第四章海洋平台的设计及建造施工
第一节平台结构设计的一般步骤
海洋平台的结构设计首先是根据平台作业海域的环境条件、海底土壤特性、平台的使用要求、安全性、营运性能、建造工艺和维护费用以及业主的期望等选择平台的结构型式方案。
由于平台长期固定或系泊于特定的海域中作业，它不像一般船舶那样，遇到大风浪可以避航，因此，在结构设计中正确的确定海洋环境条件显得非常重要。
海洋环境条件一般包括海域的水深、风暴、波浪、海流、潮汐、海底冲刷和滑移、冰情和地震等。
这些海洋环境因素对平台的安全和作业效率有极大的影响。
为了设计出满足各项设计条件，同时经济性能优良的平台结构，往往需要选择多种方案进行分析比较，最后选定最佳的方案。
因此平台结构设计实际上是一个逐步逼近或试探的过程，例如挪威阿柯（AKER）集团设计的“阿柯—H3”号半潜式平台就选择了A至H的8中方案进行分析、筛选，最后选定了H方案中的第3种修改方案，平台也因而取名为“阿柯—H3”。
一般初步选定一种结构型式，确定平台主要尺寸，具体进行总体布置后，如果是移动式平台则需要进行运动性能和稳性的分析，倘若不满足设计任务要求和有关范围的规定，那么这种结构型式就要被淘汰。
为了进行结构安全性校核，需要进行外载荷计算、强力构件尺寸的初步确定和构件材料的选取等工作，最后进行结构的总体强度分析。
外载荷计算包括确定平台的浮力、结构重量、平台的甲板载荷，由风、浪、流、冰、地震引起的环境载荷等，这些载荷直接影响着构件的布置、连接和尺寸的大小，是决定结构设计优劣的重要因素。
对于固定式平台，还需进行桩基计算以及桩—土—结构相互作用的分析。
平台的所有强力构件都必须符合规范的强度标准，否则应修改构件的尺寸和材料品种，直到满足要求为止。
在结构强度尺寸确定后应对在总体布置时估算的结构重量进行校核，看其与实际的是否一致，若相差较大还需要进行调整。
结构设计的最后一个阶段是局部节点结构设计，平台节点是重要的结构部位，它的强度和施工工艺往往直接影响平台总体结构的寿命。
图4—1为平台结构设计的一般流程。
图4—1 平台结构设计的一般程序
第二节海洋平台建造施工
（一）海洋平台建造的一般原则
移动式平台和固定式平台都是钢质海上建筑物。
对于前者，无论从设计原理、建造工艺及工厂生产设备来看，还是从制造厂的地址设置、生产场地要求出发，都与造船有很多相似之处。
因此由造船工业部门来承担各类钢质平台的设计与建造任务是合适、合理的。
从我国实际上看，世界上许多海洋平台建造业发展得快，居于先进地位的国家，如英国、挪威等，他们的平台建造厂多数是由造船厂发展而成。
从70年代以来，我国已经制造了若干种类的钢质平台。
如大连造船厂在70年代初建造的工作水深30m的“渤海一号”自升式平台，1983年黄埔造船厂制造的“华海一号”自升式平台，1984年上海船厂制造的“勘探3号”半潜式平台。
此外，渤海石油公司还建造了一批40m一下水深的导管架平台，用以开发埕北油田。
平台的甲板结构支撑着主要的钻井设备（如井架、各种机械装置等），提供了平台的各种工作和生活模块。
所谓模块，是指已进行充分预舾装的立体分段。
它们通常是分别进行设计的，所采用的规范和标准可能各不相同，设计思想也不完全一致。
模块通常不是由同一厂商或在同一地点建造的。
一般，模块在陆上建造，然后将其拖运至现场进行吊装。
由于海上气候变化无常，因此必须减少吊装时间，在有限的可作业环境条件下完成平台上部模块结构的安装。
随着模块尺度和重量的不断加大，海上起重能力也在迅速提高。
现有模块的重量大致范围在250～350t，有时可达2000t。
甲板设备组块建造成尺寸约为3～4.6m×15～18m×4.9～6.1m（10～15ft×60ft×16～20ft）的模块。
有时尺寸达11m×23m×6.5m（35ft×75ft×21ft）。
下图4—2为一甲板结构的剖视图。
现有起重船的起重能力决定了模块的尺寸或重量。
图4—3摘录了模块尺寸。
模块在称之为滑架的纵桁和衡梁的垫材上建造。
这些模块被设计成能自己支撑的并跨于甲板基础结构的主要桁架之间。
其他各种尺寸的滑架适合于准备放在平台甲板上较小较轻的设备。
图4—2甲板结构剖视图
模块设计成能支撑其最大的固定和可变重量的组合。
最大的模块起吊重量不应超过317t，然而454t的模块起吊重量也不罕见。
图4-4 平台模块示意图
对于最小的自升式钻井平台，模块尺寸必须与钻井装置组块的尺寸和布置想配合。
某些方案对组装钻井装置部件是适用的，见图4—4。
图4—3 甲板设备组块的模块尺寸（图中’表示英尺）
图4—5 诺布尔钻井公司27号钻井装置的正面图（'表示英尺，"表示英寸）甲板模块可以在任一邻近水域的远距离建造场地的地方建造，并由驳船运送到近海处。
设计中主要包括确定为上驳用的滑梁和合适的宽度、吊环位置的设计和驳船海上运输期间适当的连接撑杆。
（二）下水与海上安装
自升式平台与半潜式平台都有类似船体的下部浮体，对下水进行必须的安全计算，可以采用类似船舶下水的方法，用滑道或船坞下水。
本节着重介绍导管架平台的下水和海上安装。
导管架在岸上制造完毕后，一般采用运输驳船将其运至海上施工现场，然后下水，扶正定位，打桩，并最后安装上部甲板结构，此时整个导管架才算建造完毕。
1、上驳与系紧
将完工的导管架用滑道从总装场地移到码头的下水驳上成为上驳。
为防止导管架在上驳过程中产生不容许的应力集中和变形，要考虑陆上和船上的滑道保持同一高度。
驳船的纵倾要保持在最小限度，其载荷分布与驳船压载情况要用计算机事先计算。
导管架上驳后，在导管架与驳船之间要焊接拉筋。
焊接点要位于舱壁上方或其它有足够刚性构件的部位。
从上驳地点到还上安装工地往往要经过长途拖
航。
拖航过程中由于驳船重心升高，使其稳性恶化，过大的风浪还会使驳船产生剧烈的摇摆，在导管架和拉筋上产生很大的应力，因此在拖航过程中要严格监测驳船的运动情况和应变情况。
导管架在下水上驳的情况如图4—6所示。
图4—6 下水驳的工作过程
2、下水和海上安装
导管架的下水方式有以下几种：
（1）浮吊下水。
将导管架从下水驳上用浮吊吊起下水。
（2）下水驳整体下水。
当下水驳到达海上安装地点后，拆除拉筋，向驳船舱内注水，使驳船产生一定的纵倾，使导管架沿着滑道下滑，当导管架重心通过摇臂轴后迅速旋转入水，如图5所示。
对于中小型导管架平台可以一次在陆上总装成功。
对于大型导管架平台，如水深在150m以下的平台，可以分散下水，在海上合拢。
导管架安装、定位、经过打桩固定于海底以后，接着进行甲板结构吊装。
甲板结构安装完毕即可进行模块吊装。
第三节 BH108施工实例
（一）施工装备及机具
1、动用船舶：
浮吊：BH108
驳船：BH307（平台，隔水套管），重任503（桩）
拖轮：BH283
其他：辅助工作小船，BH207(辅助抛锚及运输货物)
2、准备工作：
切割导管架与驳船支座的连接，从中间切断六根斜撑（截至最后离开，斜撑也没有完全切除）。
把定位GPS装置吊到导管架顶层甲板上。
起吊：由三根拖拉绳协助控制导管架在空中的位置
定位：在防沉板放到海底之前，工作人员登上平台进行最后的精确定位
图4—7 BH108吊装方案2of4
（二）打桩施工及安全
1、概况：一共三根桩，不分段。
每根长52.85米，直径1066mm。
打入泥面以下45米。
采用IHC S-500打桩锤，外接桩替打
2、准备工作：
切割桩的固定装置，在桩替打和打桩锤外面画上刻度。
吊桩：采用IHC的起桩器
插桩：由潜水员进行辅助定位插桩。
每根桩从起吊到插入套筒需要1小时左右。
第一次打桩完毕，潜水员下水观察确定是否打到了预定位置。
基本上打一根桩需要45分钟左右。
使用加速度传感器实时测量打桩在平台上产生的最大加速度值。
分别为：第一次打桩时水平0.1g，垂直0.2g，第二次打桩时水平0.15g，垂直0.3g。
从目测看，打桩过程平台上部结构振动较大，有滑轮等振落海里。
（三）调平
二次打桩结束后，导管架倾斜度为2.5％，按照预先的方案，需要进行调平。
测平原理：利用连通器原理
调平方式：提拉低点
（需要潜水员进行水下辅助作业）
（四）灌浆
原计划在甲板顶部进行灌浆，现在为了施工方便，在登平台梯子附近把原灌浆管线切断，从外部进行灌浆。
图4—8 平台调平作业3of 3
（五）打隔水套管
概述：分三段，分别长42.3m，21m，21.5m。
打入泥面以下55m。
采用IHC S-90打桩锤，无替打。
打隔水套管在灌浆结束后12小时进行。
准备工作：切割固定装置
起吊：采用吊耳形式。
第一段隔水套管吊耳在顶部，第二、第三段吊耳均在底部。
振动情况：从加速度传感器上看比打桩的时候振动要小
施工时间：每段从起吊到焊接完毕并且磁粉探伤检验完毕需要1小时左右。
由于开始的土层比较松软，打第二段隔水套管需要时间较短，打第三段时候每根需要1小时左右。
