海洋平臺穩(wěn)性計算分析

尹艷，徐嶺峰，張星，杜玉春

(1.上海外高橋造船有限公司，上海200137；2.滬東中華造船(集團)有限公司，上海200129)

作為海洋油氣開發(fā)生產(chǎn)的主力，浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)具有廣闊的市場潛力[1]。確保FPSO的穩(wěn)性是評估其能否在某一固定海域安全穩(wěn)定工作的重要指標。分析多艘承建的自升式鉆井平臺及FPSO等海洋平臺的設(shè)計和建造，發(fā)現(xiàn)每一種類型的海洋平臺在計算穩(wěn)性時，需要考慮的關(guān)鍵點有所不同。為了快速計算不同船型的穩(wěn)性，同時為公司承建的海洋平臺項目的順利開展提供技術(shù)支持，明確不同海洋平臺穩(wěn)性計算方法顯得尤為重要。有2型平臺值得關(guān)注。首先，自升式鉆井平臺的船型比較特殊，長寬比接近1。而FPSO一方面是油氣生產(chǎn)裝置，另一方面具有船舶的特性，因此在計算穩(wěn)性時，考慮的規(guī)范比較多元。為明確不同海洋平臺穩(wěn)性計算方法，以自升式平臺和FPSO為例，對風模型的建立、風載荷計算及風向角等關(guān)鍵問題進行對比分析，找出共性和差異。

1 分析對象

通用型FPSO，除上部生產(chǎn)模塊外的船體重量約為7.6萬t，原油日處理能力為10萬～25萬bbl，儲油能力200萬bbl，滿載排水量為46萬t。FPSO平臺的主尺度見表1，側(cè)視圖見圖1，船體三維模型見圖2。

表1 平臺的主尺度 m

圖1 側(cè)視圖

圖2 船體三維模型

2 風載荷計算

無論是自升式鉆井平臺還是FPSO，在穩(wěn)性計算中，都應(yīng)該考慮風載荷的不利影響。對于自升式鉆井平臺而言，其結(jié)構(gòu)型式比較特殊，長寬比接近1，在計算時，需要考慮360°全方位風載荷的影響。因此在建風模型時，水面以上需要全方位建模，見圖3。

F=0.5CsChρV2A

(1)

式中：Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)。

圖3 自升式鉆井平臺風模型

計算風載荷不僅需要考慮形狀系數(shù)，還要考慮高度系數(shù)。對于一些特殊的結(jié)構(gòu)，如平臺的桁架式樁腿，可將其等效為圓柱進行計算[2]。

而對于FPSO而言，由于長寬比值較大，因此只需要考慮受風面積最大的一面，縱剖面受到穩(wěn)定風壓的作用，因此不需要考慮360°方向的風載荷，見圖4。

圖4 FPSO風模型

穩(wěn)性衡準由風壓傾側(cè)力臂來衡量，力臂計算公式如下，從中可知，面積矩的值是關(guān)鍵。

穩(wěn)定風：Lw1=P·A·Z/9810Δ

(2)

突風：Lw2=1.5·Lw1

(3)

式中：P為風壓，Pa；Δ為排水量，t；A為水線以上的側(cè)投影面積，m2；Z為面積A的中心到水下側(cè)面積的中心的垂向距離，m。

采用NAPA軟件進行建模，建立profile(側(cè)面)，并計算FPSO的受風面積及面積矩，計算的吃水范圍為7～12 m，見表2。

表2 FPSO受風面積及面積矩

3 開口定義

根據(jù)規(guī)范對水密完整性的定義，將船舶/平臺上的開口分為3類，分別為非保護性開口、風雨密開口和水密開口[3]。在詳細設(shè)計階段，計算完整穩(wěn)性時，需要對非保護的開口的高度進行假定，根據(jù)載重線公約規(guī)定，對于通風筒的高度有明確的最低高度要求，在“位置1”的通風筒，其圍板應(yīng)至少高出甲板以上4.5 m；而在“位置2”的通風筒，其圍板應(yīng)至少高出甲板以上2.3 m。等到了完工階段，根據(jù)實際開口的位置再次進行穩(wěn)性計算。其中無保護的開口主要包括，尾部消防泵間、機修間、集控室、中控室及變壓器間等的鵝頸式通風口，推進器艙的通風口及相應(yīng)艙室的百葉窗，總共27個非保護性開口。在破艙穩(wěn)定性計算時，不僅考慮無保護開口，還需要考慮風雨密開口，但不需要考慮水密人孔蓋與平艙口蓋、遙控水密滑動門以及永閉式舷窗等可以水密關(guān)閉的開口。

4 完整穩(wěn)性

4.1 校核衡準

自升式鉆井平臺，在拖航遷移過程中，通常需要把樁體升起，樁靴抬升至主船體內(nèi)。這種狀態(tài)下，平臺的重心大幅度升高，受風面積顯著增大。為校核這種漂浮狀態(tài)下的平臺溫性，需要對風載荷進行準確的計算。根據(jù)規(guī)范要求，自升式鉆井平臺在拖航遷移過程中，需要考慮100 kn(近海拖航假定的風速為70 kn)風速，校核360°內(nèi)不同風向的風載荷對平臺穩(wěn)性的不利影響。平臺的穩(wěn)性衡準參考《海上移動式鉆井平臺構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則 2009》( MODU Code 2009)[4]相關(guān)要求。

因FPSO兼有船舶特性海工產(chǎn)品特點，因此在計算穩(wěn)性時，需要同時考慮MODU Code 2009、IS CODE 2008[5]以及MARPOL[6]規(guī)范要求。在NAPA軟件中有相應(yīng)的衡準代碼，如下所示，具體的衡準要求應(yīng)參考相應(yīng)的規(guī)范，此處不具體展開。

1)IS CODE： V.AREA30， V.AREA40，V.AREA3040， V.GZ0.2，V.MAXG25，V.GM0.15，V.IMOWEATHER；

2)MODU Code 2009：MODU.WEATHER。

4.2 許用重心高計算

從許用重心高度曲線可以直接看出：在相應(yīng)的工況下FPSO是否滿足穩(wěn)性要求。計算吃水范圍為7.0～12.0 m，縱傾為-3～0 m的工況下，得到的許用重心高度曲線見圖5。

圖5 許用重心高

4.3 裝載工況下計算結(jié)果

在計算完整穩(wěn)性之前，需要計算風載荷、定義穩(wěn)性橫準及進水點定義，同時考慮空船、調(diào)試、拖航等工況[7]，采用NAPA軟件進行配載，為穩(wěn)性校核做準備。需要關(guān)注2種工況。

1)在FPSO拖航狀態(tài)中，MARPOL第18條對FPSO壓載艙的總?cè)萘恳彩怯兴?guī)定，換言之對壓載吃水有要求。

一是規(guī)定了最小的壓載吃水Dm。

Dm=2+0.02Lf=

2.0+0.02×325.393=8.50 m。

二是規(guī)定了最大的縱傾值，也就是壓載狀態(tài)下縱傾值Tr不得大于以下計算結(jié)果。

Tr=0.015Lf=0.015×325.393=4.88 m。

其中Lf=96%×85%型深處的船體長度。但是壓載艙的艙容也不宜過大，過大的艙容會增加建造成本。

2)MARPOL第27條，符合良好操作且在液貨過駁作業(yè)的過程中的情況下，最惡劣裝載工況下的任何營運吃水，也應(yīng)滿足完整穩(wěn)性衡準要求。

不同裝載條件下的縱傾和完整穩(wěn)性計算結(jié)果見表3。由表3可見，所有加載條件均滿足規(guī)則的完整穩(wěn)定性準則。

表3 不同加載條件下的縱傾和完整穩(wěn)定性的結(jié)果

5 破艙穩(wěn)性

由于FPSO雖然是屬于海工產(chǎn)品，但考慮到運輸儲存的是原油，因此在計算拖航過程中的破艙穩(wěn)性時需要同時考慮MARPOL和MODU公約。

5.1 破損假定及破艙定義

MARPOL和MODU公約對破損假定的定義見表4、5。

表4 MARPOL對破損假定

根據(jù)破損假定，進行破艙組合，根據(jù)MODU Code要求，總共定義了14種組合。

根據(jù)MARPOL要求，定義了22種舷側(cè)破損，10種底部破損，總共32種組合。

列舉一種組合D32：C.O.T. 7(C), SLOP COFFERDAM (PS), AFT MACHINERY SPACE,

表5 IMO MODU CODE對破損假定

MGO STORAGE TANK 2(PS), FUEL DRAIN TANK, DB VOID 7 (PS), DB VOID 6 (C)，見圖6。

圖6 MARPOL要求下的破艙定義D32

5.2 殘余衡準及滲透率

5.2.1 MARPOL

一旦艙室發(fā)生破損后，平臺在浸水的最后階段，此時所產(chǎn)生的橫傾角不得超過25°；但如果這一角度增至30°(V.MAXHEEL.M)，那么甲板邊緣無浸沒現(xiàn)象。在這種狀態(tài)下，復(fù)原力臂曲線在平衡點以外的范圍至少為20°(V.RANG.M)；最大剩余復(fù)原力臂，至少為0.1 m(V.MINGZ.M)；并且在復(fù)原力臂曲線下圍成的區(qū)域應(yīng)不少于0.017 5 m·rad(V.MINAREA.M)，則該穩(wěn)性可以認為是足夠的。除非該開口所在處所是假定浸水的(V.PROGR.M)，否則在上述范圍內(nèi)無保護的開口不允許出現(xiàn)被浸水的情況。

由于艙室破損而導(dǎo)致相應(yīng)處所浸水，其滲透率見表6。除了供裝載物料的處所和機器處所，其他處所都定義為0.95。

5.2.2 IMO MODU CODE

上述破損情況下，考慮在51.5 m/s(100 kn)的風速下，平臺應(yīng)該具有足夠的儲備穩(wěn)性承受風壓傾側(cè)力矩。同時滿足以下衡準條件：進水后的最終水線應(yīng)在任何向下進水的開口下緣以下(V.MODU.SURF)，亦即進水點應(yīng)該在第一個交點之后，見圖7。由破損處浸水的滲透率可知，除了機器處所0.85外，其他處所都定義為0.95。

5.3 計算結(jié)果

計算FPSO在破艙穩(wěn)性情況下的最大許用重心高，定義吃水為7～12 m，縱傾為-3～0 m，許用重心高見表7。

表6 滲透率定義

圖7 復(fù)原力矩和風傾力矩隨橫傾角的變化

表7 破艙穩(wěn)性下的許用重心高 m

同時定義5種拖航工況：拖航帶有10%消耗品、拖航帶有50%消耗品、拖航帶有100%消耗品、最大吃水的拖航以及滿足MARPOL18要求的工況。進行破艙穩(wěn)性校核，每一種破損情況下，計算結(jié)果顯示都滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

1)針對不同船型建立風模型是關(guān)鍵，對于長寬比較大的船型，不需要建立整個船型，只需建立縱剖面即可，節(jié)約大量的建模工時。

2)每一種類型的海洋平臺在計算穩(wěn)性時側(cè)重點不同，對于自升式鉆井平臺而言，最主要的是風傾力矩的計算，不僅需要考慮來自360°方向的風載荷，而且樁腿的等效技術(shù)也是關(guān)鍵。

3)FPSO在計算穩(wěn)性時，需要同時考慮常規(guī)船舶規(guī)范和海工要求。在計算破艙穩(wěn)性時，定義開口、滲透率，以及破損范圍等，靠舷邊的通風筒、機艙泵露天甲板的艙口圍及風雨密外開門門檻等容易忽視的風雨密開口需要重點關(guān)注。同時破損范圍越大，穩(wěn)性越差。因此，在總體設(shè)計前期，應(yīng)該按照規(guī)范要求，確定好艙室的尺寸。