基于壓載水法的半潛平臺(tái)傾斜試驗(yàn)

劉鋼東，周喜寧，李子凡

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000;2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226000)

半潛鉆井平臺(tái)完工交付之前，為了驗(yàn)證平臺(tái)的可變載荷是否滿足合同設(shè)計(jì)要求，需要測量平臺(tái)的空船重量及重心位置，以便在實(shí)際裝載過程中得到一個(gè)準(zhǔn)確的浮態(tài)。常規(guī)船舶或半潛平臺(tái)傾斜試驗(yàn)通常采用壓鐵達(dá)到傾斜，對(duì)于大型散貨船或者起重船，也有采用壓載水作為配重，而對(duì)于半潛平臺(tái)由于壓載艙液位測量限制，基本都是采用壓鐵進(jìn)行傾斜試驗(yàn)。且半潛平臺(tái)在傾斜試驗(yàn)時(shí)，倘若碼頭水深不夠，則需要在海上試驗(yàn)，采用壓鐵在海上試驗(yàn)時(shí)間長、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高。為了提高試驗(yàn)效率，提出采用駁運(yùn)壓載水的方法進(jìn)行半潛平臺(tái)的傾斜試驗(yàn)。中國船級(jí)社《船舶傾斜試驗(yàn)與靜水橫搖試驗(yàn)實(shí)施指南》也同意在難以采用固體重量塊的情況下，經(jīng)主管機(jī)關(guān)同意，可采用壓載水作為試驗(yàn)重量。以1艘半潛鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象，實(shí)船試驗(yàn)分析各階段參數(shù)的敏感性。

1 試驗(yàn)吃水

試驗(yàn)平臺(tái)基本參數(shù)及試驗(yàn)儀器見表1。

表1 平臺(tái)基本參數(shù)及試驗(yàn)儀器

(1)

(2)

那么，平臺(tái)實(shí)際測量計(jì)算得到的重心高度與理論中心高度的偏差可通過下述公式計(jì)算得到：

(3)

平臺(tái)在不同吃水下，由于擺錘測量誤差1%引起的垂向重心高度變化見表2。

表2 不同吃水下垂向重心高度試驗(yàn)誤差

由表2可知，傾斜試驗(yàn)因不同吃水導(dǎo)致的重心高度偏差隨吃水增加而減少，在浮箱吃水(10 m以下)計(jì)算得到的重心高度誤差約為立柱吃水(10 m以上)的10倍。由于在吃水11～13 m之間設(shè)有4根徑為2 m的橫撐，導(dǎo)致在該區(qū)域進(jìn)行傾斜試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差較立柱其他吃水大。因此，本平臺(tái)的試驗(yàn)吃水需在14 m以上，本次試驗(yàn)的吃水選取15 m。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 壓載系統(tǒng)能力

平臺(tái)設(shè)計(jì)初期，為了減少建造成本，減少管路布置，一般按照左右浮箱配置兩套獨(dú)立的壓載系統(tǒng)。而傾斜試驗(yàn)為保證平臺(tái)在試驗(yàn)期間排水量保持不變，壓載系統(tǒng)不應(yīng)與外界壓載水進(jìn)行交換，因此，在確定設(shè)計(jì)方案之前需確定平臺(tái)壓載水系統(tǒng)是否能夠通過自身駁運(yùn)壓載水傾斜平臺(tái)。本平臺(tái)的壓載系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 壓載系統(tǒng)原理示意

由圖1可知：通過控制艏艉壓載泵以及壓載艙18P/S和25P/S的進(jìn)水閥，可使平臺(tái)艏艉傾斜，且傾斜角度滿足試驗(yàn)要求。

2.2 駁運(yùn)壓載水自由液面影響

為了減少駁運(yùn)壓載水對(duì)垂向重心高度影響，駁運(yùn)壓載艙應(yīng)盡量選擇在傾斜方向上自由液面較小且形狀規(guī)則的艙室。試驗(yàn)選取形狀規(guī)則且縱向長度僅2 m的立柱壓載艙WB18P/S和WB25P/S作為駁運(yùn)壓載艙。通過查詢艙室測深表，每個(gè)壓載艙的縱向自由液面FMSL對(duì)平臺(tái)重心高度產(chǎn)生的影響見表3。

表3 駁運(yùn)壓載艙自由液面影響

由表3可知，選取的駁運(yùn)壓載艙總的最大自由液面對(duì)平臺(tái)重心高度產(chǎn)生的影響不到0.1%，可以忽略不計(jì)。

2.3 壓載艙液位測量

由于半潛平臺(tái)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)性要求，平臺(tái)的壓載艙需要布置在浮箱和立柱區(qū)域，進(jìn)而壓載艙一般不能布置測試管，而船級(jí)社為了保證數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性和可校驗(yàn)性，一般要求手動(dòng)測量壓載艙液位，將液位傳感器則作為輔助工具進(jìn)行校驗(yàn)。因此，選定的駁運(yùn)壓載艙除形狀規(guī)則，自由液面影響小以外，在試驗(yàn)過程中，人員還需能夠進(jìn)入壓載艙安全的測量駁運(yùn)壓載艙的液位。

試驗(yàn)選取的駁運(yùn)壓載艙結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 駁運(yùn)壓載艙結(jié)構(gòu)圖

該艙內(nèi)部設(shè)有3層平臺(tái)，每層平臺(tái)高度為2 m，每層平臺(tái)之間通過交錯(cuò)布置的直梯上下，但是由于在每層平臺(tái)直梯下端設(shè)有防止人員掉落的鋼制格柵，且標(biāo)尺穿過格柵孔保證標(biāo)尺垂直與壓載艙，因此人員不能直接對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行讀數(shù)。試驗(yàn)時(shí)，人員通過頂部人孔進(jìn)入駁運(yùn)壓載艙，并在每層平臺(tái)上采用工業(yè)內(nèi)窺鏡穿過平臺(tái)格柵對(duì)準(zhǔn)液位，通過視頻信號(hào)讀取每次駁運(yùn)的壓載水液位。

3 誤差敏感性分析及實(shí)船試驗(yàn)

影響半潛平臺(tái)傾斜試驗(yàn)垂向重心高度的因素有臨時(shí)重量統(tǒng)計(jì)，擺錘讀數(shù)，U形管讀數(shù)等。采用單一變量法，保持其他參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)變量來評(píng)估該變量對(duì)重心高度的影響。

3.1 臨時(shí)重量影響

臨時(shí)重量統(tǒng)計(jì)必要且繁重。

試驗(yàn)中的臨時(shí)重量一般分為兩類，一類是具有設(shè)備資料的重物，該類重物的重量可通過資料查詢得到，在試驗(yàn)過程中默認(rèn)這類重物的重量是1個(gè)準(zhǔn)確值。第二類重量無法通過相關(guān)資料查詢得到，一般通過經(jīng)驗(yàn)估算得到，該類重量統(tǒng)計(jì)誤差較大。

(4)

式中：為無設(shè)備資料臨時(shí)重量總和；為單獨(dú)的臨時(shí)重量；為隨機(jī)因子；為隨機(jī)范圍。

通過設(shè)定隨機(jī)范圍可計(jì)算得到無設(shè)備資料的臨時(shí)重量總和，之后依據(jù)試驗(yàn)測量得到不同隨機(jī)范圍下的垂向重心高度。

以隨機(jī)范圍=0為參照組，設(shè)定隨機(jī)范圍分別為±5%、±10%、±15%，以不同隨機(jī)范圍下的無設(shè)備資料臨時(shí)重量總和作為變量輸入值(見圖3)，計(jì)算得到空船狀態(tài)下不同隨機(jī)范圍下的垂向重心高度，見表4。

圖3 可變載荷誤差計(jì)算流程

表4 不同隨機(jī)范圍下空船VCG變化差異

由表4可知，臨時(shí)重量統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)平臺(tái)重心高度影響很小。在稱重不允許的情況下，可通過經(jīng)驗(yàn)快速估算得到主甲板上臨時(shí)重量。

3.2 擺錘讀數(shù)影響

海上傾斜試驗(yàn)受環(huán)境條件的影響較大，為了降低環(huán)境條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，船級(jí)社要求試驗(yàn)期間風(fēng)速不能大于蒲氏2級(jí)，如果條件不允許則可不大于蒲氏3級(jí)。可見試驗(yàn)期間，因?yàn)榄h(huán)境參數(shù)導(dǎo)致的擺錘讀數(shù)誤差范圍波動(dòng)不會(huì)太大，本試驗(yàn)吃水15 m，排水量=40 979.4 t，擺錘長度=11.585 m，無風(fēng)條件下擺錘最大縱傾理論偏移量=0.292 2 m，考慮風(fēng)以及讀數(shù)誤差影響，假設(shè)本試驗(yàn)擺錘理論讀數(shù)與實(shí)際讀數(shù)偏差分別為為±10、±20、±30 mm，分析平臺(tái)垂向重心高度變化隨擺錘讀數(shù)誤差的影響。

(5)

由表5可知，擺錘讀數(shù)誤差對(duì)平臺(tái)重心高度較為敏感，特別是當(dāng)讀數(shù)誤差超過30 mm時(shí)，其重心偏差達(dá)到0.7 m，因此，在試驗(yàn)期間應(yīng)盡量控制擺錘讀數(shù)在誤差10 mm以內(nèi)。

表5 擺錘讀數(shù)誤差引起的重心高度偏差

3.3 U形管讀數(shù)影響

U形管數(shù)據(jù)測量一般受環(huán)境溫度影響，如果試驗(yàn)期間溫差變化較大，特別是采用軟管作為U形管容易發(fā)生熱漲冷縮現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，判斷U形管是否發(fā)生熱漲冷縮簡單的方式是對(duì)每次駁運(yùn)壓載水后的U形管讀數(shù)進(jìn)行求和，如果試驗(yàn)期間，U形管每步讀數(shù)總和基本保持不變，可忽略本次試驗(yàn)中熱脹冷縮的影響。試驗(yàn)U形管布置在船中，長度=11.005 m，試驗(yàn)過程中U形管總讀數(shù)基本不變，最大縱傾角時(shí)液位變化較初始值差mm，由于U型管讀數(shù)僅受平臺(tái)縱搖影響，其誤差較小，假設(shè)讀數(shù)誤差在±5，±10 mm時(shí)，依據(jù)式(5)，其對(duì)重心高度的影響見表6。

表6 U形管讀數(shù)誤差引起的重心高度偏差

由表6可知，U形管讀數(shù)誤差引起的重量高度與擺錘影響基本一致，但是由于U形管讀數(shù)受環(huán)境因素較小，其引起的重心高度絕對(duì)誤差比擺錘小。

3.4 實(shí)船試驗(yàn)

為了提高試驗(yàn)效率和精度，采取以下措施。

1)對(duì)于主甲板上大型臨時(shí)設(shè)備重量，通過查詢?cè)O(shè)備資料得到，對(duì)于散裝的臨時(shí)重物通過經(jīng)驗(yàn)估算得到。

2)擺錘位置布置在避風(fēng)位置，且擺錘油槽內(nèi)采用粘度較高的油品。

3)U形管中間的段采用浸濕的防火毯包裹，防止其與主甲板接觸，減少熱脹冷縮風(fēng)險(xiǎn)。

采用上述方法和措施，僅3 h便完成了海上傾斜試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7，試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果均滿足船級(jí)社規(guī)范要求。

表7 實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)半潛平臺(tái)傾斜試驗(yàn)吃水需在立柱區(qū)域。

在浮箱吃水測量得到的重心高度誤差約為在立柱吃水的10倍左右。

2)半潛平臺(tái)采用壓載水進(jìn)行試驗(yàn)的基本條件：壓載水能夠進(jìn)行內(nèi)部駁運(yùn)，并且能夠進(jìn)行手動(dòng)測量液位，同時(shí)該壓載艙在傾斜方向上自由液面足夠小。

3)半潛平臺(tái)各測量設(shè)備中，擺錘讀數(shù)對(duì)重心高度影響最大，臨時(shí)重量統(tǒng)計(jì)對(duì)重心高度影響較小；在溫差較大時(shí)，采用軟管作為U形管需考慮熱漲冷縮作用。

4)通過實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證了半潛平臺(tái)上采用壓載水進(jìn)行傾斜試驗(yàn)的可行性。