重力壓載在半潛式鉆井平臺中的應用分析

趙 翠，解祥龍，周程順

(1.滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129；2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

隨著海上油氣開發(fā)的不斷深入，半潛式鉆井平臺作為一種可重復使用的移動式鉆井裝置，具有投資小、抗風浪能力強、運動性能優(yōu)良、甲板空間和甲板可變載荷大、工作水深范圍適應性強等優(yōu)點，已成為深水海洋石油鉆探的主流裝置之一。目前半潛式鉆井平臺已經(jīng)發(fā)展到了第六代，作業(yè)水深達到3 000 m。其中平臺的沉浮作業(yè)與壓載調(diào)平要通過壓載系統(tǒng)來完成，它關(guān)系到平臺功能實現(xiàn)和平臺安全。壓載系統(tǒng)通過注水/排水來調(diào)整船舶吃水，適應各種裝載工況，保持適當?shù)呐潘?、吃水、縱傾和橫傾，保持一定的航行性能，是半潛式鉆井平臺最基本且最重要的系統(tǒng)之一。

壓載系統(tǒng)的配置通常由壓載泵、各壓載艙隔離閥、壓載主管以及壓載支管路組成。壓載工況下，壓載泵從平臺浮體海水箱吸入海水，經(jīng)海水濾器、壓載泵后，將海水輸送到壓載主管和支管，注入壓載艙；排載工況下，壓載水從壓載艙到壓載支管和主管路，經(jīng)過壓載泵后排出舷外，這是目前廣泛應用在平臺上的壓載系統(tǒng)。而除了上面介紹的傳統(tǒng)壓載方式，重力壓載[1]是一種節(jié)省電力損耗，降低船東運行成本的壓載方式。文章將著重分析重力壓載的特點，并以某平臺為例提供一種重力壓載注水時間的計算方法[2]。

1 重力壓載的原理

重力注水最早是在潛艇上應用的，潛艇利用內(nèi)外水壓的高度差進行注水。由于注水時間快，能夠迅速下潛，浮船塢采用這種注水方式，可大大縮短修船作業(yè)時間。

重力壓載的原理是根據(jù)壓載艙內(nèi)外水位的高度差，打開海底閥，使海水在重力的作用下通過壓載管系直接流進壓載艙內(nèi)，以實現(xiàn)壓載目的。壓載速度依賴于水壓，而水壓與平臺吃水有關(guān)，壓載艙內(nèi)外水位差越大，水壓越大，注入速度越快，注水時間越短。圖1為重力壓載原理示意圖，在初始進水時，由于壓載艙外部水位高于艙內(nèi)的水位，打開相關(guān)閥門后，海水依靠重力從壓載艙外流入壓載艙內(nèi)。隨著壓載艙內(nèi)水位的不斷升高以及鉆井平臺的不斷下潛，壓載艙內(nèi)外的水位差越來越小，最終達到內(nèi)外的平衡而結(jié)束重力壓載的過程。

圖1 重力壓載原理示意圖

2 重力壓載的特點

與常規(guī)選用大流量的壓載泵進行注水相比，重力壓載有以下特點。

1)在滿足各船級社規(guī)范的前提下，重力壓載不需要運行大功率的壓載泵，可節(jié)省電力負荷。

2)壓載艙靠壓載泵注水時，透氣管尺寸取注入管的1.25倍。而根據(jù)DNVGL-OS-D101-2015規(guī)范要求，壓載艙僅靠重力注水時，透氣管尺寸可取注入管的0.25倍。因此，重力壓載可以大大減小透氣管的尺寸，不僅減少了平臺固定載荷，而且節(jié)約了材料，節(jié)省了建造成本，減輕了全船重量。

3)利用重力注水，壓載艙不需要承受全部泵壓，減少了承載壓力。

4)當達到外面的水位或壓滿時，壓載自然停止，不需要連續(xù)監(jiān)控壓載過程，更不用擔心會損壞壓載艙的結(jié)構(gòu)強度。

5)重力壓載技術(shù)日趨成熟，在短時間內(nèi)能夠注入大量的壓載水，在大容量壓載水系統(tǒng)中的應用越來越多。

3 重力壓載時間的計算

3.1 計算方法

壓載水系統(tǒng)采用重力注水，根據(jù)動量定律，注水時間與壓載艙內(nèi)外水壓高度、管徑和流速密切相關(guān)，管道流量的計算公式為：

式中：qv為管道流量，m3/s；Δh為管道兩端的作用水頭差，Δh=平臺吃水(h1)-壓載艙水位(h2)，m；S為比阻，為無量綱數(shù)，指單位流量通過單位長度管道所需水頭，利用舍維列夫公式S=0.001 736/D5.3求解，D為壓載艙管內(nèi)徑；L為當量長度，m，指管路及其附件的當量長度，管路附件主要考慮通海閥、海水濾器、蝶閥、彎頭及三通。

在壓載過程中，由于船體吃水不斷變化，壓載水艙內(nèi)外水壓大小不斷變化，流速也在不斷變化，注水時間實際上是變量的累加過程，因此假定每10 s時間內(nèi)的流速不變，重力注水時間的計算步驟如下。

1)輸入初始吃水高度，此時壓載艙水位為0 m。

2)根據(jù)上式計算得到初始狀態(tài)的管道流量。

3)假設穩(wěn)定狀態(tài)時間為10 s，得到10 s內(nèi)的壓載水量。

4)根據(jù)每個壓載艙的壓載水量和艙容表，利用插值法計算得到10 s后壓載艙新的水位。

5)每個壓載艙10 s內(nèi)的壓載水量之和為平臺總的注入水量，根據(jù)平臺靜水力表，利用插值法計算得到10 s后平臺新的吃水高度。

6)再根據(jù)公式計算管道流量。

7)返回到步驟3，循環(huán)計算。

3.2 計算實例

某平臺為第六代深水半潛式鉆井平臺，可在1 500 m深海水域內(nèi)從事海上石油、天然氣的勘探開發(fā)作業(yè)。平臺主體為雙浮箱、四立柱、箱型結(jié)構(gòu)，浮箱高度為10.05 m，左右舷浮箱各布置13個壓載艙，呈對稱排列布置。該平臺除了滿足入級的船級社規(guī)范和國際海事組織(IMO)的規(guī)范要求外，同時需要滿足挪威海事局(NMD)的要求。NMD在對海洋設施的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性規(guī)定中，對半潛式鉆井平臺壓載系統(tǒng)的設計提出要求，通過改變吃水，使平臺實現(xiàn)從任何給定的工作吃水或拖航吃水狀態(tài)改變至風暴自存吃水狀態(tài)，壓載系統(tǒng)應有足夠的能力在3h內(nèi)完成相應的壓載水調(diào)整。

對于該半潛式鉆井平臺，根據(jù)平臺的穩(wěn)性分析報告，各工況吃水高度及相應排水量如表1所示。

表1 各工況吃水高度及相應排水量對照表

根據(jù)該半潛式鉆井平臺的操作手冊，從拖航工況吃水高度到自存工況吃水高度，壓載艙的壓載順序如下(ST為右舷，PT為左舷，數(shù)字為浮箱內(nèi)艙室編號)。第一階段：ST-6，PT-6，ST-13，PT-13；第二階段：ST-8，PT-8，ST-12，PT-12；第三階段：ST-3，PT-3，ST-16，PT-16；第四階段：ST-2，PT-2，ST-17，PT-17。

圖2為第一階段右舷壓載艙的重力壓載示意圖，左舷對稱布置。在壓載過程中，每個階段的4個壓載艙同時注水，每個壓載艙對應一個海水箱，海水以重力方式注入壓載艙。

該平臺初始吃水高度為拖航工況下的吃水高度9.75 m，按照計算步驟循環(huán)計算直到壓載艙水位到10.05 m(艙滿)或者平臺吃水高度為15.50 m(風暴自存工況吃水)。

第一階段重力壓載時間計算的主要參數(shù)見表2，根據(jù)表2計算得到第一階段壓載艙重力注水2 min后的壓載情況，見表3。由于壓載艙PT-6和ST-6壓載水量相同，而且對稱布置，所以注水時間視為相同。同理計算其它階段所需的注水時間。

圖2 第一階段右舷壓載艙重力壓載示意圖

表2 第一階段壓載艙主要參數(shù)

表3 第一階段壓載艙壓載情況

3.3 結(jié)果分析

表4為該平臺各階段壓載的注水時間表，每一階的各壓載艙同時注水，注水時間合計為這一階段各壓載艙最長的注水時間。壓載艙完成4個注水階段總共需要131 min，即2.2 h。也就是說，該平臺從拖航工況吃水到自存工況吃水需要2.2 h，滿足NMD的要求，所以壓載系統(tǒng)依靠重力注水能夠在3 h內(nèi)實現(xiàn)平臺從拖航吃水至風暴自存吃水狀態(tài)。

如果采用壓載泵注水，根據(jù)NMD要求，該平臺則需要配備總排量大于2 865 m3/h的壓載泵。在壓載過程中，大容量的壓載水泵將占用全船較多的電力負荷。而重力注水不需要運行壓載泵，是一種比較經(jīng)濟的方法。

表4 平臺壓載艙注水時間表

4 結(jié)束語

重力壓載在實際應用中，除了注水時間這一個重要指標外，還需不斷優(yōu)化管路設計，盡可能減少管路的局部阻力，使其更合理。對于壓載水量較大，壓載艙內(nèi)外水位高度相差較多，且對壓載水系統(tǒng)注水又有時間要求的半潛式鉆井平臺來說，重力壓載有著很好的應用前景，不僅節(jié)省了電力負荷，減小了透氣管尺寸，減輕了全船重量，而且有效降低了建造成本和運行成本，對船東和船廠都有積極的意義。