坐底式平臺沉浮穩性研究

李亞軍， 張文旭

(中國艦船研究設計中心， 湖北 武漢 430064)

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坐底式平臺沉浮穩性研究

李亞軍， 張文旭

(中國艦船研究設計中心， 湖北 武漢 430064)

摘要運用SESAM軟件對某坐底式平臺進行了沉浮穩性的校核，并且為平臺壓載坐底過程設計了均勻下沉和傾斜下沉兩種方案。經過對比分析后，推薦使用傾斜下沉作為該平臺的壓載坐底方案。

關鍵詞坐底式平臺沉浮穩性SESAM

0引言

坐底式平臺是在淺水區域作業的一種移動式平臺。坐底式平臺通常由上體、支柱和下體三部分組成，如圖1所示。上體又叫工作甲板，安置生活艙室和設備；下體是沉墊，其主要功能是壓載以及海底支撐作用，并提供移動時所需的浮力。甲板和沉墊間由立柱相連。平臺在作業時，往沉墊內注入壓載水，使其著底，但此時上體仍高出于水面。在完成作業后，則排出壓載水，使下體上浮，再進行移位。坐底式平臺具有構造比較簡單，投資較少，建造周期較短等優點，適用于河流和海灣等30 m以下的淺水域以及海床平坦的淺海區域的油氣勘探開發作業[1-3]。根據中國船級社頒發的《海上移動平臺入級規范》2012版規定：平臺的沉浮穩性是指平臺通過壓、卸載而引起的自身浮態的變化，以平穩而又有控制的由漂浮狀態過渡到坐底狀態，或由坐底狀態過渡到漂浮狀態的能力。對坐底式平臺和要求進行坐底作業的柱穩式平臺應校核沉浮穩性。

本文首先對坐底式平臺的沉浮方案進行設計，然后應用SESAM軟件建立坐底式平臺模型，并針對平臺的沉浮穩性進行計算，最后依據相應規范的規定進行沉浮穩性校核分析。

圖1　坐底式平臺

1環境條件及計算模型

1.1海洋環境條件

本文所針對的坐底式平臺在各工況下的海洋環境條件如表1所示。

1.2土壤參數

由于本項目所針對的平臺作業位置土壤參數不詳，在平臺的坐底穩性計算時采用了較為保守的方式，選用了土壤表層的粉質粘土，并把沉墊的入泥深度設為4 m。粉質粘土的水下容重為18.7 kN/m3，剪切強度22 kPa，摩擦角21.6°。

1.3計算模型

平臺在空載情況下的質量控制如表2所示。

本項目中采用SESAM軟件對坐底式平臺的沉浮穩性進行計算。坐底式平臺的實體建模部分由GeniE模塊完成，穩性計算部分則由HydroD模塊完成。平臺的計算模型如圖2所示。

“這次一共有十一位本派新生，你們有九個，”瑞克繼續說，“第一關結束時會有四人被淘汰，其余的六人在終極考驗時出局。”

表1　各工況下海洋環境條件

表2　平臺在空載情況下的質量控制表

圖2　平臺的計算模型

2壓載方案及計算工況

根據CCS頒發的規范《海上移動平臺入級規范》(2012)，平臺可采取兩種不同的沉浮方式。第一種是在整個沉浮過程中，平臺沒有或僅出現微不足道可忽略不計的傾斜，這種沉浮方式稱為均勻沉浮。第二種方式是在沉浮過程中，人為地使平臺縱傾，故而在下沉時平臺一端先接觸地面，然后另一端再以接地端為支點慢慢下降直至平臺坐底；反之，在起浮時也是先讓一端繞著另一端轉動，再讓著地端抬起，然后調平平臺。因為這種沉、浮方式使平臺有明顯的縱傾，所以叫作傾斜沉浮。本文將針對坐底式平臺的下沉和起浮過程制定不同的壓載和卸載方案，并對其中每一過程中平臺的沉浮穩性進行計算和校核。

2.1均勻下沉

均勻下沉過程首先起始于平臺由拖航工況吃水壓載至沉墊完全入水，然后平臺逐漸均勻下沉，最終壓載至沉墊完全入泥，達到正常作業工況要求。根據平臺不同的吃水設定不同的沉浮穩性計算工況，計算工況編號及說明如表3所示。對于表3中平臺艏與艉的設定，如圖3所示，下文提到的平臺艏艉均與此設定相同。

圖3　坐底式平臺艏艉設定

表3　均勻下沉過程中沉浮穩性計算工況

根據以上工況來設定不同的壓載情況。在平臺的均勻下沉過程中，通過調節沉墊中各液艙的注入量(即滿艙系數)來實現所要求的吃水和平衡[4]。不同吃水和平衡狀態下各液艙的滿艙系數可以通過軟件計算得到。

2.2傾斜下沉

傾斜下沉過程首先起始于平臺由拖航工況吃水壓載至沉墊完全入水(傾斜下沉1、2工況)，然后調節壓載使平臺不斷下沉，同時控制平臺發生縱傾，直至艉端沉墊與海底接觸(傾斜下沉3～8工況)，之后艏端再以艉端沉墊處為支點慢慢下降，平臺姿態不斷調整直至平臺坐底，最終壓載至沉墊完全入泥，達到正常作業工況要求(傾斜下沉9～13工況)。由于平臺艏端設有直升機甲板，其面積較大且不可入水，因此在傾斜下沉過程中設定平臺艉端沉墊先接觸海底。根據傾斜下沉過程中的不同階段確定適當的吃水和傾斜角度，并以此來設定傾斜下沉過程中的沉浮穩性計算工況，如表4所示。

2.3均勻起浮

均勻起浮過程首先起始于平臺由正常作業工況卸載至沉墊完全出泥，然后平臺逐漸均勻起浮，最終達到拖航工況吃水。設計均勻起浮為均勻下沉的逆過程。

2.4傾斜起浮

傾斜起浮過程首先起始于平臺由正常作業工況卸載至沉墊完全出泥，然后調節壓載使平臺的艏端以艉端為支點慢慢起浮，再使艉端慢慢抬起，調平平臺，最終達到拖航工況吃水。設計傾斜起浮為傾斜下沉的逆過程。

3穩性校核準則

根據CCS頒布的《海上移動平臺入級規范》(2012)、《DNV-OS-C301_Stability and Watertight Integrity》等規范[5-7]，本項目中對于坐底式平臺的沉浮穩性采取以下校核準則：

(1) 在整個下沉過程中，經自由液面修正后的初穩性高，對均勻沉浮應不小于0.15 m，對傾斜沉浮應不小于0.05 m；

(2) 如滿足(1)的要求，則可同意采用下沉時壓載程序的逆程序作為平臺起浮時的卸載程序；

(3) 沉浮穩性計算中的計算水深應計入平臺陷入海床的深度。

此外，在平臺的傾斜下沉或起浮過程中，平臺應具有足夠的浮力和穩性，具體要求如圖4所示：

(1) 平臺的靜傾角應不大于25°；

(2) 平臺的復原力矩在靜傾角與進水角或穩性消失角(取較小者)之間至少存在7°的正值范圍。

4平臺沉浮穩性分析

4.1均勻下沉

坐底式平臺在均勻下沉過程中的沉浮穩性校核結果如表5所示。由于均勻下沉工況13為正常作業工況，沉墊已經完全入泥，故不校核其沉浮穩性。通過表5可以看出，在均勻下沉所有工況下，平臺的沉浮穩性均符合規范要求。其中，最危險工況為均勻下沉7，即平臺均勻下沉至吃水9 m時，此時平臺的初穩性高為1.491 m。

4.2傾斜下沉

坐底式平臺在傾斜下沉過程中的沉浮穩性校核結果如表6所示。通過表6可以看出，在傾斜下沉所有工況下，平臺的沉浮穩性均符合規范要求。其中，最危險工況為傾斜下沉12，即平臺平均吃水為15 m，靜傾角為0°時，此時平臺的初穩性高為1.791 m。復原力矩曲線如圖5所示。

表6　傾斜下沉過程的沉浮穩性校核結果

圖5　復原力矩曲線

4.3兩種方案對比

現將均勻沉浮壓載方案與傾斜沉浮壓載方案中平臺的初穩性高進行對比，以平臺平均吃水為橫坐標，各個工況下的初穩性高為縱坐標，將兩種方案的十二種工況進行比較，如圖6所示。可以看出，均勻下沉方案中，隨著平臺吃水不斷增加，從3.2 m～4.0 m，平臺初穩性高快速下降，這時主要是沉墊入水過程。由于沉墊橫截面很大，故而平臺穩性喪失較快。在之后的工況中，主要是平臺立柱浸沒過程，在這期間水線面為立柱的橫截面且面積不大，故初穩性高緩慢下降。最后平臺完全坐底。在傾斜下沉方案中，沉墊入水，平臺開始壓載并出現縱傾后，初穩性高曲線呈緩慢增長的趨勢。至艉部沉墊與海底接觸后，隨著平臺姿態的調整，初穩性高緩慢下降，直至平臺完全坐底。

通過對比可以發現，傾斜下沉時平臺的初穩性高始終大于均勻下沉時平臺的初穩性高。并且均勻下沉時，在平臺沉墊入水后，該平臺的穩性始終處于一個較低的水平。傾斜下沉方案對于平臺的穩性更有保障。因此，推薦選擇傾斜沉浮壓載方案作為平臺最終的壓載方案。但是傾斜下沉方案中平臺將經歷三個不同的下沉階段，包括剛開始的均勻下沉、緊接著的傾斜下沉以及最后的著底調平。整個過程中對于壓載的布置、平臺姿態的監測與控制、現場的調度、人員的操作等方面提出了較高要求，在實際作業中需要加以注意。

圖6　兩種下沉方案的初穩性高比較

5結論

本文針對坐底式平臺的沉浮穩性進行了校核，結果表明平臺的設計可以滿足沉浮穩性的規范要求。同時對于坐底式平臺的下沉過程進行了分析，設計了均勻下沉和傾斜下沉兩種壓載方案。通過比較，傾斜下沉方案在平臺穩性方面要優于均勻下沉方案。因此最終推薦傾斜下沉方案作為平臺最終的壓載方案，其逆過程作為平臺上浮的方案。

參考文獻

[1]潘斌,胡鐵牛,苑金民. 坐底式平臺沉浮穩性[J]. 中國海洋平臺,1996(5):28-30.

[2]梁永超. 淺海坐底式平臺設計中影響平臺起浮的幾個問題[J]. 中國海洋平臺, 2003(1):42-43.

[3]田海慶. 淺海水域坐底式平臺安全定位措施與監測技術[J]. 中國海洋平臺, 2007(4):37-38.

[4]盛振邦.船舶靜力學[M].北京：國防工業出版社, 1984.

[5]中國船級社.海上移動平臺入級規范[S]. 北京：人民交通出版社，2012.

[6]IMO A649(16)．Code for the Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units[S]．1989．

[7]DN-OS-C301．Stability and Watertight Integrity[S]．2010．

作者簡介：李亞軍(1984-)，男，博士，工程師，從事海洋結構設計研究。

中圖分類號P75

文獻標志碼A

Research on Sinking and Floating Stability of Bottom Supported Platform

LI Ya-jun, ZHANG Wen-xu

(China Ship Research & Design Center, Wuhan Hubei 430064, China)

AbstractThe sinkng and floating stability of a bottom supported platform is checked with the use of SESAM. Equable sinking scheme and inclined sinking scheme are designed for the sinking and sitting on the seabed of the platform. After comparision and analysis, inclined sinking scheme is recommended for the sinking and sitting on the seabed of the platform.

KeywordsBottom supported platformSinking and floating stabilitySESAM