方形自升式平臺穩性計算

薛江山，蘇立強，向小斌

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

自升式平臺是一種重要的移動式海上油氣開發裝備。平臺作業時樁腿下伸到海底，站立在海床上，使船體底部離開海面一定的距離（氣隙），拖航時樁腿收回，船體處于漂浮狀態，廣泛應用于各海域水深200 m以下的近岸區域。自升式平臺船體平面形狀主要為三角形、矩形、五邊形，船體形狀為正方形的平臺數量很少，樁腿數量分為 3條、4條及5條，樁腿結構型式多為柱型或桁架型。

自升式平臺在拖航過程中樁腿升得很高，因而重心高、穩性差，抗風浪能力不強，因而對其進行拖航穩性分析是十分必要的[1]。本文將以上海中遠船務工程有限公司（以下簡稱：公司）設計的一型正方形自升式平臺作為實例，依照美國船級社MODU規范的要求，利用穩性分析軟件GHS對該類型平臺的穩性進行分析。

1 計算模型

該自升式平臺為移動式近岸生產試驗平臺，工作海域為馬來西亞沿海，入級美國船級社（ABS）。本文的穩性分析主要針對該自升式平臺浮態下的各種裝載工況。

該平臺船體平面形狀為正方形，共有4條三角形桁架式樁腿，樁腿底部為樁靴式，每根樁腿長度約128 m。平臺的主尺度如表1所示。

穩性分析采用著名的穩性軟件 GHS（General Hydro Statics）進行建模模擬計算。船體模型（圖1）從基線到主甲板，并扣除樁腿圍井和海底閥箱的體積，坐標原點位于船體首部Fr0的基線處。由于樁腿和樁靴的體積比船體小的多，模型中則假定所有工況中樁靴是進水的，并忽略水下部分的樁腿。因此，樁靴和樁腿不包含在浮體的模型中。

表1 平臺主尺度

圖1 平臺浮體模型

圖2 主船體艙室分隔

根據穩性衡量標準計算得出許用重心高度曲線，將各裝載工況下平衡配載后得到的實際重心高度與之進行比較，若實際重心高度不超過許用重心高度則認為：各裝載工況下，平臺的穩性滿足船級社規范的要求。主船體艙室分隔見圖2。

本平臺主結構完工后需拖航到總裝廠安裝上部模塊，結合整個平臺的建造安裝程序，本案選取的裝載工況為：1）平臺主結構完工工況；2）平臺拖航到總裝廠工況；3）平臺總裝完工工況；4）平臺拖航到作業地點，100%油水工況；4）平臺拖航到作業地點，50%油水工況；5）平臺拖航到作業地點，10%油水工況；6）平臺滿載6 m吃水工況。

經過自由液面修正后，各工況平臺統計的重心高度如表2所示。

表2 統計重心高度

2 風載荷計算

風載荷是穩性計算中的主要外載荷，在分析計算中，將作用在平臺上的風載荷轉換為風傾力矩，并施加到模型中。風壓值按照美國船級社《海上移動平臺入級規范》（MODU）公式計算[3]，見式（1）。

式中：f為系數，取值 0.611；Vk為風速，m/s；Ch為高度系數，根據不同高度按規范選?。籆s為形狀系數，根據不同形狀按規范選取。

由于該平臺主體為正方形（圖3），各方向的水線面慣性矩較接近，因此任何方向的橫傾軸都可能是對應的危險工況。因此，每隔 30°作為橫傾軸，并計算1次作用于平臺上的風載荷。

圖3 橫傾軸

根據美國船級社 MODU規范對穩性的要求，風速取50 kn、70 kn和100 kn，考慮吃水應覆蓋所有的裝載工況，吃水分別為3 m、4 m、5 m、6 m，并結合不同橫傾角度，按上述每個方向的橫傾軸計算風傾力矩（圖4）。風傾力矩的計算結果是影響穩性計算的主要因素[2]。

漂浮狀態下，平臺主要受風面積包括水線以上主船體、樁腿、模塊、火炬塔、生活樓、吊車等，最大受風面積超過8 000 m2，拖航時，考慮樁腿全部收起的狀態。計算樁腿風載荷時，為簡化計算，將桁架式結構等效為圓柱形結構，并使圓柱所得的風載荷與桁架樁風載荷相等，此計算中滿實系數取0.32。

圖4 典型工況風傾力矩曲線

3 穩性分析

3.1 穩性衡準

其穩性衡準需滿足美國船級社 MODU規范對自升式平臺的要求。MODU規范對自升式平臺穩性要求，即穩性分析應考慮拖航過程中，各吃水情況下最危險工況的復原力矩和風傾力矩曲線，并考慮自由液面的影響。

1）完整穩性：平臺應能承受等效于水平方向的風力產生的橫傾力矩。在無限航區，拖航狀態下風速選取70 kn，此外還應考慮生存工況下的風速（選取100 kn）。至復原力矩與風傾力矩的第2交點或進水角處（取小者）復原力矩曲線下的面積應≥至同一限定角處風傾力矩曲線下面積的40%。

2）破損穩性：破損后平臺應能承受來自各個方向、風速50 kn的風力產生的風傾力矩，并有足夠的浮力和穩性。其中，破損假定包括這些情況。（1）碰撞破損情況下，水平方向破損穿透深度 1.5 m，垂直方向從平臺底部往上沒有限制，有效水密艙壁之間的距離在破損穿透范圍內不小于3 m；如果水密艙壁之間的距離小于3 m，應考慮多個水密艙壁同時破損的情況。（2）臨近海水的任一水密分艙進水。（3）任一水密分艙進水。

破艙后，不同艙室的推薦滲透率為：儲藏室0.95、機械處所0.85、起居處所0.95、艙室及空艙0.95。進水角≥復原力矩曲線與風傾力矩曲線的第一交點。

3）剩余穩性：按照規范要求，自升式平臺應有足夠的剩余穩性，平臺任一水密分艙進水后，不考慮風載荷的影響，剩余穩性應滿足穩性消失角與平衡角的差值≥7°與 1.5倍平衡角的和，并且穩性消失角與平衡角的差值不小于10°。

3.2 完整穩性

完整穩性分析計算中，只考慮了100 kn風速下每隔 30°橫傾軸對應風向下的風傾力矩（覆蓋了70 kn風速），并分別計算了平臺左傾和右傾的情況，滿足完整穩性衡準。計算結果見表3。

表3 完整穩性計算結果

3.3 破損穩性

破損穩性分析計算中，考慮了50 kn風速下每隔 30°橫傾軸對應風向下的風傾力矩。結合破損假定結果，考慮了任一水密分艙進水的情況，滿足破損穩性衡準。計算結果見表4。

表4 破損穩性計算結果

3.4 剩余穩性

剩余穩性分析計算中，按照規范要求，考慮任一水密分艙進水和不考慮風力的影響，以滿足剩余穩性衡準。計算結果見表5。

表5 剩余穩性計算結果

3.5 最大許用重心高度曲線

把完整穩性、破損穩性及剩余穩性的數據以吃水和最大許用重心高度為橫縱坐標軸作出相應曲線，并將各裝載工況下實際重心高度標注在上述坐標系中，如圖5所示。

圖5 最大許用重心高度曲線

由圖5可知，標注點均位于各穩性最大許用重心高度曲線以下，說明各裝載工況下的穩性滿足規范要求。平臺的許用重心高度隨吃水的增加而明顯減小，由此可知，吃水較大時，對相應工況重心高度的要求更高。

4 結論

本文按照美國船級社 MODU規范的穩性衡準要求計算分析了一型正方形船體自升式平臺的穩性。正方形平臺不同于常規的三角形和矩形，其各個方向的性能均比較接近，因此各個方向作為橫傾軸的穩性都有可能是危險工況。穩性計算結果采用最大許用重心高度作為衡準，各工況的重心高度均應滿足要求。本文的穩性分析為今后正方形自升式平臺浮態穩性計算提供了參照。