半潛式鉆井輔助平臺的穩性計算

劉小堯++顏萍++方林香++莊瑞民

摘要：半潛式鉆井輔助平臺，由浮箱、立柱和甲板箱組成。海上移動式鉆井平臺穩性規范要求不同于普通船舶，因其長寬比較小，需要計算橫向、縱向穩性，故通過采用固定轉軸法和自由扭曲法計算半潛式鉆井輔助平臺的穩性。同時，通過建立穩性模型和風力模型，考慮來自任何方向作用于平臺的風力，計算各種復雜工況下的穩定性。

關鍵詞：半潛式；穩性；長寬比；風載荷

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A

Stability Calculation of Semi-Submersible Tender Assist Drilling Rig

LIU Xiaoyao， YAN Ping， FANG Linxiang， ZHUANG Ruimin

（COSCO Guangdong Shipyard Co.， Ltd.，Dongguan 523146）

Abstract： The Semi-submersible tender assist drilling rig is composed of a pontoon， a column and a deck box. The rules and requirements for the stability of the rig are different from those for an ordinary ship， because the transverse and longitudinal stability needs to be calculated while the rigs length-width ratio is small. The constant direction method and the free twist method are used for stability calculation of the rig. By establishing stability model and wind model， taking into the consideration of wind from any direction onto the rig， we complete the stability calculation of the rig for various complex working conditions

Key words： Semi-Submersible； Stability； Length-width ratio； Wind load

1 前言

在造船技術高速發展的時代，只有與時俱進地使用先進的設計工具，才能高效率完成設計工作，降低勞動強度，提高設計水平。通過學習使用napa軟件建模計算，研究海工平臺穩性規范要求和裝載工況，是船廠轉型升級、提升核心競爭力、承接高附加值船舶訂單的重大舉措。

2 半潛式鉆井輔助平臺的技術特點

半潛式平臺是大部分浮體沉沒于水中的一種小水線面的移動式平臺，它從坐底式平臺演變而來，由平臺本體、立柱和浮箱組成，平臺上設有吊機設備、器材和生活艙室等。半潛式平臺具有更大的工作水深、更大的甲板可變載荷、更大的存儲能力、簡單的外形結構、良好的船體安全性和抗風暴能力及自持能力等優點，已經成為海洋鉆井平臺的主要發展方向，被許多國家所采用。但由于其設計、建造技術要求較高，世界上僅有少數國家能夠設計，比較專業的設計公司主要分布在美國、瑞典、荷蘭和挪威。

2.1某半潛平臺主要參數（圖1、圖2）

2.2技術特點

（1）在設定的作業環境下具有優良的運動性能：

縱橫搖小于±2°，垂蕩小于正負1米1 m，漂移小于1/20水深。

（2）具有很強的抗風浪能力，能抵御百年一遇的惡劣海況。

（3）在深遠海作業，具有巨大的可變載荷和作業面積；

（4）多用途：鉆井平臺（鉆井、固井、測井、修井、試油）、生產平臺等；

（5）作業水深范圍廣：從幾百米到3千米以上。

半潛式平臺的最大特點是半潛作業，在半潛狀態下將大體積的浮箱潛于水下一定的深度，因此比浮船式平臺所受的波浪力小。半潛式平臺的另一個特點是利用立柱保證平臺的穩定性：在半潛的時候，其水線面積主要是立柱的水線面面積，水線面積不大，但立柱間距比較大，因而平臺的慣性矩較大，能獲得較大初穩性高度。

3 半潛式鉆井輔助平臺的穩性計算

3.1操作狀況

半潛式平臺前往某一海區作業至完成作業后離開的全過程如下：

（1）移航；

（2）就位、拋錨、壓載下潛、錨泊線預張緊；

（3）作業；

（4）風暴來襲時卸載減少吃水，平臺處于自存狀況，風暴過后復原為作業狀態；

（5）完成作業卸載起?。?/p>

（6）起錨；

（7）移航。

以上最基本的操作狀況是：作業狀況、自存狀況和移航狀況，其余操作狀況是各基本操作狀況的過渡狀況。

3.1.1 作業狀況

半潛式鉆井平臺的作業狀況，是指平臺在井位上鉆井或進行其他操作時的狀況。該狀況下平臺應能承受與規定的作業狀況設計標準相應的環境載荷和作業載荷的組合載荷。

3.1.2自存狀況

半潛式鉆井平臺的自存狀況，是平臺處于規定的自存狀況設計標準相應的最惡劣環境條件中的狀況。此時，鉆井作業或類似作業已經中止，關閉防噴器和脫開隔水管，放松上風舷錨鏈，平臺漂浮在水面上自存。

3.1.3移航狀況

移航狀況，即半潛式平臺從一個地點轉移到另一個地點的過程中所處的狀況。移航的方式有自航和拖輪助航兩種：前者與一般的自航船舶無異；后者需配備一艘拖輪（一般是多用途拖輪）相隨，對無自航能力的平臺移航便是拖航。endprint

3.2 穩性計算

3.2.1穩性計算方法

（1）固定轉軸法：橫傾過程中固定轉軸的計算方法；

（2）自由扭曲法：即橫傾過程引起縱傾變化而重新尋找無縱傾、只有橫傾的轉軸方法。

平臺的穩性計算，包括完整穩性和破損穩性，主要是確定在一系列吃水下平臺的極限重心高，保證各種工況下最終重心在極限重心高以下，使平臺有足夠的穩性以承受來自各個方向的風載荷作用。

3.2.2 穩性衡準

（1）完整穩性衡準

本船入級ABS船級社，完整穩性必須滿足以下要求：

（A）如圖3所示，至第2交點或進水角的復原力矩曲線下的面積中的較小者，應比至同一限定角處風傾力矩曲線下面積至少大30%，即面積A+面積B>1.3×（面積B+面積C）；

（B）復原力矩曲線從正浮至第2交點的所有角度范圍內，均應為正值；

（C）所有漂浮作業工況的整個吃水范圍內，經自由液面修正后的出初穩性高度應不小于0.15m。

（2）破艙穩性衡準

本船入級ABS船級社，在經受規定的破損后必須滿足以下要求：

（A）如圖4所示，在來自任何方向、風速為25.8m/s（50kn）的風傾力矩作用下，復原力矩曲線從第1交點至第一個非保護開口或第2交點（取較小者），應至少有7°的范圍；

（B）在（A）的范圍內于某同一角度量得的復原力矩，至少達到風傾力矩的2倍；

（C）破損水線以上4m范圍和7°區域的開口應為風雨密。

3.2.3.風載荷計算

對無限作業區域的平臺，正常作業及拖航工況時其最小設計風速36m/s（70kn），自存工況時最小風速51.5m/s（100kn）。作用于各個構件的風載荷F按下式計算：

F=0.5CsCHρV2A （1）

式中：F—作用在各個構件的風載荷；

Cs—受風構件形狀系數（根據構件形狀選?。?；

Ch—受風構件高度系數；

ρ—空氣密度；

V –風速；

A –平臺在正浮或傾斜狀態時，受風構件的正投影面積。

確定了風載荷，根據受風面積壓力中心至平臺水下部分側向阻力中心間的垂直距離，就可以得到風傾力矩值。

對于常規船，規范規定其縱剖面受穩定風壓作用，相應地產生一個在所有橫傾角下均為定值的風傾力矩；而半潛式鉆井輔助平臺則不同，由于平臺的長寬比較小，所以需要考慮來自任何方向的風載荷對平臺的影響。另外，由于平臺甲板上有較多的鉆井設備，還有樁腿、上層建筑等受風面積較大的處所，所以對應不同橫傾角其受風面積不同，風傾力矩也不同。

3.2.4.極限重心高的計算

如圖6所示。

4 結束語

半潛式鉆井輔助平臺由于其特殊的船體特征，穩性計算與常規船型區別較大，一般船體性能計算軟件不適用。同時，半潛式鉆井輔助平臺穩性規范要求不同于普通船舶，需要計算橫向、縱向穩性，并需考慮來自任何方向作用于平臺的風力，計算工況繁多，因此必須由適用于半潛平臺的計算軟件來代替常規船舶計算軟件。

通過用napa軟件建模，可以完成半潛平臺靜水力計算、艙容計算、測深表、浮態計算、總強度計算、風載荷計算、完整穩性計算、破艙穩性計算等，是船廠轉型升級、提升核心競爭力、承接高附加值船舶訂單的強勁助力，具有一定的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]船舶設計實用手冊（總體分冊）[M].國防工業出版社，1997.

[2]IMO.海上人命安全公約[S].人民交通出版社，2009.

[3]海上移動平臺入級規范ABS.endprint