自升式钻井平台居住舱室模块移运装置设计

张宜群,顾军军

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032； 2.江南长兴造船有限责任公司，上海 201913)



自升式钻井平台居住舱室模块移运装置设计

张宜群1,顾军军2

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032； 2.江南长兴造船有限责任公司，上海 201913)

随着我国船舶工业向高端转型发展，海洋工程平台、豪华邮轮等高端船型的舱室数量多，传统舱室建造方式难以满足需求。以典型自升式钻井平台生活楼为研究对象，结合典型居住舱室模块特点和移运要求，提出居住舱室模块的新型移运装置设计方案，详细阐述该装置的工作原理、各组成部分和使用方法，并采用有限元法校核该装置的强度和刚度。计算结果表明：该移运装置能够满足工程使用要求，可重复使用、方便快捷、成本低、更加安全可靠，为舱室模块移运技术和工程应用提供技术参考。

自升式钻井平台；居住舱室；模块；移运装置

0 引言

在高效、节能、环保的造船理念影响下，传统船舶与海洋工程装备的舱室施工作业模式的弊端日渐显露出来，尤其在造船行业处于低迷的阶段，如何控制成本、提高效益，是船东、船厂和配套厂家迫切需要解决的问题。随着造船技术的发展，欧洲、日韩等国已实现多种类型船舶上层建筑和海洋平台建造方式的重大变革，采用居住舱室模块化设计和建造方法，应用专业化生产车间进行居住舱室模块的预制组装，然后整体吊装上船安装[1]，解决了传统生产模式效率低、质量难以保证等问题，使得舱室内部的装修施工效率显著提升。

现有技术中的居住舱室模块移运装置各有优缺点，传统使用撬棍的方法效率低、质量不易保证，容易损坏船舶甲板表面；目前常用的自制小车移运大型舱室安全性差，居住舱室模块移运时易脱离小车跌落坠地，造成冲击损伤；居住舱室模块舱壁嵌入轮子的方法成本过高，仅适用于豪华邮船这类高附加值船型。因此，方便快捷、低成本、小型化、提高安全性就成了居住舱室模块移运技术的发展方向。本文以外高桥承造的CJ50-X120-G自升式钻井平台为研究对象，设计了一种用于自升式平台居住舱室模块的可重复使用的移运装置，可实现典型居住舱室模块方便快捷、低成本、更加安全性的移运，为模块移运技术完善以及工程应用提供技术参考。

1 自升式钻井平台居住舱室模块移运基本要求

1.1 自升式钻井平台典型居住舱室模块简介

CJ50自升式钻井平台的生活楼可容纳约150人居住，单人间与双人间共计121个，其中119个房间尺寸相同(4 400 mm×2 642.5 mm)，舱室内布置基本相同，因此，典型居住舱室可以采用模块化设计和建造方式，应用专业化预制组装，整体上船安装。该自升式平台及其典型居住舱室如图1所示。本文用来移运的居住舱室模块包括居住部分和卫生单元部分，居住部分为无底结构，卫生单元部分为有底结构，壁板为A型复合岩棉板，厚度为30 mm，天花板为A型复合岩棉板，厚度为25 mm。

图1 典型自升式钻井平台及其典型居住舱室图

1.2 典型居住舱室模块移运基本要求

居住舱室模块主要考虑移运安全性、灵便性以及层高要求等，需满足：(1) 移运装置需要具备2 t升降能力(非典型较大居住舱室模块约1.7 t，典型舱室模块小于该重量)，能够将居住舱室模块整体提升和下降，确保升降过程中舱室的稳定。(2) 移运装置需要具备足够的结构强度和刚度，保证居住舱室模块在移运过程中不与装置分离，实现平稳移运。(3) 移运装置需要具备灵活转向能力，能够满足移运过程中的转弯、平移等工作状态要求。(4) 移运装置需要满足舱室层高要求，居住舱室天花板到上层甲板间约有700 mm距离，需布置主干风管，舱室天花板距离主干风管下缘略大于100 mm，因此，移运时舱室模块整体提升高度约100 mm。(5) 移运装置需要满足4～5名工人操作，尽量减少工人和工时。

2 自升式钻井平台居住舱室模块的移运装置设计方案

2.1 设计思想和原理

本次设计的新型移运装置由钢制框架结构、升降装置和多个万向轮组成[2]。升降部分是本次设计的核心。由于居住舱室模块整体重量不到2 t，空间体积与集装箱相当，因此，借鉴千斤顶基本原理和相关装置，结合自升式钻井平台居住舱室模块的特点，在居住舱室模块常用自制小车的基础上，开展研发设计工作，增加移运过程中的安全性和可靠性。千斤顶主要有齿条千斤顶、液压千斤顶、螺旋千斤顶和充气千斤顶等多种类型，综合考虑使用体积、操作性和经济性等，选用2 t手动液压千斤顶。另外，移运过程中需要转向和最终定位，选用刹车万向轮用于移动和定位。

2.2 移运装置的组成部分

自升式钻井平台居住舱室模块的新型移运装置主要由折角形式的钢结构、舱壁靠臂、升降机构(含滑动支架、2 t起重能力的液压千斤顶和钢铲)及底部的3个刹车万向轮等部件组成，如图2所示。该装置依靠升降机构的钢铲和舱壁靠臂与舱室模块接触，钢铲插入居住舱室模块底部对其进行支撑，舱壁靠臂采用直角贴靠，2个面同时扶靠，在钢板层外增加橡胶层，用于防止居住舱室模块壁板外表面划伤或磕碰。3个刹车万向轮实现移运和定位。本移运装置可提升最大高度为200 mm，移运时最小提升高度要求不小于80 mm，能够满足在一般船舶甲板内的移动和转向。

图2 移运装置组成部分示意图

2.3 移运装置的使用方法和步骤

本文设计的新型移运装置需要4个为1组同时工作，将其分别移至居住舱室模块外的4角处，分别下降滑动支架，将钢铲插入居住舱室模块4个角的底部，如图3所示；然后同时启动千斤顶，使居住舱室模块整体提升至距离地面约100 mm的高度，如图4所示；所有千斤顶锁紧后，推至甲板指定区域定位，如图5所示。然后，开启万向轮的刹车装置，卸下居住舱室模块，关闭刹车，逐一抽出4个移运装置即完成1次移运，后续居住舱室模块重复上述过程，直至所有模块移动和定位结束，最后在撬棍的协助下取出本移运装置。重复上述工序，直至所有舱室移运安装就位，如图6所示。

图3 移运装置插入操作示意图

图4 移运装置提升操作示意图

图5 某甲板典型居住舱室模块移运路线图

图6 某甲板所有典型居住舱室模块就位图

2.4 与同类型移运装置的对比分析

大船重工多次完成自升式生活平台的建造，其典型居住舱室基本采用模块化设计和制造，具有较为成熟的技术和丰富的经验，采用的移运装置为常用自制小车，如图7a)所示，其结构形式由钢制框架结构、千斤顶提升装置和底部万向轮组成。上海船舶工艺研究所课题组开展居住舱室模块试验，其采用的移运装置为常用自制小车，如图7b)所示，其结构形式与大船重工相似，为了更好地定位，将万向轮改为刹车万向轮。常用自制小车尽管使用方便，但是安全性差，居住舱室模块移运时易脱离小车跌落坠地，造成冲击损伤。本文设计提出的新型移运装置如图7c)所示，结构形式由平面框架结构改为折角框架结构，升降装置也改为折角形式，同样方便快捷、成本低，移运的安全性和可靠性明显提高。

图7 同类型移运装置对比图

3 移运装置有限元计算分析

3.1 建立有限元计算模型

本文应用Patran 2010软件对该新型移动装置进行有限元计算[3-4]，简化后的计算模型如图8所示。千斤顶和钢铲间的滑动连接杆尺寸为35 mm×4 mm(滑动杆与固定杆间隙需匹配)，其余杆尺寸为30 mm×4 mm，钢铲厚度5 mm，千斤顶底板厚度2 mm。钢铲顶端、千斤顶顶端滑动杆采用MPC单元连接到垂向固定杆，并释放z方向自由度。

图8 简化后的计算模型示意图

3.2 约束和加载

约束：顶部支点约束水平位移；轮子底部约束垂向位移；考虑到静摩擦力，对钢铲受力平面约束水平位移，如图9所示。

加载：重力加速度取9 810 mm/s2，钢铲加载取1 t(实际承载在0.3～0.8 t，考虑到安全性本文用1 t载荷进行校核)。钢铲的底面积为14 475 mm2，面压力为0.678 N/mm2。加载示意图如图10所示。

图9 边界条件示意图

图10 钢铲底面加载示意图

3.3 计算结果

有限元模拟结果如图11～图14所示，可以看出：板单元合成应力最大值为165 MPa，梁单元合成应力最大值为169 MPa，梁单元最小合成应力为-170 MPa，均小于普通低碳钢屈服极限235 MPa，满足强度要求。图14为整体变形图，可以看出：梁单元最大变形为0.018 mm，板单元最大变形3.93 mm，满足工程需求。

图11 板单元合成应力图 图12 梁单元最大合成应力图

图13 梁单元最小合成应力图 图14 整体变形图

4 结论

本文以典型自升式钻井平台为研究对象，结合该平台典型居住舱室模块特点和移运基本要求，通过深入研究提出了居住舱室模块的新型移运装置设计方案，设计一种用于自升式平台居住舱室模块的新型移运装置。该装置在常用自制小车移运装置的基础上进行改进优化，舱壁靠臂采用直角贴靠，实现2个面同时扶靠，提高了移运的安全性和稳定性，并具有方便快捷、低较成本、安全可靠、可重复使用的优点，为居住舱室模块移运工装的改进和重物移运技术优化提供参考。经有限元计算校核，其强度和刚度能够满足工程使用要求，为舱室模块移运技术和工程应用提供了技术参考。

[1] 孙新峰.预制模块化舱室单元的技术特点及应用[J].船舶,2015(1):95-100.

[2] 王金娥,曹红梅,李兰美.模块化造船技术应用综述[J].造船技术,2013(5):1-4.

[3] 王国治.多用途液压搬运车：ZL99234503.0[P].2000-3-22.

[4] 赵耕贤.船舶与海洋结构物设计中的关键技术之一(结构强度) [J].船舶,2000,12(6):22-35.

Design of Transport Device for Jack-Up Drilling Unit′s
Accommodation Cabin Module

ZHANG Yiqun1，GU Junjun2

(1.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute,Shanghai 200032,China; 2.Shanghai Jiangnan Changxing Shipbuilding Co.,Ltd.,Shanghai 201913,China)

With the development of China's shipbuilding industry transformation to high-tech ship ,the cabins of offshore platform,luxury cruise liner and other high-tech ship are massive,the traditional cabin construction method is difficult to meet demand.The living building of typical jack-up drilling unit is taken as the research carrier.Combined with the typical accommodation cabin module features and transport requirements of jack-up drilling unit,a design scheme for the new transport device of the typical accommodation module is given,and its working principle,components and operation method are described.Strength and stiffness of the transport device are calculated by finite element design method.And the results show that the transport device can meet using requirements.The transport device can be used repeatedly,which is convenient and rapid,low cost,safe and reliable.It provides technical reference for cabin module transportation technology and engineering application.

jack-up drilling unit; accommodation cabin; module; transport device

2016-12-28

张宜群(1982-)，男，高级工程师

1001-4500(2017)03-0023-07

U667

A