移動(dòng)式海洋平臺(tái)破艙穩(wěn)性優(yōu)化分析

柏 健，諸俊楷，蒙占彬

（1. 中石化勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000；2. 上海惠生海洋工程有限公司，上海201210；3. 北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西欽州 535011）

0 引言

移動(dòng)式海洋石油平臺(tái)在海上主要靠拖航來(lái)進(jìn)行移位，海上氣候瞬息萬(wàn)變，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)惡劣工況，這對(duì)平臺(tái)的漂浮穩(wěn)性帶來(lái)了很大考驗(yàn)。在破艙進(jìn)水工況下，平臺(tái)有可能會(huì)單艙或者多艙進(jìn)水，這使得平臺(tái)有沉沒(méi)的危險(xiǎn)。破艙有很多原因，外因主要為操作不當(dāng)發(fā)生碰撞、遇到海中障礙物等；內(nèi)因主要為船廠施工質(zhì)量等。

在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中，若能提前采取提高破艙穩(wěn)性的措施，在不影響平臺(tái)生產(chǎn)性能的前提下提高平臺(tái)的破艙穩(wěn)性。

海上安全生產(chǎn)和拖航是各個(gè)海上油田一直高度重視的問(wèn)題。從之前的事故中吸取教訓(xùn)，在海上平臺(tái)遇到險(xiǎn)情后及時(shí)采取補(bǔ)救措施，使個(gè)別艙室的險(xiǎn)情不至于加劇，這對(duì)提高海洋平臺(tái)的拖航安全非常重要。

本文對(duì)海上石油平臺(tái)拖航時(shí)的的破艙穩(wěn)性原理和計(jì)算衡準(zhǔn)進(jìn)行闡述，基于MOSES 程序進(jìn)行精細(xì)艙室建模和分析，并提出提高破艙穩(wěn)性的改良優(yōu)化措施和平臺(tái)發(fā)生破艙后的補(bǔ)救措施，以期改善平臺(tái)拖航的安全性。

1 破艙穩(wěn)性模型

本文的計(jì)算模型為勝利油田海上某平臺(tái)，采用MOSES 穩(wěn)性計(jì)算程序進(jìn)行建模計(jì)算。該平臺(tái)為4樁腿自升式修井平臺(tái)，主要用于油田試油和修井。平臺(tái)主體為長(zhǎng)方體箱形結(jié)構(gòu)，設(shè)有4 根圓柱形樁腿，艏部和艉部各布置2 根，樁腿下端設(shè)有樁靴，樁靴可完全收回平臺(tái)體內(nèi)。在MOSES 穩(wěn)性分析軟件中建立平臺(tái)主體模型和各艙室模型，見(jiàn)圖1。

圖1 平臺(tái)破艙穩(wěn)性MOSES 計(jì)算模型圖

按中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》（2020）的衡準(zhǔn)對(duì)拖航狀態(tài)的破艙穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算。

自升式平臺(tái)在來(lái)自任何方向，風(fēng)速為25.8 m/s的風(fēng)傾力矩作用下，破損水線應(yīng)低于可能發(fā)生繼續(xù)進(jìn)水的任何開(kāi)口下緣。

自升式平臺(tái)在經(jīng)受任何單個(gè)艙室進(jìn)水后的剩余穩(wěn)性應(yīng)滿足式（1）要求[1]：

式中：Ros為穩(wěn)性范圍；θm為穩(wěn)性消失角；θs為單個(gè)艙室進(jìn)水后的靜傾角。

剩余穩(wěn)性的衡準(zhǔn)是關(guān)于各個(gè)方向的，對(duì)艙室的要求較高。

2 在平臺(tái)設(shè)計(jì)中提高破艙穩(wěn)性的新方法

2.1 增設(shè)電動(dòng)隔艙

對(duì)于海洋平臺(tái)來(lái)說(shuō)，平臺(tái)主體邊角處大面積艙室的破艙穩(wěn)性一般比較差，目前船級(jí)社對(duì)剩余穩(wěn)性的要求非常嚴(yán)格，要求對(duì)各個(gè)方向的剩余穩(wěn)性都要合格。國(guó)內(nèi)對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)穩(wěn)性的分析較多采用NAPA 和MAXSURF 軟件，而MOSES 軟件的應(yīng)用相對(duì)較少，且研究對(duì)象大都為自升式移動(dòng)平臺(tái)和半潛式移動(dòng)平臺(tái)[2]，但MOSES 軟件的的優(yōu)勢(shì)在于破艙穩(wěn)性建模的程序比較靈活。大邊艙破損后破艙剩余穩(wěn)性曲線見(jiàn)圖2，破損剩余穩(wěn)性衡準(zhǔn)表見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算，270°的剩余穩(wěn)性滿足要求，180°和225°的剩余穩(wěn)性不滿足要求。

為保證平臺(tái)滿足破艙穩(wěn)性，通常做法是將該壓載艙進(jìn)行分隔，也就是分成2 個(gè)水密艙室。這樣即使?jié)M足破艙穩(wěn)性，但也會(huì)給后期使用帶來(lái)諸多不便。在采用該方式分隔后，壓載艙不得不增加一些壓載管線和吸口，而油艙、淡水艙、污液艙等艙室會(huì)存在計(jì)量、抽吸等方面的麻煩。

因此，在進(jìn)行總布置設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)這種破艙穩(wěn)性比較差的艙室增設(shè)活動(dòng)隔艙，在艙底增加可伸縮的電驅(qū)動(dòng)垂直可伸縮隔板，利用密封件使隔板和艙壁之間達(dá)到水密狀態(tài)。在拖航時(shí)，通電驅(qū)動(dòng)隔板上升到主甲板高度，即可有效分隔為2 個(gè)水密艙，顯著改善破艙穩(wěn)性。在站立工況時(shí)，通電驅(qū)動(dòng)隔板下降到平臺(tái)底部，不影響艙室的正常使用。電動(dòng)隔艙示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 電動(dòng)隔艙示意圖

2.2 透氣管的集成化

當(dāng)平臺(tái)破損時(shí)，進(jìn)水口一般是位于平臺(tái)主甲板四周一圈的透氣管，透氣管高度不到1 m，在平臺(tái)破損后傾斜到該位置時(shí)會(huì)發(fā)生進(jìn)水。由于透氣管一般在舷側(cè)，只要水漫過(guò)主甲板就很容易達(dá)到進(jìn)水口。為提高破艙穩(wěn)性，可在設(shè)計(jì)時(shí)使進(jìn)水點(diǎn)離開(kāi)舷側(cè)危險(xiǎn)位置。如果平臺(tái)主甲板有合適的空間，可將各個(gè)艙的透氣管集成到一個(gè)透氣管模塊中，集中進(jìn)行艙室換氣。為提高破艙穩(wěn)性，該模塊應(yīng)盡可能布置在平臺(tái)主甲板靠近中心的位置。此外，為保護(hù)模塊不進(jìn)水，要進(jìn)行除集中透氣孔外的水密設(shè)計(jì)。透氣管集成模塊示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 透氣管集成模塊示意圖

2.3 艙室布置設(shè)計(jì)

為提高破艙穩(wěn)性，主機(jī)艙、泵艙、油氣外輸艙等面積較大的機(jī)械艙室要盡可能布置在平臺(tái)中部。對(duì)于確實(shí)無(wú)法在中部布置的艙室，要采取在艙室的舷側(cè)方向增加空艙分隔、底部增加雙層底等方法提高剩余穩(wěn)性。對(duì)于設(shè)備高度和尺寸較小的機(jī)械艙室，可通過(guò)增設(shè)二層臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行疊加。雙層底、空艙和二層臺(tái)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖5。在計(jì)算破艙穩(wěn)性時(shí)，對(duì)開(kāi)口、滲透率和破損范圍等進(jìn)行定義，需要重點(diǎn)關(guān)注靠舷邊的通風(fēng)筒、機(jī)艙泵露天甲板的艙口圍，以及風(fēng)雨密外開(kāi)門門檻等容易忽視的風(fēng)雨密開(kāi)口[3]。

圖5 雙層底、空艙和二層臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.4 穿艙管系優(yōu)化設(shè)計(jì)

在平臺(tái)艙室破損后，艙內(nèi)管系也會(huì)有損壞的可能。特別是對(duì)于艙室底部的管系，在破艙后如果遇到一些障礙物的擠壓，很可能發(fā)生連續(xù)破損。很多管系都是穿艙的，如果因?yàn)榕摰椎墓芟祿p壞造成相鄰艙室進(jìn)水，這對(duì)破艙穩(wěn)性非常不利。在穿艙管系的設(shè)計(jì)和施工布置中，若穿艙管系相連的2 個(gè)艙室間沒(méi)有關(guān)閉閥，則管子不得穿透連接艙室的縱向邊界，也不得越過(guò)艙室的最外邊界。

3 破艙事故后的補(bǔ)救方法

在平臺(tái)艙室進(jìn)水后，一般會(huì)發(fā)生傾斜，當(dāng)艙室進(jìn)水嚴(yán)重時(shí)，平臺(tái)有可能發(fā)生沉沒(méi)事故。然而，平臺(tái)沉沒(méi)往往是個(gè)緩慢的過(guò)程，在破艙后采取一些補(bǔ)救措施，可以最大限度的延緩沉沒(méi)的過(guò)程，爭(zhēng)取救援的寶貴時(shí)間。

3.1 增加碎波裝置

平臺(tái)在海上發(fā)生破艙后，主體進(jìn)水傾斜，這時(shí)候如果遇到大風(fēng)浪，不但會(huì)加劇平臺(tái)的搖擺，還很有可能會(huì)增加破損程度。必須考慮波浪力的影響，波浪力會(huì)對(duì)破艙后的平臺(tái)產(chǎn)生傾覆力，特別是在惡劣海況下，由波浪和平臺(tái)共同產(chǎn)生的慣性力，會(huì)導(dǎo)致很大的傾覆力矩威脅平臺(tái)的安全。

波浪力的大小隨波高的增大呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。根據(jù)這一規(guī)律，在平臺(tái)上預(yù)備若干個(gè)電驅(qū)動(dòng)噴射裝置（見(jiàn)圖6），在受波浪影響較大的位置對(duì)波浪進(jìn)行噴射，降低實(shí)際作用于平臺(tái)的有義波高，減少平臺(tái)的傾斜風(fēng)險(xiǎn)。如果多個(gè)電驅(qū)動(dòng)噴射裝置一起啟動(dòng)噴射，碎波效果會(huì)更為明顯。

圖6 碎波裝置示意圖

3.2 增加支撐裝置

對(duì)于平臺(tái)發(fā)生破艙的位置水深較淺或離碼頭很近的情況，可以在平臺(tái)上預(yù)備一些可連接的支撐桿，類似鉆桿有接頭。在平臺(tái)破損后，可根據(jù)平臺(tái)破艙進(jìn)水后的傾斜方向，在進(jìn)水艙上方的主甲板上臨時(shí)安裝伸出平臺(tái)的固定架，固定架上有槽，利用平臺(tái)吊機(jī)吊起支撐桿，下放到固定架的槽中。根據(jù)水深和支撐架的傾斜角度，連接多個(gè)支撐桿，一直到支撐桿穩(wěn)定的支撐到海底為止。隨后，將支撐桿和固定架剛性連接，使支撐力傳遞到平臺(tái)。這種方法雖然繁瑣，但對(duì)平臺(tái)破艙后的支撐有顯著效果，可有效防止平臺(tái)沉沒(méi)和持久不斷進(jìn)水等問(wèn)題。支撐裝置示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 支撐裝置示意圖

3.3 增加臨時(shí)浮箱

參考多體船增加破艙穩(wěn)性的原理，多儲(chǔ)備一些充氣浮箱。在平臺(tái)發(fā)生破艙進(jìn)水后，為及時(shí)防止平臺(tái)傾斜的繼續(xù)增大，對(duì)破損位置臨時(shí)焊接一些固定支架，將充氣浮箱充氣后放到水中，將其和固定支架相連。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，適合用于平臺(tái)沉沒(méi)速度較慢的破艙事故。這些浮箱的浮力支撐可有效的=增加慣性矩，延緩甚至停止平臺(tái)的繼續(xù)傾斜，防止事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

海洋平臺(tái)總體設(shè)計(jì)是平臺(tái)安全保障的第一站，至關(guān)重要，如能在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的考慮提高破艙穩(wěn)性，對(duì)平臺(tái)的后續(xù)使用會(huì)產(chǎn)生良好的安全效果。本文提出的一些改善破艙穩(wěn)性的設(shè)計(jì)思路，是在參照穩(wěn)性基本原理和破艙穩(wěn)性衡準(zhǔn)的基礎(chǔ)上總結(jié)而成。平臺(tái)破艙后采取的補(bǔ)救方法也有多種，本文列舉的方法可根據(jù)實(shí)際海況和水深條件選用。在平臺(tái)總布置設(shè)計(jì)中可以考慮增加功能艙室或者房間，對(duì)補(bǔ)救設(shè)備進(jìn)行專門存放。本文的研究成果可為移動(dòng)式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)和應(yīng)急預(yù)案制作提供一定參考。