半潛式起重拆解平臺吊載丟失后的穩(wěn)性研究

劉鋼東，陳伶翔，朱見華

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100)

0 引言

近年來，海工行業(yè)競爭壓力不斷加大，海工裝備市場仍處于低迷狀態(tài)，而海洋裝置拆解市場則具有廣闊的市場前景，因此半潛起重拆解平臺的需求日益增長。半潛起重拆解平臺具有作業(yè)海域廣、起吊能力強、穩(wěn)定性和抗風(fēng)浪性好、起吊速度快且具備居住人數(shù)多等優(yōu)勢[1]。但是，半潛起重拆解平臺要在極短的時間內(nèi)起吊、卸載數(shù)千噸的重物會導(dǎo)致進排水量急劇變化。高達數(shù)千噸的排進水落差必然造成船舶重心(除吊物重量)發(fā)生偏移，對半潛起重船本身的穩(wěn)性極其不利[2]。

本文根據(jù)半潛起重拆解平臺參數(shù)特征和壓載艙系統(tǒng)特征，按照美國船級社要求對半潛起重船平臺的船體結(jié)構(gòu)和壓載艙布置進行改進，并提供吊物丟失后快速恢復(fù)平衡的最佳方法。

1 半潛起重拆解平臺特點

1.1 半潛起重拆解平臺參數(shù)特征

本項目中半潛起重拆解平臺是一艘集自航、居住、吊載功能于一體，并且具備DP-3系統(tǒng)的起重生活平臺。在工作時,該平臺通過自身壓載水的調(diào)整及自身船型的特點(左右非對稱)，可在吊載過程中提供良好的穩(wěn)性。具體參數(shù)如下：

(1)主浮筒：長度137.75 m，寬度19.5 m，高度12 m。小浮筒：長度122 m，寬度13.5 m，高度12 m。

(2)大立柱：長度22.5 m，寬度19.5 m，高度18 m。小立柱：長度16.5 m，寬度13.5 m，高度18 m。

(3)主甲板：長度81 m，寬度81 m，高度42.8 m。

(4)吃水：居住吃水20.0 m，最大工作吃水26.4 m，風(fēng)暴自存吃水17.0 m，航行吃水11.3 m。

1.2 半潛起重拆解平臺吊機系統(tǒng)

本拆解平臺配備的22 000 kN起重機由靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)兩部分組成，基座和桅桿是靜態(tài)的。在桅桿周圍安裝一個回轉(zhuǎn)平臺，吊臂連接到回轉(zhuǎn)平臺上。吊臂由鋼絲繩支撐，鋼絲繩從吊臂首端連接桅桿頂端再連接到絞車上。吊機主鉤的起重能力曲線見圖1。從圖中可以看出，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑為22 m時，吊機主鉤的起重能力為22 000 kN；當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑增大時，吊機主鉤的起重能力逐漸減小。吊機的最小回轉(zhuǎn)半徑為14 m，此時吊機休息臂的仰角為81°；當(dāng)最大操作半徑為62 m時，吊機的仰角約為15°。

圖1 吊機主鉤起重能力

1.3 半潛起重拆解平臺壓載艙系統(tǒng)特征

本半潛起重拆解平臺的壓載艙系統(tǒng)由普通壓載艙、浮筒快速壓載艙、立柱快速壓載艙三部分組成，每一個壓載艙都配備單獨的進/排水管[3]。艙室的具體分布及數(shù)量如下：

(1)普通壓載艙。普通壓載艙分布在大小浮筒中。在小浮筒中配備2臺壓載泵，在大浮筒中配備4臺壓載泵，通過壓載泵進行進/排水工作。

(2)浮筒快速壓載艙。浮筒快速壓載艙位于大小浮筒內(nèi)部，主要目的用來快速進水。浮筒快速壓載艙進水可靠重力通過大口徑管快速注水，也可通過泵普通注水；排水只能靠泵(因水壓太高，無法啟用空氣壓縮系統(tǒng)來排水)。

(3)立柱壓載艙。立柱壓載艙只有在起重機吊載重物時才需啟用，進水采用重力進水。當(dāng)壓載艙內(nèi)水面高于海平面時，便不可再靠重力進水，但可以利用壓載泵來進水。在排載時由壓載泵或者空氣壓縮機進行排水。當(dāng)壓載艙內(nèi)水面與海平面高度相差26 m以上時，便不可用空氣壓縮機系統(tǒng)排水(空氣壓縮機最大工作氣壓值為0.26 MPa)[4]。立柱壓載艙主要分布于4個立柱內(nèi)，按照4個獨立象限進行設(shè)計，分別位于左前、左后、右前、右后，即在每一個浮筒的前后都設(shè)置了壓載艙。立柱壓載艙布置分別見圖2和圖3。

圖2 小立柱快速壓載艙布置

圖3 大立柱快速壓載艙布置

2 規(guī)范要求

美國船級社(ABS)《GUIDE FOR BUILDING AND CLASSING MOBILE OFFSHORE UNITS(2008)》規(guī)范中的第8章第1節(jié)要求如下：

對于任何一種裝載條件，(在對應(yīng)的穩(wěn)性曲線圖上)風(fēng)傾力矩與回復(fù)力矩的第一個交點(即力平衡點)必須保證在船甲板入水角的前面(即在圖的左側(cè)或小于后者)。此外，吊船在最大允許垂心位置作業(yè)時，還必須滿足下面的2個條件：

(1)在穩(wěn)性圖上(見圖4)，從第一個交點到θf(艙壁進水角度或橫傾力臂與復(fù)原力臂交點或30°角，取最小值)之間的剩余面積定義為A1，從第一交點到θc(吊物丟失前的橫傾力臂與復(fù)原力臂相交時的角度)的剩余面積定義為A2，此時需確保A1面積至少大于A2面積的30%以上。

(2)重物失落時，回復(fù)力矩曲線與船舶最大允許橫傾力矩曲線的第一個交點處的角度，即重物失落平衡角，確保不能超過15°。

圖4 ABS規(guī)范對于吊物丟失衡準(zhǔn)要求

3 半潛起重拆解平臺的改進

半潛起重拆解平臺相較普通半潛平臺的船體結(jié)構(gòu)和壓載艙的布置做了一些改進。

(1) 普通的半潛起重平臺是由兩個相同對稱的浮筒、4個立柱和上部主船體組成，見圖5(a)；半潛起重拆解平臺是由兩個不同大小的浮筒、兩兩不同的立柱和上部主船體組成,見圖5 (b)。普通半潛起重平臺的重心是在2個浮筒之間，處于中間部位，吊物到兩浮筒的直線中心距離假設(shè)為A(橫傾力臂)；而半潛起重拆解平臺的重心由于不對稱結(jié)構(gòu)，重心靠近結(jié)構(gòu)大的一側(cè)，重心到吊物的距離假設(shè)為B(橫傾力臂)；當(dāng)?shù)跷锿蝗粊G失時，船體會向吊物的另一邊傾斜，此時的傾覆力矩就是吊物重量與橫傾力臂的乘積。在吊重相等的情況下，拆解平臺的橫傾力臂比普通半潛起重平臺的小，所以拆解平臺在吊物丟失后的傾覆力矩也會比普通半潛平臺的小。橫傾力矩的減小可以有效降低平臺的橫傾角，因此半潛起重拆解平臺不對稱的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計在一定程度上提高了平臺的穩(wěn)性。

(2)將浮筒中快速壓載艙布置在大小浮筒的中間區(qū)域，而不是布置在浮筒的艉部或者艏部，其原因是為了能使注入/排出的壓載水靠吊物更近(吊物處于船中位置)。一旦吊物突然丟失，船體會向重物的另一邊傾斜，此時則需要以最快的速度增加靠近吊物這邊浮筒的壓載水量和快速排出遠離吊物且位于船中處的壓載水，而快速壓載水艙能夠在短時間內(nèi)迅速進水。

圖5 半潛起重拆解平臺組成

4 重物丟失后穩(wěn)性及平衡方案研究

4.1 重物丟失后的穩(wěn)性

拆解平臺兩吊機在聯(lián)合吊載42 000 kN重物調(diào)平時的穩(wěn)性曲線見圖6。在本作業(yè)工況時吊重較大，為了保證平臺能夠有足夠的壓載水進行調(diào)平，將吃水調(diào)至26.4 m左右，風(fēng)速根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求設(shè)為20 kn。根據(jù)計算所得平臺的穩(wěn)性高約為2.1 m。由于在計算時，風(fēng)傾力臂約為0.05 m，復(fù)原力臂最大達到17 m，所以此工況下平臺無橫縱傾，即平臺在吊物丟失前處于平衡狀態(tài)。

圖6 吊載42 000 kN調(diào)平時穩(wěn)性曲線

平臺兩吊機在吊載42 000 kN重物丟失后的穩(wěn)性曲線見圖7，此工況下平臺的橫傾力臂約為3.4 m，靜橫傾角約為14.72°，穩(wěn)性高約為5.84 m。與吊物丟失前相比，平臺由于吊物的丟失發(fā)生嚴(yán)重的傾斜，但傾斜角度在規(guī)范要求范圍內(nèi)。由于吊物丟失導(dǎo)致平臺重心發(fā)生改變，復(fù)原力臂與穩(wěn)性高均有所增大，平臺恢復(fù)至平衡狀態(tài)的能力被提高。根據(jù)軟件計算得出的A1與A2面積的比值約為2.94，符合規(guī)范要求的穩(wěn)性衡準(zhǔn)值，即平臺在42 000 kN吊物丟失后的穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

圖7 吊物丟失后的穩(wěn)性曲線

4.2 重物丟失后的快速平衡方案

4.2.1 重物丟失時平臺浮態(tài)變化

工況設(shè)計：以半潛式起重拆解平臺為例，位于主浮筒上的起重機吊載一重物(42 000 kN)，突然吊物丟失，傾斜角度將達到14.72°(靜止?fàn)顟B(tài))。

第1階段：吊起重物穩(wěn)定后的船體水平吃水為26.4 m，船的重心在靠近主浮筒的位置；小浮筒一側(cè)注水多，而主浮筒一側(cè)注水少。

第2階段：吊起重物突然掉落，短時間內(nèi)船體會向吊重物的另一邊發(fā)生一定程度上的傾斜，見圖8。主浮筒和小浮筒的吃水發(fā)生明顯變化，船體中心處吃水線高為24.104 m(靜止?fàn)顟B(tài))，左側(cè)小浮筒的最外邊緣吃水為34.746 m，右側(cè)的主浮筒的最外邊緣吃水為13.465 m；此時，整個船的重心向小浮筒那邊傾斜，則需要把重心再轉(zhuǎn)回到靠近主浮筒的位置，才能使船體回轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)。

第3階段：調(diào)節(jié)各個壓載艙的壓載量來減小船體的橫傾，使船體逐漸趨向于平衡狀態(tài)。

4.2.2 重物丟失后的調(diào)平方案

吊物丟失后通過對小立柱壓載艙 1&2和大立柱壓載艙 1&2 進行壓載水的調(diào)節(jié)，將平臺進行快速調(diào)平。具體壓載水調(diào)節(jié)方案如下：

圖8 吊物丟失時平臺狀態(tài)

(1) 為了能夠使平臺盡快地恢復(fù)到平衡狀態(tài)，根據(jù)本拆解平臺的壓載系統(tǒng)的布置，采用空氣壓縮方式和重力方式的進排水方式，能夠更節(jié)省時間。

(2)吊機位于平臺右舷。當(dāng)?shù)跷飦G失時，平臺發(fā)生左傾，此時將大立柱壓載艙 1&2的進水閥門打開，讓海水通過重力快速注入。

(3)在大立柱壓載艙 1&2注水的同時，也可以通過空氣壓縮方式將小立柱壓載艙 1&2的壓載水迅速排出。這可以縮短平臺調(diào)平所需要的總時間。

(4)小立柱壓載艙 1&2采用空氣壓縮方式進行排水，大立柱壓載艙1&2采用重力方式進行注水，將平臺調(diào)節(jié)到接近平衡時，改用壓載泵進行最后的調(diào)平工作。這主要是因為空氣壓縮方式和重力方式進水速度較快，不利于最終的調(diào)平。

平臺在吊物丟失前后壓載水量對比見表1。通過對大立柱壓載艙 1&2和小立柱壓載艙 1&2的壓載水量進行調(diào)節(jié)，平臺趨向平衡狀態(tài)。在調(diào)載的整個過程中，通過壓載水將平臺調(diào)平所用的時間如下：

大立柱壓載艙 1&2用時約為3 636 s；小立柱壓載艙1&2用時約為3 658 s，即平臺從吊物丟失到恢復(fù)平衡狀態(tài)總用時約為3 658 s。

表1 吊物丟失后平臺調(diào)平前后壓載水量對比表

5 結(jié)論

本文分析對比了半潛起重拆解平臺與普通拆解平臺的船體結(jié)構(gòu)，并提出了起重拆解平臺吊物丟失后的調(diào)平方案。具體結(jié)論如下：

(1) 不對稱的船體結(jié)構(gòu)，能減少空船重量、提高結(jié)構(gòu)利用率、降低建造成本，還有利于減小半潛起重船平臺吊物丟失后平臺橫傾角。

(2)在吊物丟失的過程中，通過軟件進行模擬，并與規(guī)范中的穩(wěn)性衡準(zhǔn)對比，得出此工況下平臺的穩(wěn)性符合規(guī)范要求，即吊機可以進行42 000 kN的聯(lián)合吊載作業(yè)。

(3) 在吊載丟失的過程中，平臺會發(fā)生較嚴(yán)重的傾斜，影響平臺的穩(wěn)性；而半潛起重拆解平臺利用空氣壓縮方式和重力方式這2種快速壓載的設(shè)計優(yōu)勢，將平臺快速調(diào)至平衡狀態(tài)。