为一个数值。该系列数值模拟的成果反映了整个下水的动力历程。

接下来的数值目的是找出适当的艏向。正如前面提到的那样，通过一个迭代式的运算程序来完成。因此，应首先确定舰艏吃水初始数值，该初始数值可用刚体入水法的几何公式来确定，也可用前一次的推算结果作较佳的初解。

3.2船体结构有限元模型

3.2.1船体结构有限元模型的指导思想

本文着重于对底层构件在入水时的受力进行了研究，提出了在船体下部应设置更细密的格栅，而对船体和船体则尽可能地在整体纵向上保持一定的刚度。由于部分构件不能完全符合分析要求，必须进行精细处理，而使用单独的局部有限元方法难以得到其边缘条件，故选用了嵌入的局部精化模式。

将整个船舶的有限元和内嵌的局部精密元方法有机地融合在一起，利用整个船舶的有限元模型，全面掌握船舶的受力与变形，对于局部应力大的区域，利用嵌入的局部精密化的方法进行深入的研究，不仅可以解决单一局部模式增加精确的问题，而且可以达到局部解析的精密性，是目前普遍使用的一种分析方法。

3.2.2船体有限元模型单元的种类和大小布置

文中所使用的单元，以板件、横梁、棒件和质点件为主体。全部板均为板，纵向钢筋为横梁，钢筋为横梁，板肋为板条，为板条，为板条。模型结束后，用质量值进行补偿。

3.3气囊下水安全性分析

3.3.1 下水强度有限元分析的第一阶段

在进行下水强度有限元计算时，首先是从船身滑移至与船面的接触。这一阶段，船身完全在导轨上，所承受的压力包括垂直的重力、安全气囊的支撑、牵引和摩擦。在这种情况下，牵引力、下滑力（沿着滑轨的引力）、摩擦等均可视为一套不受影响的均衡力。因此，对船舶施加的作用力仅为引力和气囊的反作用力，而反弹力则表现为弹性元件，因此，仅靠引力。此外，应指出，因为采用了弹性元件来仿真气袋，因此，在不同的滑动行程中，有些弹簧会被拉，但气袋无法被拉，因此，弹簧元件必须得到合适的调节。很明显，在进行下水时，在进行压力测试时，所有的气囊都是被压缩的，所以没有必要调节弹性元件。

3.3.2 下水强度有限元分析的第二阶段

第二步是从船舶撞击到船舶的自由上升。在这个过程中，飞船要承受重力、浮力和支撑。随着行驶里程的变化，气囊会逐步脱离。这一过程复杂且非线性，需要对浮力（吃水）和气囊进行一系列的重复运算，以便在重力、浮力、气囊的支撑下维持平稳。在任何时刻，都可以把舰体的整体结构看作是一个静止状态，通过对其进行弹性水力学分析的分析。简而言之，就是通过在水中的弹力作用，来保证船体的吃水，然后将弹力和自身重量相配合，达到一个相对的静止状态。

4.结论

本文通过对船舶与海洋平台平地建造方法及气囊下水的研究，并对一些算例进行了分析。通过本文的工作，可以得到以下结论：

1.本文以平地建造为例，重点探讨了该技术的几个主要问题，并取得了实用的实践体会。通过专用工具对大口径超长杆桩脚的桥墩进行了施工，经结构有限元计算表明，其施工工艺能够达到设计强度的目的；对吊杆的测量和吊装的测试方案进行了探讨；分析了三种不同的下水方式半潜驳船下水、滑道下水和带气囊下水，并对各种下水方式的利弊进行了比较。

2.气囊的下潜过程与船只最后是否能够顺利下海有关。文中对气囊数目的选取和布局进行了探讨，着重对下水坡的斜率进行了判定，从船身的受力均衡入手，通过对其进行分析，从而得出下水坡的斜率，从而为吊索的选用提供一定的依据，保证船底的安全。

3.对气囊下水船舶进行安全评价的技术途径进行了探讨：气囊的规格、布置、按气囊的一位移特性曲线来确定其刚性、用弹性下水预测其在水中的移动情况，并应用三维数值模拟的方法进行了数值模拟。该技术可精确地确定在下潜时，气囊在各种滑程情况下的受力以及船身的受力状况，对下水时的安全进行评价，并据此得出相应的改进方案，如：增大安全气囊、更改安全配置、调整斜率、加固构件等。

4.对45000吨原油轮船的安全与下水方案进行了分析，并在此基础上实现了第一次安全航行。对污水进行定量测定。计算程序与计算结果显示，采用下水计算、弹性下水计算、计算与有限单元相结合，可以有效地制订并进行合理的下水计划，确保下水的安全；而且，从理论上讲，现在的下水船只的吨数几乎翻了一番。

5.虽然本文在对气囊的应用方面已有一定的认识，但仍需要将其与现实状况联系起来，以便在实践中不断改进和发展该技术，使其更好地为生产服务。

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