柱穩(wěn)式半潛鉆井平臺穩(wěn)性分析

高 嵩

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺 264000）

柱穩(wěn)式半潛鉆井平臺穩(wěn)性分析

高 嵩

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺 264000）

對一艘雙鉆塔半潛式鉆井平臺進(jìn)行穩(wěn)性分析，建立三維計(jì)算模型，根據(jù)平臺布置進(jìn)行風(fēng)載計(jì)算和選取進(jìn)水點(diǎn)，分別對平臺的各作業(yè)吃水進(jìn)行完整及破損穩(wěn)性分析獲取平臺的極限重心高度曲線，對比設(shè)計(jì)作業(yè)工況證實(shí)平臺的穩(wěn)性滿足要求。

柱穩(wěn)式半潛式平臺；風(fēng)傾力矩；極限重心高度曲線

0 引言

由于半潛式平臺能適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境且具有良好的運(yùn)動(dòng)性能等特性，用于海洋石油鉆探開發(fā)用的半潛鉆井平臺項(xiàng)目與日俱增，半潛式平臺在構(gòu)造特征及性能方面與普通船舶相比有相當(dāng)大的差別，穩(wěn)性的具體計(jì)算過程也有較大不同。本文以在建的超深水雙鉆塔半潛式平臺為實(shí)例，根據(jù)該平臺的主尺度和布置對該平臺的各作業(yè)吃水進(jìn)行完整及破損穩(wěn)性分析，獲取該平臺的極限重心高度曲線，對比該平臺設(shè)計(jì)作業(yè)工況證實(shí)該平臺的穩(wěn)性滿足要求。

1 計(jì)算模型及工況介紹

該平臺為柱穩(wěn)式半潛平臺，整個(gè)平臺左右前后對稱，原點(diǎn)位于平臺中心，表1為平臺主尺度參數(shù)，圖1為GHS軟件中建立的計(jì)算模型。

表1 平臺主尺度參數(shù)

圖1 GHS 計(jì)算模型

半潛式平臺的作業(yè)模式通常分為以下四種：

1）正常作業(yè)工況。指平臺在作業(yè)點(diǎn)上作業(yè)或進(jìn)行其他操作時(shí)承受與作業(yè)相適應(yīng)的設(shè)計(jì)限度內(nèi)的組合環(huán)境載荷和作業(yè)載荷的狀態(tài)。

2）自存工況。指平臺曾受最嚴(yán)重的設(shè)計(jì)環(huán)境載荷時(shí)停止作業(yè)或其他操作，從而把抗環(huán)境能力提高到最大的狀態(tài)。

3）遷移工況。指平臺從一個(gè)地區(qū)遷移到另一個(gè)地區(qū)時(shí)的狀態(tài)。

4）臨時(shí)工況。指平臺在以上三個(gè)工況之間轉(zhuǎn)移的中間狀態(tài)。

本文對正常作業(yè)工況和遷移工況分別進(jìn)行了完整和破損穩(wěn)性分析，對于自存及臨時(shí)工況僅進(jìn)行完整穩(wěn)性分析。

2 風(fēng)傾力矩計(jì)算

平臺的風(fēng)傾力矩的計(jì)算遠(yuǎn)比普通船舶復(fù)雜，由于半潛平臺的外形通常呈方形，所以在進(jìn)行穩(wěn)性校核的時(shí)候不能像常規(guī)船舶一樣只考慮橫向的穩(wěn)性，而是需要考慮任意方向的，故對來自任何方向作用于平臺的風(fēng)力均應(yīng)分別計(jì)算。在計(jì)算前需要計(jì)算出各吃水下不同軸向及各不同橫傾狀態(tài)下的各計(jì)算風(fēng)速時(shí)的風(fēng)傾力矩，另外由于平臺的甲板較寬，甲板下方又有空氣間隙，故在平臺傾斜后必須計(jì)及甲板的受風(fēng)面積，同時(shí)應(yīng)考慮甲板受風(fēng)時(shí)的升力效應(yīng)以及一定的結(jié)構(gòu)物的遮蔽效應(yīng)等。平臺的風(fēng)傾力矩隨傾角而變，因此需要計(jì)算各傾角下的風(fēng)傾力矩，以便得到風(fēng)傾力矩曲線，在分析過程中選取最小計(jì)算風(fēng)速為：

拖航及正常作業(yè)工況：36m/s（70kn）；

自存工況：51.5m/s（100kn）；

破損穩(wěn)性時(shí)考慮的風(fēng)速：25.8m/s（50kn）。

作用于構(gòu)件上的風(fēng)力應(yīng)式（1）計(jì)算：

式中，V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；P為空氣密度（1.222kg/m3）；A為平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2；Ch為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs為受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)。

作用在平臺上的風(fēng)傾力矩由式（2）確定：

式中，Z為計(jì)算風(fēng)力作用力臂，應(yīng)取受風(fēng)面積壓力中心至平臺水下部分側(cè)向阻力中心間的垂直距離。本平臺為動(dòng)力定位平臺，力臂需取至平臺水下推進(jìn)器中心垂直距離。由于篇幅限制，此處表2僅列出根據(jù)上述方法計(jì)算得出的該平臺在正常操作工況時(shí)平臺在各方向下正浮及橫傾狀態(tài)下的 70kn和50kn時(shí)的風(fēng)傾力矩。

表2 正常操作工況下風(fēng)傾力矩

3 進(jìn)水點(diǎn)選取

平臺上開口有很多種，為了保證不因開口進(jìn)水從而引起平臺傾覆，通常開口都需要布置到一定的高度，對穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果有影響的有兩類：風(fēng)雨密的開口和無保護(hù)的開口，通常為空氣管、通風(fēng)的進(jìn)出口、舷窗、門等等。由于平臺上開口眾多，通常僅選取最危險(xiǎn)位置的開口來校核，本計(jì)算中按布置選取了位于甲板盒右舷和尾部外板上的通風(fēng)孔作為無保護(hù)的開口，選取舷側(cè)位置的艙室透氣管作為風(fēng)雨密的開口來校核。

4 完整穩(wěn)性分析

完整穩(wěn)性分析即計(jì)算平臺各工況在完整的情況下滿足所有穩(wěn)性衡準(zhǔn)的極限重心高度，計(jì)算過程為分別計(jì)算各吃水對應(yīng)各軸向下的完整穩(wěn)性，取得各軸向滿足所有穩(wěn)性衡準(zhǔn)的極限重心高度，取其最小值為該工況下完整穩(wěn)性極限重心高度。

對于半潛平臺的穩(wěn)性衡準(zhǔn)目前各船級社對于平臺的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)大致統(tǒng)一，而船旗國則可能有高于船級社要求的規(guī)定。本平臺計(jì)算按船級社要求來分析，具體要求為復(fù)原力臂及傾覆力臂曲線至進(jìn)水角處的面積比應(yīng)大于1.3；其次，復(fù)原力矩從正浮到第二交點(diǎn)的角度范圍內(nèi)均應(yīng)為正值，在所有漂浮作業(yè)工況的整個(gè)吃水范圍內(nèi)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高需為正值，本平臺按最低0.3m計(jì)算。進(jìn)行平臺的穩(wěn)性校核時(shí)，不同于常規(guī)船型，需要校核所有軸向的穩(wěn)性。表3為該平臺經(jīng)計(jì)算獲得的各工況下的完整穩(wěn)性極限重心高度及與之對應(yīng)的穩(wěn)性衡準(zhǔn)和計(jì)算時(shí)的最危險(xiǎn)軸向。

表3 各工況下的極限重心高度及對應(yīng)衡準(zhǔn)

5 破損穩(wěn)性分析

破損穩(wěn)性分析，即計(jì)算平臺在各工況下遭遇進(jìn)水時(shí)的穩(wěn)性，在進(jìn)行平臺的破損穩(wěn)性分析的時(shí)候，針對平臺的不同工況，分別有不同的破損及進(jìn)水要求，并分別有不同的穩(wěn)性衡準(zhǔn)，計(jì)算時(shí)需要針對不同工況選取相應(yīng)的破損及進(jìn)水情況，校核各種情況是否滿足相應(yīng)的穩(wěn)性要求。不同的檢驗(yàn)組織對半潛平臺破損穩(wěn)性的要求也不完全相同。本平臺分為兩種情況來分別考慮其正常作業(yè)及遷移工況時(shí)破損穩(wěn)性，不考慮臨時(shí)工況及自存工況的破損穩(wěn)性。

1）因碰撞引起的船體進(jìn)水。

（1）進(jìn)水后平臺最終平衡角度不超過17°；

（2）任何位于最終水線以下的開口必須水密，任何位于最終水線4m范圍內(nèi)的開口必須風(fēng)雨密；

（3）在以上進(jìn)水情況下，回復(fù)力臂曲線從第1交角至風(fēng)雨密范圍角或第2交角的范圍至少為7度，并且在此范圍內(nèi)，在某同一角度，回復(fù)力矩至少達(dá)到風(fēng)傾力矩的1倍。

2）因泄漏及操作原因引起的艙室進(jìn)水。

此種情況下僅考慮單一艙室進(jìn)水，并且該艙室為整體或部分位于水線以下，通常為泵艙，含有海水冷卻系統(tǒng)或其他海水管路的艙，或與海水相鄰的艙，在此類進(jìn)水情況下平臺需滿足以下穩(wěn)性要求：

（1）進(jìn)水后平臺最終傾斜角度不超過25°；

（2）任何位于最終水線以下的開口必須為水密；

（3）傾斜角度以后至少有7°的穩(wěn)性正值范圍。

平臺在每個(gè)工況下對應(yīng)的破損情況多達(dá)幾十種，需要計(jì)算每種工況針對每種破損情況的極限重心高度，取其最低值為該工況下滿足破損穩(wěn)性的極限重心高度。對于半潛式平臺，在遷移工況時(shí)，由于其水線在下浮體位置，水線面較大，此工況的穩(wěn)性通常較好，計(jì)算極限重心高度較高；在計(jì)算破損穩(wěn)性時(shí)，通常可直接用完整穩(wěn)性的極限重心高度來校核。本平臺在進(jìn)行遷移工況校核時(shí)即直接使用上一節(jié)中遷移工況對應(yīng)的極限重心高度，校核發(fā)現(xiàn)在該重心高度下平臺的破損均能滿足穩(wěn)性要求。

表4為本平臺在各作業(yè)工況下對應(yīng)的破損極限重心高度及相應(yīng)破損情況和穩(wěn)性衡準(zhǔn)。

表4 各吃水破損穩(wěn)性極限重心高度

6 極限重心高度曲線

平臺的穩(wěn)性分析最終需要得出的是極限重心高度曲線，即不同的吃水分別對應(yīng)不同的許用重心高度，這個(gè)曲線將用作平臺操作人員的指導(dǎo)。當(dāng)平臺在某一吃水狀態(tài)下，只要其整船重心低于該吃水的許用重心高度，其穩(wěn)性就能滿足要求，從而保證平臺的安全。

對于半潛式平臺，其最終極限重心高度曲線需要綜合考慮完整穩(wěn)性極限重心高度、破損穩(wěn)性極限重心高度和壓載及排載曲線。壓載曲線指平臺僅通過增加壓載將平臺吃水由遷移工況增加至自存工況；排載曲線指平臺僅通過排出壓載水將平臺從正常作業(yè)工況調(diào)整至自存工況。最終取各吃水的最低點(diǎn)為平臺的極限重心高度曲線。圖2為綜合本平臺完整及破損穩(wěn)性和壓載及排載曲線的極限重心高度曲線。由該圖可以看出，對于遷移吃水，其壓載曲線遠(yuǎn)低于完整和破損穩(wěn)性極限重心高度曲線，遷移工況的極限重心最終取決于對應(yīng)吃水時(shí)的壓載曲線。

圖2 極限重心高度曲線

7 典型裝載工況校核

在已知平臺各吃水的極限重心高度曲線后，僅需對比該吃水下平臺的實(shí)際裝載重心高度，如實(shí)際裝載重心高度低于對應(yīng)吃水的極限重心高度，則證明該狀態(tài)平臺的穩(wěn)性是滿足要求。表6為本平臺各典型工況下的裝載重心高度與極限重心高度對比結(jié)果，各工況下的裝載重心均低于對應(yīng)的極限重心高度，證明該平臺在該表所列裝載情況下的穩(wěn)性是滿足規(guī)范要求的。

表6 各典型裝載工況校核

8 結(jié)論

半潛式平臺的穩(wěn)性分析流程與普通船舶類似，但在具體的每項(xiàng)分析上又與普通船舶有一定的區(qū)別，本文以一座在建的半潛式平臺為對象，對其進(jìn)行分析，力求全面概括對此類平臺的穩(wěn)性分析流程，以供大家在進(jìn)行同類型平臺分析時(shí)作為參考。

［1］ DNV. Offshore Standard C301 Stability and Watertight Integrity［S］. 2012.

［2］ IMO. Code for construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units［S］. 2009.

［3］ ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］. 2012.

［4］ CCS. 海上移動(dòng)平臺入級與建造規(guī)范［S］. 2005.

Stability Analysis of Column Stabilized Semi-Submersible Unit

Gao Song
（Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd.， Shandong Yantai 264000， China）

The paper analyzes the stability of a column stabilized semi-submersible unit. The 3D computing model is established. According to the unit arrangement， the wind load computation is done and the inlet point is selected. The intact and damage stability analysis for different operation drafts of the unit is done to gain the AVCG curves of the unit， which is compared with the design operation condition. The result verifies that the stability of the unit meets the requirements of class regulations.

column stabilized semi-submersible unit； wind heeling moment； AVCG curves

P751

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.015

高嵩（1976—）男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程技術(shù)管理。