一种新型的自升式平台海水提升系统的设计

石保国 袁亚文 苏福星 黄江峰 刘海臣

摘    要：本文提出了一种新型自升式平台海水提升系统的设计方案：利用自升式平台的升降系统，通过桩腿桩靴的升降直接带动海水提升泵，替代海水提升泵塔和海水提升软管绞车。

关键词：自升式平台;升降系统;海水提升系统;海水提升泵

中图分类号：U663.31                            文献标识码：A

Abstract： Based on the introduction of the conventional design scheme of the seawater lifting system of the jack-up platform， this paper puts forward a new seawater lifting design scheme： the jacking system of the jack-up platform can directly drive the seawater lifting pump through the lifting of pile legs and pile boots， which can replace the sea pump tower and the seawater lifting hose winch.

Key words： Jack-up platform;  Jacking system;  seawater lifting system;  Seawater lifting pump

1     前言

自升式平台作为进行海洋资源开发与项目工程维护的重要装备，在海洋能源开发中占据重要地位。開展海工自升式平台的相关技术研究，对我国海洋资源开发和海洋工程装备发展具有非常重要的意义。

海水在自升式平台上应用广泛，诸多系统都离不开海水。自升式平台脱离海面处于升起状态时，平台依靠海水提升系统给平台提供海水。自升式平台海水提升系统主要由海水提升泵塔和海水提升软管绞车组成。

本文通过对自升式平台海水提升系统常规设计方案的布置和载荷分析，发现其工作可靠性不足，存在一定的安全隐患。为有效解决常规海水提升系统存在的问题，提出了一种新型的海水提升系统设计方案：利用自升式平台上原有的升降系统，通过对桩腿桩靴的升降，直接带动海水提升泵。这种新型设计方案能够替代海水提升泵塔和海水提升软管绞车，并消除了常规设计方案存在的隐患。

2     常规海水提升系统简介

自升式平台在上升过程中，平台底部逐渐脱离海面，最终升到一定气隙高度时停止。升降期间海底门不能正常工作，为此自升式平台一般均设有海水储存舱。

海水储存舱长期保持注满海水状态，其存储海水量满足平台升降过程中所需用量。自升式平台在升起状态下，平台供给海水主要依靠海水提升系统。

常规海水提升系统，主要有两种方式：

（1）“海水提升软管绞车方式”：一般设置为2台/船或3台/船;

（2）“海水提升泵塔+海水提升软管绞车”方式：一般为各1台/船。

下面主要介绍“海水提升泵塔+海水提升软管绞车”方式。

2.1    海水提升泵塔

2.1.1  海水提升泵塔布置及参数

我司建造的自升式风电作业平台（H6008/H6016），在升起状态下主要依靠布置在左舷的海水提升泵塔作为海水供给设备，布置在右舷的海水提升软管绞车作为备用海水供给设备：H6008平台海水提升泵塔下挂3台海水提升泵，H6016平台海水提升泵塔下挂2台海水提升泵。泵塔的选型主要由海水提升泵的排量、数量决定，其主要参数如下：

额定负荷：18 t

塔架总高度：30 m

电机功率：4X7.5 kW

塔架重量（不包括软管3*16 m）：28 t

海水提升泵塔布置示意图，如图1所示。

图2中：海水提升泵塔出水口端（A端）和平台固定硬管进水口端（B端）通过软管连接。在平台升起状态下，海水提升泵塔通过泵塔升级齿轮下降到可工作深度，平台硬管进水口端处于高点，泵塔出水口端处于低点，泵塔连接软管轨迹落在主甲板上;平台在漂浮或拖航时，海水提升泵塔处于升起状态，平台硬管进水口端处于低点，泵塔出水口端处于高点，泵塔连接软管整体悬空;海水提升泵塔在升起时，泵塔塔架高出主甲板约23 m。

2.1.2海水提升泵塔的主要缺点

海水提升泵塔，存在如下缺点;

（1）承受多方面载荷

海水提升泵塔承受风载荷、磨损载荷、重力载荷及功能载荷，对其影响较大的是风载荷。

在无限作业区域的平台，最小设计风速为：自存工况～51.5 m/s（～100 kn）;正常作业工况～36 m/s（～70 kn）;具有营运限制附加标志的平台，正常作业风速不小于～25.8 m/s。

风压P按下式计算：

P=0.613*V?/10?    （kpa）                                        （1）

式中： V—设计风速（m/s）。

作用在泵塔构件上的风力F，按下式计算如下：

F=ChCsSP   （Kn）                                                    （2）

式中： P—风压（kpa）;

S—受风构件的正投影面积（m?）;

Ch—受风构件的高度系数，可根据构件的高度h在系数表中查得;

Cs—受风构件的形状系数，可根据构件形状在系数表中查得;

（2）占据主甲板面积大

采用海水提升泵塔的海水提升系统，需要配置一台海水提升软管绞车作为备用，占据主甲板面积大;

（3）海水提升泵塔和连接软管，维护比较困难;

（4）海水提升泵塔需要设置限位和扶正装置;

（5）海水提升泵塔采购成本大。

2.2  海水提升软管绞车

我司建造的SE-300LB自升式海工平台（H6003/4）和Z-210-108 LIFT BOAT（H6011），海水提升系统全部采用海水提升软管绞车供给海水。以SE-300LB自升式海工平台为例，本平台设置3台海水提升软管绞车（主甲板右舷布置2台，左舷布置1台）。每台绞车都设置了绞车平台（5 400*4 400），占据主甲板面积约71㎡。

2.2.1海水提升软管绞车的主要参数

（1）绞车：功率7.5 kW、电压380 V、3相、50Hz、IP56，自带盘式制动器和空间加热器;传动方式为行星齿轮传动;绞车重量5.35 t;绞车平台重量8.8t;

（2）双排海水软管：直径4  ft，长度49 m;

（3）绞盘：4430x2680x3600（长x宽x高）m2;

海水提升軟管绞车布置示意图如图2所示。

2.2.2海水提升软管绞车的主要缺点

海水提升软管绞车，存在如下缺点;

（1）绞车软管承受多方面载荷

平台在升起状态下，海水提升泵通过绞车软管被放入海水中，软管长度跨过了主船体型深、平台气隙高度、有义波高和海水提升泵正常工作潜入深度;绞车至海水段软管悬空，无法固定;海水提升泵和软管承受风载荷、波浪载荷与海流载荷;海水提升泵在风载荷、波浪载荷及海流载荷中必将产生位移，软管在海水提升泵位移牵动下与船体外板产生摩擦;绞车软管在风载荷、磨损载荷、重力载荷、波浪载荷、海流载荷及功能载荷下，存在软管断裂、海水提升泵连接螺栓松动、海水提升泵脱落掉入海中等风险。

（2）绞车软管管路压力损失大

海水提升软管绞车中的海水软管长度可以分为两段：一段是绞车至海水段;另一段是缠绕在绞车绞盘上。绞车至海水段的软管管路压力主要为管路的摩擦损失，而缠绕绞车绞盘的软管段的软管主要为阻力损失。

总压头损失：P=P1+P2                                         （3）

式中：P1—摩擦损失：

P1=（λ·L/di）·（ρs?/2）                             （4）

式中：λ—摩擦系数;

L—软管的长度;

di—软管的内径;

ρ—介质的密度;

s —介质的流速。

P2—阻力损失：

P2=∑η·ρ·s?/2                                                （5）

式中：η—阻力系数;

ρ—介质的密度;

s —介质的流速。

绞车软管摩擦损失P1和阻力损失P2均大于船用无缝钢管。

（3）绞车占据主甲板面积大

自升式平台对主甲板面积的使用效率要求非常高，例如自升式风电安装平台出海作业时，主甲板需要摆放风机和风叶，要求主甲板有足够的面积和空间;而海水提升软管绞车占据甲板面积较大，以上述SE-LB300平台为例，约占用主甲板面积达71㎡。

（4）绞车采购成本大

我司建造的800 t自升式风电作业平台的软管绞车采购成本，约60万人民币/台。

3    新型海水提升系统

通过对常规海水提升系统的特点分析，为了有效解决甲板占用面积大、软管使用寿命无保障、设备采购成本高等缺点，研究新型海水提升系统具有非常重要的意义。

3.1   设计思路

海水提升系统的主要功能是在平台站立期间，将海水通过海水提升泵输送到海水储存舱。如果能借助自升式平台已有的升降系统，在不需要专门设置海水提升泵塔或软管绞车的情况下实现海水提升泵的升降，那么就可以节省泵塔和软管绞车。以我司建造的800t风电安装平台H6008为例，将海水提升泵固定在桩腿内仅高于最大入土深度位置，桩腿内部布置海水提升泵出水管，出水管上设置类似冲桩系统支管，以穿舱件形式穿过桩腿外板并配快速接头;平台在规定作业水深下作业时，能保证至少2处支管快速接头位于固桩室内。同时在固桩室内海水提升泵出水管支管位置附近，布置海水提升硬管进水口固定端，通过软管与就近支管快速接头相连，从而实现海水提升系统管路的连通。

根據平台所需海水用量和海水提升泵排量，在1～3（4）个桩腿内布置海水提升泵，包括备用海水提升泵，几台海水提升泵出水管可汇总后注入海水储存舱。

图3是以H6008平台桩腿为背景的新型海水提升系统管系图及海水提升泵布置示意图。

3.2   设计方案

新型自升式平台海水提升系统是将海水提升泵布置在桩腿内，而泵需要潜入海水中才能吸入海水，因此需确保桩腿内部与海水灌通。H6008平台的八角形桩腿站桩后，潜入至海面之下的桩腿内部可通过升降系统在桩腿上设置的插销孔灌入海水，使桩腿与海水相通。新型海水提升系统方案示意图，见图4。

3.3   主要优点

新型海水提升系统方案与常规海水提升系统方案相比，具有以下优点;

（1）不需要占据主甲板面积，提高甲板面积使用效率;

（2）避免了诸多载荷影响，提高了安全可靠性;

（3）不需要限位装置和扶正装置;

（4）节约了平台电力负荷;

（5）采购成本低，不需要软管绞车、泵塔等设备。

常规海水提升系统与新型海水提升系统方案的成本对比，如表1所示。

4    结束语

海水提升系统是自升式平台不可缺少的部分。本文通过对自升式平台常规海水提升系统的分析，发现其占用甲板面积大、软管使用寿命无保障、设备采购成本高等缺点，为此提出了一种新型的设计方案。新方案利用自升式平台原有的升降系统，通过升降系统对桩腿桩靴的升与降直接带动海水提升泵，替代海水提升泵塔和海水提升软管绞车。新型海水提升系统安全、可靠、经济，对我国海洋资源开发和海洋项目工程装备发展具有重要的意义。

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