[发明专利]大型水上浮式结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种水上浮式结构，特别涉及海洋工程中的一种新的大型水上浮式结构。

背景技术

所谓大型水上浮式结构，是指比常规的水上浮式结构的尺寸更大，以提供大面积作业空间为主要功能的水上浮式结构。如海上人造浮岛、浮动机场等。大型水上浮式结构首先需要解决的问题是常规箱形浮体随着结构主尺度的增大，会导致波浪引起的载荷(弯矩、剪力和扭矩)的急剧增大，以至于超过结构的极限强度。另外，现有的船舶或浮式结构随着浮体尺度的增大，所搭载的物品及人员大幅度增加，由各类安全事故所产生的后果也愈发难以承受。人们期望通过探索和研究，找到一种可实现浮式结构超大型化的新的结构形式，能够实现在作业环境下，浮式结构具备高稳定性，可在水上提供类似陆地的作业环境，为陆地技术装备以及作业方式在水上应用提供便利条件；同时，在风暴、碰撞、触礁以及搁浅等极端条件下，也能提供比目前水上浮式结构更为安全(包括浮式结构自身安全以及其上人员的生命安全)的技术解决方案。

在现有技术中，能够在海洋环境中稳定，在风暴中生存的大型水上浮式结构之一是大型船舶。它采用普通的大水线面结构，适用于载重航行。船舶结构受力分析可以类比为箱型梁放在弹性地基上，随着船舶纵横向尺度(即总体积)的增大，波浪载荷的增大会大于船舶结构抵抗载荷能力的增大，所以现有船型的尺度大型化开发有极限，《钢质海船入级规范》对于船舶载荷校核的尺度范围最高一档为350米<长度L<500米。

另外，现有大型水上浮式结构还有半潜式平台，是典型的小水线面浮式结构。如美国人关于海上浮动基地在中国的发明专利，公开号CN1269759A。其将常用的海上石油半潜式平台结构形式大型化。由于半潜式结构的下浮体位于距静水面一定深度以下的水中，以立柱浮体(因小水线面浮体的垂荡固有周期大于海洋波浪的谱峰周期，避开了谐振，所以，使其具有较好耐波性)向上伸出与作业面联接，其作业面位于超过适用水域最大波高的高度上，因而使平台从浮体到作业面的整个结构高度很大，庞大而笨重，建造和使用成本很高，同时，其吃水很深，不适宜于在深度较浅的水域使用。另外，由于小水线面浮态稳定的原理决定其吃水、运动和浮态对载荷的变化非常敏感，所以必须配置复杂的压载装置以及相应的控制系统，而该系统的完整性及正常运行与否对平台的安全性有致命的影响。这种结构用于中小型平台，在高产出的石油行业中有经济上的可行性；而用于尺度大于130米的大型浮式结构，则在经济上很难做到效费比的合理性，至今没有付诸实施。此外，半潜式平台下浮体浮出水面时其重心很高，不具备高海况下的稳性要求，仅适用于小海况下的移航作业。

压载舱对于上述船舶和浮式海洋平台是不可或缺的，该系统的作用是：根据大型浮式结构装载的工况，对大型浮式结构相关压载舱进行注入或排出压载水，以达到下述目的：调整大型浮式结构的吃水深度和浮态，以及安全的稳心高度；修正不均衡装载的应力分布，以免引起过大的弯曲力矩与剪切力；改善适航性。随着大型浮式结构的种类、用途和吨位的不同，压载水舱在大型浮式结构上的位置、大小和数量也不同。货船的压载水量一般占船舶载货量的50％～70％；油船的货油舱可兼作压载水舱，有的还设专用压载舱，压载水量占货油量的40％～60％；半潜式平台压载舱容量更大，数倍于最大可变载荷。另外，所有大型船舶和海洋平台的稳心高(GM值)很小，空载和满载之间的吃水变化非常大，空载时吃水很浅，重心很高，稳性很难满足规范要求，必须通过大量的压载水进行压载才行。压载水舱绝不可能采用填充的实芯舱室。现有各类船舶和浮式结构平台的安全性之所以都是有限的(包括结构安全与人员生命安全)，就是因为它们的浮力是由空舱提供的，满载时，压载舱一旦意外破损，就存在倾覆和沉没的风险。

目前，船舶和海洋平台的相关规范的稳性校核包括完整稳性校核和破损稳性校核，并且，仅单独校核最大横向风倾力矩的作用，并不考核风、浪或其它因素的合成作用，尽管这种情况出现的概率并不小。因为常规浮式结构的最大抗倾覆能力是很有限的，如果波型相对于船体固定不变(如尾随浪时)，船体会出现静不稳定状态，引发倾覆的危险。另外，在极端条件下，比如碰撞、触礁、搁浅、货物大量移位时，结构会出现局部破舱、浮力损失、整体结构应力场变化和浮态改变；上述改变将导致进水加剧，从而使得浮式结构整体产生更严重的进水、应力变化和更加恶劣的浮态；上述过程持续循环，最终将导致浮式结构整体倾覆、断裂、解体以至沉没。现有安全规范一般也只能限定相邻两舱破损不倾覆，一旦出现更大的破损，翻沉的后果就很难避免了。