文章从平台的主船体、桩腿桩靴、直升机平台等方面介绍了平台结构设计的具体优化措施。
1 概述
1.1 平台概况
NPCC自升式居住平台建成后将被用于阿拉伯湾海域作业，用于对油气田的维护及人员居住。平台主要由1个主船体、4个三角形桁架式桩腿及带锥尖桩靴、4套电动齿轮抬升系统、1个生活楼及1个直升机平台组成。主甲板上配备2台起重机，主起重机起重能力200t，辅起重机起重能力30t。平台能容纳217人居住，配备足够的燃油、水、电力、食物等供工作人员使用21天。平台作业水深为40m，最低设计温度为-10℃，设计使用寿命20年。平台侧视图和俯视图如图1和图2所示：
1.2 主要参数
1.3 船级、规范、规则及挂旗
平台入籍ABS船级社，根据ABS MODU规范2014版及最新的IMO等国际规则进行设计，建造满足ABS验船师的检验。
船籍符号： A1 Self-Elevating Unit，Accommodation Service，Arabian Gulf Service
挂旗：United Arab Emirates
2 平台结构优化设计
2.1 主船体结构优化
2.1.1 主结构开孔优化布置。该居住平台的主结构存在大量通风、管系和电缆开孔。原设计中部分焊缝布置与这些开孔重叠，如图3所示，组成尾部围井区结构外壁的FR15横舱壁上刚好有一条水平焊缝穿过通风管开孔。这种设计在开孔和焊缝交接处容易产生缺陷。而主结构是平台主要受力结构，应力较高，失效后果严重，且开孔（尤其是矩形开孔）附近存在明显的应力集中现象，一旦焊缝产生缺陷，裂纹就容易扩展，对结构非常不利。因此在设计过程中，着重考虑了焊缝和开孔的干涉问题，对焊缝布置进行了优化，让其避开开孔，如图4所示。
2.1.2 减少对结构不利的开孔。在围井区域布置有较多的小的舱室，按照ABS MODU规范需开设600×800的人孔，由于骨材间距是500mm，这样就会造成骨材间断破坏结构连续性，而这些舱室在平台实际使用中一般是不会进去的，因此将这些开孔设置为400×600的临时孔，建造完成后用钢板将其封闭，并让船东对船级社提出豁免申请，这样就避免了大量开孔而破坏结构连续性，也给施工带来了便利，如图5所示：
2.1.3 通过增加肘板来满足构件的剖面模数。在图6所示的水密横舱壁中，按照ABS MODU规范，门开孔上方的骨材需要的剖面模数如下：
SM=Qfchsl2=91.7cm3
式中：Q=0.72，材料系数；f=7.8，系数；c=0.56，端部约束系数；h=3.11，压头；s=1.5，支撑宽度；l=2.5，跨距。
原来的图纸中，此骨材使用的球扁钢为HP160×8，它的剖面模数为116.6cm3，而HP140×8的剖面模数为86cm3，可见相差的剖面模数并不多，而由公式可见需要的剖面模数与跨距l的平方成正比，通过减少跨距l能明显的减少需要的剖面模数，因此在跨距一端增加一块臂长250mm的肘板，跨距l可取为l=2.5-0.125=2.375。更新后需要的剖面模数为83cm3，所以可以直接用HP140×8的球扁钢就能满足要求，而不用加大尺寸，节省了结构重量。
2.2 直升机平台结构优化
直升机平台桁架结构中使用到较多的节点板，母型船中的节点板设计如图7所示，参考DNV-GL规范RP-C203_FATIGUE DESIGN OF OFFSHORE STEEL STRUCTURES，节点板在管子插入处增加内圆弧和外圆弧，如图8所示。在受力方面，撑杆的力可以平滑地传递到节点板中，在重量控制方面，这样可以减少结构的重量。
2.3 桩腿桩靴结构优化
2.3.1 使用超高强度钢代替高强度钢。如图9所示，在桩腿斜撑管中使用690MPa的超高强度钢（各参数如表1所示），让一个平台的桩腿节省重量约30吨，减少材料成本的同时也有利于重量控制。另外，由于优化后截面尺寸减小，原来使用的搭接管节点也可以做成简单管节点，这样对焊接施工和结构的疲劳性能都是有利的。
2.3.2 Z向钢的使用。桩靴结构中，3块内壁板在桩靴中心相交，此处使用了一根直径150mm的圆钢（图10所示的为一个立面，中心处阴影部分为圆钢）。考虑到平台在插桩和拔桩时，圆钢会受到径向拉应力，参照DNV-GL规范OS-E101_DRILLING PLANT：“Plates that transfer significant loads in the thickness direction（Z-direction）shall be guaranteed with through thickness ductility in order to reduce the probability of lamellar tearing. The minimum reduction of area，Zz，shall not be less than 25%.”设计图纸中增加此圆钢的Z向性能要求（机械性能如表2所示）。这样提高了圆钢的抗层状撕裂的性能，保证了桩靴的结构可靠度。
3 结语
文章从自升式居住平台的主船体、直升机平台、桩腿桩靴等方面阐述了其结构设计的部分优化措施，通过这些优化，平台结构的可靠性得到提高，建造中施工更为方便，建造成本得以适当降低，重量控制得到优化，这些措施也可供工程师在自升式平台设计中参考。该平台即将交付船东，目前船检和船东已对振华重工在海洋平台方面的设计和建造能力给予了高度评价，它也将进一步提升公司在发展海洋装备方面的优势。
参考文献
[1] AMERICAN BUREAU OF SHIPPING.RULES FOR
BUILDING AND CLASSING MOBILE OFFSHORE
DRILLING UNITS[S].2014.
[2] DNV-GL.RP-C203_FATIGUE DESIGN OF
OFFSHORE STEEL STRUCTURES[S].2012.
[3] DNV-GL.OS-E101_DRILLING PLANT[S].2009.
[4] API SPEC 5L.SPECIFICATION FOR LINE PIPES[S].
2012.
[5] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册：结构分册
[M].北京：国防工业出版社，1998.
作者简介：王玮（1982-），男，上海振华重工（集团）股份有限公司工程师，研究方向：船舶与海洋平台结构设计。
