移動式自安裝井口平臺拖航穩性分析

楊學利，嚴 明，王立志

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300452)

隨著我國海洋石油工業的快速發展，渤海、東海及南海海域大量的邊際斷塊油田成為開發熱點。這些海上邊際油田若采用傳統的開發模式難以經濟有效開發，亟需建立以新型海工裝備為核心的全新開發模式，因此，具有自升式平臺結構型式的移動式自安裝井口平臺應運而生。

根據平臺作業的特點在建造場地至作業海域進行長距離遷航。平臺拖航是比較危險的海上作業，中外海工史上都有過沉痛的教訓。拖航時樁腿收起，高聳的樁腿會使受風面積增大，導致風傾力矩增加；同時，樁腿與樁靴的自重比較大，升樁會使平臺的重心顯著升高，給平臺拖航穩性帶來極為不利的影響。據文獻統計，在平臺海損事故中因穩性缺陷引發的事故占三成[1]。拖航穩性一直是設計、操作和檢驗部門重點關注的問題，本文以某型移動式自安裝井口平臺為研究對象，對平臺拖航的完整穩性和破艙穩性進行分析，研究成果可為類似平臺的穩性分析提供參考，為平臺的安全拖航提供技術支持。

1 平臺穩性規范要求

1.1 完整穩性

與船舶相類似，平臺完整穩性主要是指平臺未破損時在外力作用下偏離平衡位置而發生傾斜，當外力消失后其自行恢復到原來平衡位置的能力[2]。平臺穩性會隨裝載情況的不同而發生變化，為保證在所有的裝載狀態下平臺都具有足夠的穩性就需要對幾種典型的裝載工況進行穩性校核。根據規范的要求，平臺穩性計算的關鍵在于確定復原力矩(表示在最危險的情況下平臺抵抗外力矩的極限能力)和風傾力矩(表示在惡劣海況下風對平臺作用的動傾力矩)[2]，二者之比為穩性衡準數，其值大于或等于1時可滿足穩性要求，即：

式中：K為穩性衡準數；Mz為復原力矩，kN·m；Mq為風傾力矩，kN·m；lz為復原力臂，m；lq為風傾力臂，m。

如圖1所示，對于自升式平臺，至第2交點或進水角處的復原力矩曲線下面積中的較小者至少應比至同一限定傾角范圍內風傾力矩曲線下的面積大40%，即復原力矩與風傾力矩曲線面積之比大于或等于1.4 (面積比即穩性衡準數)；對應的傾角是第2交點或入水點(兩者取較小者)，即滿足(A+B)≥1.4(B+C)。

圖1 完整穩性要求 Fig.1 Requirements for intact stability

1.2 破艙穩性

破艙穩性是指平臺破損后依靠自身傾斜后的復原力矩在規定的外加風壓作用下仍能保持不再繼續進水的能力[3]。計算破艙穩性應選取最不利的穩定狀態的工況，并考慮平臺處于完全自由的漂浮狀態，但如果拖帶約束對穩性有不利影響時應加以考慮。計算破艙穩性時，各處所或一部分處所的滲透率應符合表1中給出的規范規定[3]。

表1 艙室滲透率 Tab.1 Cabin permeability

平臺設計時應具有足夠的干舷、儲備浮力和穩性，以便在任何作業或遷移狀況下任一艙室受到規范規定的破損后，并在來自任何方向、風速25.8m/s的風傾力矩作用下，考慮下沉、縱傾和橫傾的聯合影響后，最終水線應低于可能發生繼續浸水的任何開口的下緣[4]，即滿足(A+B)≥(B+C)，見圖2。

圖2 破艙穩性要求 Fig.2 Requirements for damaged stability

2 平臺穩性計算工況

2.1 平臺概況

本計算分析采用的對象是一座四樁腿自升式可移動井口平臺，鋼質非自航，設計最大作業水深為45m(含天文潮和風暴潮)。平臺主體為長方體箱形結構，設有4根圓柱形樁腿，艉二艏二布置，樁腿下端設有樁靴，樁靴可完全收回平臺體內。升降系統采用液壓插銷式，利用升降系統將平臺主體支撐于指定高度。平臺艉部設井口槽，槽內安裝井口隔水套管支撐管架，可滿足6根隔水管(井間距2.5m)的支撐要求。井口隔水套管支撐管架采用液壓齒條升降系統調整管架的高度，井口槽兩側設修井模塊縱向移動所需軌道。

平臺型長57m，型寬44m，型深5.5m；輕載拖航吃水3.30m，重載拖航吃水3.44m；樁腿數量 4根，樁腿尺寸φ3.5m×82m，樁腿縱向間距39.5m，樁腿橫向間距36m，樁靴(正八邊形)對邊長7.4m，高2.0m；艏部2層工程房，層高4.0m，1層生活樓，層高3.2m。

2.2 計算坐標系

計算坐標系取隨船坐標系，如圖3所示。穩性計算通過MOSES軟件進行三維實體建模，模擬真實自安裝井口平臺的主要結構和重量分布，破艙穩性計算選取的艙室組合分布見圖4。

圖3 平臺坐標系 Fig.3 Platform coordinate system

圖4 破艙穩性計算選取的艙室組合 Fig.4 Cabin combination selected for damaged stability calculation

2.3 工況選擇

在進行完整穩性分析時，遠洋拖航選取滿載工況(修井拖航工況)、輕載工況(采油拖航工況)和空船工況。平臺計算模型見圖5，平臺荷載重量和重心分布情況見表2。

圖5 平臺拖航計算模型 Fig.5 Calculation model of platform towing

表2 各裝載工況下平臺重量重心 Tab.2 Platform weight center of gravity under various loading conditions

平臺進水點的設置主要考慮了主甲板上的通風頭、透氣管和下艙梯道門的進水點等因素，參照了空氣、測量、注入系統布置圖，各破損狀態最危險進水口坐標見表3。

表3 破艙狀態及進水點 Tab.3 Damaged condition and water inlet point

2.4 風載荷計算

無論是完整穩性還是破艙穩性都需要考慮計算各工況下的風載荷。根據CCS《海上移動平臺入級造規范(2020)》[3]：

作用在構件上的風載荷按下式計算：

式中：P為風壓，kPa；V為設計風速，m/s；F為構件風荷載，kPa；Ch為受風構件的高度系數，根據構件高度選取；Cs為受風構件的形狀系數；S為平臺在正浮或傾斜狀態時受風構件的正投影面積，m2。

3 平臺穩性計算結果分析

3.1 完整穩性

根據平臺形狀，計算校核橫向90°、斜向42°、縱向0°受風時的完整穩性，根據規范取計算風速為51.5m/s。平臺拖航時樁靴完全收回主船體內。平臺采用濕式樁腿型式，與海水連通，樁腿在拖航時進水。樁腿的浮力只考慮樁腿壁厚產生的浮力，樁靴采用正八邊形結構，外側一圈不與海水連通，此部分計入至排水量。計算結果見表4。

表4 穩性計算結果 Tab.4 Stability calculation results

根據規范要求，拖航狀態穩性衡準數K＞1.4，初穩心高GM＞0.15m，計算結果表明完整穩性滿足規范要求。

3.2 破艙穩性

計算破艙穩性選取滿載拖航、輕載拖航和空船拖航工況，并按照規范要求對各艙室或處所選取恰當的容積滲透率[5]。根據規范要求，假定垂向范圍自底板向上無限制，水平貫入為1.5m，位于假定的水平貫入范圍內的有效水密艙壁之間或其最近臺階部分之間的距離＞3.0m。各破損狀態下進水點的角度均＞0°，破損水位低于可能發生繼續進水的任何開口下緣，滿足規范要求。

根據表5的計算結果可知，平臺任意一艙破損情況下平臺滿載拖航破艙穩性均滿足規范要求。平臺輕載拖航與空船拖航相關穩性計算與上述方法相同，且計算結果均滿足要求，表明某型移動式自安裝井口平臺的完整穩性與破艙穩性均滿足規范要求。■

表5 滿載拖航破損剩余穩性衡準表 Tab.5 Residual stability criteria for full load towing damage