鉆井平臺裝船關鍵點拖纜張力極限值算法研究
——基于實踐經驗和拖纜張力計算模型的交互實踐

王國亮

（煙臺港引航站，山東 煙臺 264000）

目前，鉆井平臺裝船作業(yè)的研究，主要停留在引航員及裝船總指揮的經驗歸納中，少有量化的總結，缺乏普遍的指導意義。在上述作業(yè)中，鉆井平臺首尾線與半潛船甲板支撐底座中心線重合后，由拖輪調整鉆井平臺船位，靠半潛船纜繩將鉆井平臺絞入半潛船固定平臺的位置，這一過程是鉆井平臺裝船作業(yè)的關鍵節(jié)點。該節(jié)點須建立于誤差最小，穩(wěn)定性最高的平臺位移操縱的基礎上。因此，該節(jié)點的作業(yè)，需要各方面極其精確的量化掌控。本文僅從該節(jié)點下，引航員操控拖輪調整鉆井平臺位移過程中，引航員要求拖輪拖纜張力極限區(qū)間的方面進行研究。即：引航員要求拖輪拖纜張力的可控區(qū)間計算。這一張力量化區(qū)間與引航員經驗交互，得出一套可實踐的操控方法。

1 研究現狀

鉆井平臺裝船作業(yè)的研究，主要集中在水域環(huán)境限制要求，安全作業(yè)方案及技術協(xié)調方面。以引航員及裝船總指揮的經驗為主要研究對象，缺乏對關鍵節(jié)點的量化總結。研究方向主要為以下三個方面：

（1）對成功案例的技術因素、環(huán)境因素、管理因素的歸納。如李晗、章文俊等對大連雙鉆井平臺裝船作業(yè)的過程歸納。

（2）結合成功經驗，對作業(yè)過程中的要素分析。如張錫海、龍啟汛對此種作業(yè)中環(huán)境要素、穩(wěn)性要素的分析。從而系統(tǒng)性地從多維角度闡述了平臺裝船作業(yè)的流程總結及要素分析。

（3）以技術協(xié)調為主要研究對象的經驗分享。如宋炳貴對此種作業(yè)中拖輪使用經驗的分享。

（4）仿真模擬方面的研究。國內對鉆井平臺裝船仿真模擬方面的研究目前處于起步階段，并沒有大規(guī)模全方位的指導意義。僅僅停留在平臺六自由度操縱模擬、拖輪頂推拖帶仿真模擬方面。如張玉喜對于鉆井平臺拖帶運動的模擬仿真研究。對于裝船作業(yè)的關鍵節(jié)點，即平臺距半潛船裝載距離50 厘米以內的模擬操縱研究，尚處空白。

綜上見表1，鉆井平臺裝船作業(yè)的研究，目前集中在泛論階段。對于平臺裝船的關鍵節(jié)點的平臺位移操縱，多為經驗總結，缺乏量化管理。

表1 鉆井平臺裝船研究現狀表

2 關鍵節(jié)點概述

鉆井平臺首位線與半潛船甲板支撐底座中心線重合后，利用半潛船的纜繩將鉆井平臺絞至平臺安裝位置的過程，特別是平臺距半潛船甲板固定平臺位置50 厘米內的平臺位移操縱，是鉆井平臺裝船作業(yè)的關鍵節(jié)點。如圖1

圖1 鉆井平臺裝船作業(yè)的關鍵節(jié)點

其關鍵要素在于以下兩點：

2.1 拖輪對鉆井平臺的位移控制

通常，當鉆井平臺在半潛船處帶妥纜繩后，僅在平臺離船側（距半潛船較遠側，下同）帶有兩艘拖輪，通過拖輪的頂推拖拉對平臺位置移動進行微調。（見圖1拖輪）其作用在于，當半潛船纜繩絞入平臺速度過快，拖輪拖拉平臺，起到降速的作用；其難點在于，拖輪拖拉過度，平臺會停止進入半潛船的勻速運動，轉而變成遠離平臺的加速運動。在這一加速運動中，很可能產生因兩艘拖輪拖拉力臂不一致而導致的偏轉運動。這一運動在空間受限的半潛船內極易產生碰撞危險。

2.2 半潛船纜繩對平臺的拉力作用

半潛船纜繩對平臺的拉力作用，是平臺進入半潛船的主要作用力。作業(yè)過程的關鍵點在于，微速、勻速地拉動平臺進入半潛船固定平臺位置。確保平臺首位線始終垂直于半潛船首尾線，確保平臺首位線始終重合與半潛船甲板支撐底座中心線，其誤差應小于15 厘米。

3 關鍵節(jié)點處的拖輪拖纜拉力極限區(qū)間值求取及其應用

如前述：鉆井平臺裝船作業(yè)的關鍵節(jié)點處，拖輪對平臺的拖拉作用，可以有效防止半潛船纜繩拉動平臺產生加速運動，造成平臺碰撞半潛船的事故。拖輪的拖拉作用，是平臺能夠安全進入預定位置的核心要素。但同時，對拖輪拖拉平臺的操縱，目前停留在引航員基于現場情況的經驗判斷，沒有量化數據支撐這一判斷，往往造成拖輪拖拉過大而致使平臺停止進入半潛船的勻速運動，甚至產生平臺遠離預定位置的加速運動及不能重合半潛船甲板支撐底座中心線的偏轉運動。因此，關鍵節(jié)點處，拖纜張力應控制在一個合適的區(qū)間內，為引航員控制拖輪提供數據參考具有重大意義。引航員在實際工作中，對于拖纜張力的把握并不直觀，每時每刻查詢當時的拖輪張力沒有實際意義，因此，應利用拖纜張力與拖輪速度的數學關系，通過拖纜張力求得拖輪速度，將拖輪速度控制在極限值以下的方法，可以幫助引航員直觀地控制拖輪拖纜張力。

3.1 通過拖纜張力的極限值求得關鍵節(jié)點處拖輪速度

為保持平臺近勻速緩慢進入預定位置，拖纜張力極限值應小于等于半潛船纜繩對平臺的拉力直至張力為0。通過拖纜張力極限值同拖輪航速間的數學關系，可以求得式（1）：

式中：——拖輪拖纜張力，KN

——半潛船纜繩拉力，KN

其中，可以通過纜繩產品質量證明書上的安全工作符合查到，因此，可以得到的極限值。根據《U.S.NAVY Towing Manual》，可得式（2）：

式中：T——拖輪穩(wěn)態(tài)拉力

T——拖輪因偏當運動產生的動態(tài)拉力

T——拖輪和被拖船受波浪運動產生的動態(tài)拉力

其中：根據張錫海對鉆井平臺裝船環(huán)境影響的研究及實踐可知，此種作業(yè)所需海浪、風力、洋流有嚴格限制。如表2。

表2 鉆井平臺裝船作業(yè)對環(huán)境要求表

因此，在此種環(huán)境下，拖輪受海浪影響的偏當運動幅度很小，由此產生的T、T可以忽略不計。因此可得式（3）：

根據《海上拖船指南》，可得式（4）：

式中：R——拖輪總阻力，KN

R——拖纜阻力，KN

T——拖纜張力的垂直分量

其中：因拖輪拖纜為尼龍纜，拖帶平臺時幾乎沒有下垂量，因此拖纜張力的垂直分量T忽略不計；根據崔鶴懷關于《基于.NET 的拖航中拖纜張力監(jiān)測與輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)》的研究成果，拖纜阻力R經驗值為拖輪總阻力R的10%。因此，通過式4 可求導出拖輪總阻力R。

將R代入式（5）。

式中：R——被拖船（鉆井平臺）的摩擦阻力，KN

R——被拖船（鉆井平臺）的剩余阻力

R——拖船的摩擦阻力

R——拖船的剩余阻力

其中：拖船的摩擦阻力R、拖船的剩余阻力R可通過查閱拖輪設計資料獲取。因此，通過式（5）可得出R+R的和，設該和為W。

將R+R結果W 代入式（6）。

將式（6） 展開，得式（7）。

V——船舶拖航速度，M/s

A——船舶水下濕表面積，m

A——浸水部分的船中橫剖面，m

4 關鍵節(jié)點處引航員對上述數學公式的實踐驗證交互研究及技術協(xié)調

4.1 實踐驗證交互研究

引航員在鉆井平臺作業(yè)前，通過計算求導出拖纜張力極限值時的速度V 后，在關鍵節(jié)點作業(yè)時應時刻注意，拖輪速度不能超過極限速度V。如果超過極限速度V，意味著拖輪拉力大于半潛船纜繩拉力，則鉆井平臺將會有遠離半潛船的趨勢。因此，船速越高，引航員警覺性應該越強。時刻注意不要讓拖輪速度超過極限速度V。見圖2

圖2

4.2 技術協(xié)調

在裝船作業(yè)的關鍵處控制拖輪時，引航員及裝船總指揮不可教條，拖輪速度V 的求值只能作為關鍵處拖輪操縱的量化參考。對于現場情況變化所導致的一切不可預測因素，如風力突然增大，風向突然改變，潮汐變化異常等，應及時調整對拖輪速度V 的預期。不可在不考慮環(huán)境因素改變的情況下完全依靠量化結果操船。