自升式钻井平台重量控制方案

张 明，程志涛，幸耀庭

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

自升式钻井平台重量控制方案

张 明，程志涛，幸耀庭

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

文章通过对某自升式钻井平台在建造过程中所采取的各种重量控制方案的阐述，根据ABS MODU规范对海工产品的要求，总结了一套贯穿设计和建造阶段的重量控制方案。此方案适用于大部分海工项目的重量控制要求。

重量控制；有限元计算；空船重量；减重

0 引言

全球经济发展对能源要求不断增大，海洋石油资源因其巨大的储备量成为今后产业发展的主要方向，从而使以钻井平台为代表的海洋工程船舶的建造，成为备受关注的目标。

海洋工程船舶的建造，除要满足大部分常规船舶的要求外，还受到更多海洋工程和工作海域等规范的约束。在其设计和建造过程中，既要考虑到满足规范和功能的要求，又要考虑设计的合理性和经济性。其中重量和重心的变化，将会影响船舶装载能力和稳性等主要参数，而成为船东和船厂要求控制的主要指标。

1 重量控制的概念

1.1 概念

重量控制包含重量和重心的控制两个方面。在设计阶段通过估算得到一个大概的空船重量和重心位置，在建造过程中采取种种控制手段和方案，使最终建造完工状态船舶的重量重心接近之前估算值的一个过程。

1.2 重量控制的意义

重量的变化会影响船舶的装载和压载能力。当实际空船重量超过设计重量时，船舶的装货量会减少，严重时可能导致船舶沉没。反之空船重量少于设计重量，船舶的压载能力受限，使某些半潜船在满压载水状态仍不能达到下潜深度，直接影响功能使用。重心的变化会影响船舶的稳性，重心过高或过低都会给航行中的船舶带来危险。船舶重量作为主要指标往往被船东明确写入建造合同，超出设计重量往往会导致巨额罚款甚至有弃船的风险。

1.3 本文主要研究的目标

本文主要针对当前海工产品建造过程中，普遍存在的超重问题，结合某船厂在建的一座自升式钻井平台（入ABS级），在设计和建造过程中所采取的重量控制方案，总结出一套详细的设计建造经验，可有效降低空船重量，值得后续海工船舶借鉴。

2 重量控制的阶段及方案

2.1 准备阶段

准备阶段是指在设计开始之前或设计刚刚开始之初，收到部分基本设计图纸与技术规格书，还没有对材料进行请购，此阶段的重量控制应从以下几点着手：

1）全员重视，成立专项重控小组

从项目刚开始，就要动员全体设计人员，在重量控制上给予足够重视。许多超重严重的海工产品都是起因于开始阶段不够重视，等想起进行重量控制，需要降低重量时已悔之晚矣。全员的重控意识，成立专项重控小组，安排专职设计人员审图，可在早期就把超重的风险降到最低，减少后来带给现场的压力，减少现场因需要减重而返工的工作量。

2）仔细研读技术规格书和设备资料

产品的重量要求会在技术规格书中明确写出。仔细研读技术规格书，把要求的重量控制数据作为一项重要指标贯彻到设计和生产的各个环节。对任何设计，在满足规格书要求的基础上，考虑是否可以合理改变布置或改变结构材料来降低重量。

3）定期编制重量和重心控制报告

重量重心控制报告是重控过程中必不可缺的一个环节。在项目启动时就应该有一个全面的重量重心控制报告表（见图1），直到项目结束。把每一阶段新增加的重量定期更新进去，与每一期重控的目标重量相比较，及时发现存在超重隐患的区域。

2.2 详细设计阶段

2.2.1 材料的选取

在材料的选择上，除生活区和一些无强度要求的通道、走台及围壁结构外，尽量采取高强度钢。高强度钢在相同板厚的前提下，可以提供更高的屈服强度，从而达到简化结构和降低重量的目的。另一方面，许多海工船舶需要在低温海域工作，高强钢在低温时的性能也要好于同级别的普通钢。图 2为ABS MODU规范[1]对低温时不同级别的材料所能取到的最大板厚的要求。

2.2.2 型材规格的选择

海工船舶结构设计中型材的用量是比较大的，小到走人通道的平铁、角钢，大到直升机平台支撑结构的工字梁、圆管，型材规格选择不当往往是造成空船重量增加的主要原因之一。根据型材截面的几何性能，在相同重量的前提下，圆管的剖面模数优于工字梁，其次是T型材和角钢，这就是在主要结构的支撑中多使用圆管的原因。任何型材规格的选取，必须以计算结果为依据。海工船舶设计中多采用有限元强度分析软件辅助结构设计，在满足强度和稳定性要求的基础上，可尝试尽量降低型材规格以达到降低重量的目的。图3为有限元分析软件STAAD运行下的直升机平台下部支撑结构的强度分析图，可以看出每一根型材梁的利用率都比较高。

2.2.3 结构形式的优化

优化结构形式对重量控制也有着重要意义。例如，在相同强度的前提下，波形壁要比传统的板加筋形式的围壁具有更轻的重量。因此在一些围壁处所，包括生活区的围壁，经常设计成波形壁结构。图4为同重量情况下波形壁各参数的比较[2]。

从结构的稳定性上考虑，三角形支撑最为稳定。因此如果空间允许，可考虑一些平台的支撑多用斜撑代替垂直支撑结构，亦可有效降低设计时支撑结构的重量。

在一些跨距较大的通道走台处，多采用桁架式结构可有效降低重量。例如钻台区域的维修平台、生活区通往直升机平台的长直走台，因为位置的特殊性往往无法增加支撑结构，这时可采用桁架式结构的设计（见图5），可在满足强度的基础上有效降低重量。

2.2.4 区分好主次结构

海工结构一般有主要结构和次要结构的区分，规范对主次结构的要求不同。主要结构需严格按照规范设计，而规范无明确要求的次要结构在满足强度要求的基础上可适当减弱结构形式。典型的例子是在一个遍布强横梁的主要结构边缘有一个仅走人的小通道，此通道不参与主要结构的强度计算，设计时可以考虑将此通道型材适当降低规格，满足规范要求的均布载荷即可。

2.2.5 布置上的优化

一份合理的布置图可以大幅降低无关重量的增加。这需要相关设计人员熟悉设备工作原理，在满足设备功能的前提下，进行模型评比供各专业讨论，然后得出最佳位置。最佳位置应该满足使结构加强做到最少，电缆长度需求最短，减少相关管系的弯头数量和长度等。

生活区的合理布置也是降低空船重量的有效手段。在满足规范要求的基础上，可合理降低生活区的层高，甚至可以在不影响强度的前提下，在生活区主梁开设减轻孔来降低重量，同时也可兼做生活区内电缆和各种管道等的穿越孔，如图6所示。

2.2.6 焊接与狭小空间

焊接时焊肉产生的重量在重量控制时也需要考虑。各船级社在海工船舶焊接时有各自的焊角计算公式，不同区域选取焊接系数不同，同时会考虑腐蚀余量的影响。生活区的非潮湿区域等特殊区域可考虑间断焊接。图7为ABS海工规范对焊角的计算公式[1]。

尽量减少狭小空间的设计，因为大多数狭小空间会因为空间过小，无法油漆作业而做成封闭结构，从而产生重量增加。

2.3 建造阶段

建造阶段的重量控制主要以监控、现场修改为主，需要现场人员与设计人员相互配合，确保所有的重控方案都能在现场实施。

2.3.1 做好设备称重工作

在建造的不同阶段，每新到设备都需要做好设备称重工作。称重后的重量与设备资料相对比，很多设备重量存在误差，累计后导致完工状态超重。许多设备还有干重和湿重的区别，在重量控制时需要注意。

2.3.2 澄清可变载荷

可变载荷不计算在空船重量之内，因此需要在建造时与船东及时澄清哪些载荷属于可变载荷，及时做好签字备忘，以便完工时进行统计。

2.3.3 定期组织现场拉练

定期组织技术和现场人员一起进行现场拉练，熟悉现场的施工状态，讨论是否存在多余结构，是否可以修改。例如电缆托架形式是否可以简化，管支架是否合理，一些设备底座是否可用垫块形式替代组合型材形式等问题。积极的现场拉练可在项目已超重的情况下对空船重量进行补救，减小超重带来的损失。

2.3.4 关于现场修改问题

在施工建造阶段，船东船检会提出各种修改，有些是合理的，有些在规范中并无此要求。此时需要尽力争取，把增加重量的修改降到最低，同时对已修改的内容做好记录，及时更新到重量控制报告中去。

3 结论

以上方案的总结对以钻井平台为代表的海工项目的建造具有一定的指导意义，但是重量控制是一个长期而任重道远的工作，并不局限于以上方案。我国的海工建造业才刚刚起步，可以说机遇与风险并存。若想在国际市场占有更大份额，必须重视和做好重量控制工作，立足于长远发展。

[1]ABS.Rules for Building and Classing, Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[2]ABS.Rules for Building and Classing, Steel Vessels[S].2015.

[3]孙东昌, 潘斌.海洋自升式移动平台设计与研究[M].上海: 上海交通大学出版社, 2008.

Weight Control Solution for Self-elevating Drilling Unit

ZHANG Ming, CHENG Zhitao, XING Yaoting
(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

The paper introduces all the weight control solutions adopted during the construction of self-elevating drilling unit.According to the requirements of ABS MODU rule on offshore products, a set of weight control solution through the period of design and construction is summarized.The solution is suitable for the weight control requirements of most offshore projects.

weight control; FEA analysis; light weight; reduce weight

U692.1

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.008

张明（1984—），男，工程师，研究方向：船舶海工结构详细设计。