自升式平臺的濕拖航安全性

CCS海工技術中心 李 凌

國際海事組織（IMO）在其出版的《2009年海上移動式鉆井平臺構造和設備規則》(以下簡稱“MODU Code”)中新增了對自升式平臺破損殘余穩性的要求(3.4.1)，已于2012年1月1日生效。就在新版MODU Code生效前十幾天，俄羅斯在役的最大自升式鉆井平臺之一Kolskaya于2011年12月18日中午在從西勘察加半島前往庫頁島Zyryanskaya海灣濕拖過程中遭遇風暴，最終由于風浪打破舷窗導致平臺中部艙室進水沉沒。此次自升式平臺的傾覆沉沒事故再次引起世界范圍對自升式平臺破損穩性不足所導致的拖航安全問題的高度關注。本文將以IMO新增要求為中心，介紹其產生的背景、特點及影響。

新要求的背景

截止目前，在全球已發生的所有海洋工程裝置事故中，自升式平臺所占比例最高。在這些事故中，因平臺在濕拖過程中遭遇強風暴導致結構受損、艙室進水致使穩性不足最終傾覆沉沒的例子占據了較大比例，例如：1976年的Ocean Express、1977年的Ocean Master II、1979年的渤海2號、1983年的Key Biscayne、1988年的Rowan Gorilla I、1989年的Interocean II、1990年的West Gamma、1998年的Mr.Bice以及2011年的Kolskaya等。

通過對這些事故的調查研究，發現在自升式平臺濕拖過程中遭遇強風暴的傾覆事故幾乎有著相同的發展模式，從拖纜斷裂喪失航向控制能力，到主甲板水密完整性喪志、艙室進水最終傾覆。

自升式平臺傾覆事故發生的頻率之高，尤其是1988年至1990年連續三年共損失了三座平臺的慘痛教訓，促成了平臺拖航安全技術工作組（JSIT）于1991年成立。該工作組由英國衛生與安全管理局（UK HSE）、挪威海事局（NMD）、船級社、油公司、鉆井承包商、平臺業主、設計公司和船廠等組成。在1991年至1995年間，該工作組做了大量工作，主要包括對以往平臺在濕拖過程中發生傾覆事故的調查分析、對當時業界穩性規范標準的研究、及對自升式平臺適拖性及風險分析研究等。通過這些研究工作，工作組得到一些重要的結論，一是所有平臺在濕拖過程中遭遇風暴導致傾覆均是在破損狀態下發生的，而保持完整狀態的平臺無一傾覆；二是現行完整穩性的標準能使平臺很好地抵御強風暴而不致傾覆；三是利用定量風險分析方法確定了平臺在濕拖過程中的主要風險因素，提出了降低風險的具體方法，并指出導致設備和主體損壞的最大潛在危險因素是惡劣天氣。

1990年，UK HSE提出對平臺所有艙室的分艙制定相應要求是提高平臺濕拖安全性的有效方法?；赨K HSE提出的觀點，美國船級社開展了相關工作以制定出新的穩性標準，他們通過研究發現絕大多數規范標準只關注了因碰撞而導致的平臺外圍艙室破損的情況，卻忽視了導致平臺傾覆事故發生的實際直接原因。

統計資料顯示自升式平臺中部艙室進水才是導致平臺穩性急劇下降甚至最終傾覆的直接原因。為此，美國船級社邀請業界相關單位組成了一個委員會，旨在制定出新的規范標準以彌補因對分艙要求不足而導致的規范標準漏洞。委員會成員通過研究發現中部艙室的進水源并非舷側或底部，而是在主甲板以上，且進水艙室多為中間的操作性艙室而非液艙或空艙。

最終，以主要限制和指導自升式平臺中部艙室劃分為方向的新要求制定路線被確定下來。通過大量的研究、調查、計算、分析和實驗，自升式平臺新的破損穩性要求于2004年率先寫入美國船級社的移動鉆井平臺規范，隨后于2009年納入IMO MODU Code。目前，該要求已寫入中國船級社、挪威船級社等全球各主要船級社的移動平臺規范當中，且均已生效。

新要求的特點

中國船級社《海上移動平臺入級規范（2012）》（已于2012年7月1日正式生效）在對IMO新要求充分理解的基礎上進一步對其在表達形式上做了更為精煉的總結：

自升式平臺在經受任何單個艙室浸水后的剩余穩性應滿足下式要求，詳見圖1：公式中：

RoS——穩性范圍，度；

θm——穩性消失角，度；

θs——單個艙室浸水后的靜傾角，度。

其中，穩性范圍的確定與進水角無關。

圖1 新要求對應靜穩性曲線示意圖

新要求在形式上較簡單，但具有鮮明的特點，通過對這些特點的分析，可使我們更加深入地體會和理解新要求的內涵及自升式平臺穩性的特點。

新要求以對剩余穩性最小要求的形式來對平臺艙室劃分提出了要求從而使平臺在艙室進水后仍能有足夠的穩性來抵抗傾覆。為何要以剩余穩性的形式來做要求而非其他形式？除了剩余穩性還有可以通過對其他因素提出要求來保證平臺進水后的穩性，比如：艙室大小、剩余浮力、進水后的初穩性高度等。

原因是這些因素都各自有弊端，單純地對平臺艙室的大小或儲備浮力加以限制或要求而不考慮艙室的位置是不科學的，因為可導致平臺傾覆的進水艙室體積隨著其型心距離平臺主體中心越遠而越小；同時，對進水后的最小初穩性高度加以要求也不能保證平臺的安全，比如當平臺中部一個較大艙室進水，平臺主體表現出可無明顯地傾斜下沉至水面接近平臺干舷甲板的程度，由于平臺水線面并沒有降低而使得平臺的初穩性高度很大，但此時平臺極易受到風浪的影響而產生傾覆的危險。而對平臺剩余穩性加以要求則可以避免這些問題。

新要求中明確了不需要考慮風的影響，這是因為大量的模型試驗表明平臺傾覆通常朝向來波方向，風傾力矩和平臺最終傾覆聯系很小，不考慮風的影響還可大大簡化計算工作，使新要求更具操作性。

新要求中還明確了不需要考慮進水的影響，這是因為通過水密和風雨密開口進水的情況已經在完整穩性和已有在50節風速下的破損穩性要求中考慮周全，且進水角往往大于剩余穩性的限制。

值得注意的是，新要求雖然主要用穩性特性來限制平臺中部艙室的體積，但外圍艙室也應滿足新要求，這是為了避免一些設計中出現中部艙室的艙壁成為平臺船體外壁的一部分的情況。

業界充分認可了原有50節風速下的破損穩性要求對平臺主體外圍艙室的劃分要求，故新要求在對外圍艙室的要求方面不宜更加嚴格，這是一個基本原則，再通過分析對比大量模型試驗結果，對試驗的保守性和現役自升式平臺的使用情況等因素加以綜合考慮后，最終擬合出了新要求的最終數學表達式。

新要求的影響

新要求對自升式平臺的破損穩性主要產生了兩方面的影響：其一，合理、有效、簡便地加強了規范標準對自升式平臺中部艙室劃分的指導；其二，提高了對自升式平臺破損穩性的要求。

新要求對自升式平臺破損穩性要求的提高最直接的體現是在平臺的許用重心高度上，自升式平臺的許用重心高度是由完整狀態許用重心高度和破損狀態許用重心高度合并而成。下面將通過兩個實例來說明新要求對自升式平臺破損許用重心高度的影響。

在新要求生效后，平臺破損狀態許用重心高度同樣由兩部分合并而成，第一部分由原50節風速下的要求確定，第二部分由新要求確定。下兩圖分別顯示了我國建成不久的兩座三角形自升式鉆井平臺（簡稱J1和J2）的破損許用重心高度曲線，可以看出新要求比原50節風速破損要求所對應的平臺許用重心高度在全部設計吃水范圍內對于J1降低了2米左右，對于J2降低了2至6米。

圖2 J1破損穩性許用重心高度曲線

圖4和圖5分別顯示了J1和J2在新要求下確定許用重心高度的艙室（陰影部分）所在位置示意圖，這兩個大艙均為中部機械艙室，有此可見新要求對自升式平臺中部艙室的劃分起到了很大的影響。如果能更加合理地減小這兩個艙室的體積，則其對應平臺的破損穩性許用重心高度將會有所提升，即在平臺實際重心高度不變的前提下，將提高平臺的抗傾覆能力。

圖3 J2破損穩性許用重心高度曲線

圖4 J1基于新要求的破損狀態許用重心高度決定艙室

圖5 J2基于新要求的破損狀態許用重心高度的決定艙室

IMO對自升式平臺破損穩性的新標準以簡單的形式和便于使用操作的特點，合理、有效地加強了規范標準對自升式平臺中部艙室劃分的指導，也必將對今后自升式平臺的設計發展產生較大的影響。