某半潛船疊船系統下潛作業過程中的穩性研究

王 輝，呂成飛，王秀娟，張玉明，李志勇

（1.中國石油工程建設有限公司西南分公司，四川成都610095；2.中遠海運工程物流有限公司，遼寧大連116001）

0 引 言

隨著陸地已探明石油和近海石油儲量的逐步下降，深海油氣資源勘探開發得到了越來越多的關注，與之相關的海上石油鉆井平臺、浮式生產儲油船等油氣開采設施相繼投入運營，這些設施大部分需長距離運輸到目的地，相應地帶動了半潛船，特別是大型半潛船的發展［1-2］。

半潛船作為一種用來運輸海上大型結構物的特種工程船，其載貨下潛作業的穩性問題一直備受關注。半潛船下潛作業時具有很高的風險，對完整穩性有很高的要求。半潛船的完整穩性分析工況主要有2 種，即：航行時的穩性；下潛作業時的初穩心高。針對半潛船半潛作業時的浮態和初穩性，挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）和中國船級社（China Classification Society，CCS）等都給出了明確的規定［3-4］。半潛船的作業穩性特點是當主甲板剛完全浸沒時，船體水線面突然減小，初穩心高驟減，已有文獻［5-8］研究了半潛船半潛作業過程中縱傾對其初穩性的影響，但未考慮半潛船裝載貨物入水時產生的浮力對穩性的影響。張泉［9］分析了箱型貨物對半潛船主甲板入水之后穩性的改善，但僅對形狀規則且重量較小的貨物進行了研究；劉旭等［10］分別對半潛船空載下潛和載貨下潛2 種狀態進行了研究，并分別針對縱傾狀態和平吃水狀態繪制了橫穩心高度hKM和初穩心高度hGM等一系列特征曲線，但研究的荷載僅為鉆井平臺；張玉喜等［11］采用層次分析法研究了不同因素對半潛船潛裝作業的影響；陳偉等［12］針對半潛船的完整穩性提出了很多改善穩性的措施，并指出不能簡單地將貨物作為載荷加到半潛船上，而應考慮其對穩性的貢獻，但未深入研究實際算例。

本文以某60 000 載重噸半潛船為例，基于Compass軟件建立半潛船及疊船模型，研究疊船工況下雙駁船的浮力對半潛船下潛作業時穩性的影響。

1 某半潛船運輸大件海洋結構物系統布置圖

以某60 000 載重噸半潛船為例，其主尺度見表1。該半潛船的作業工況為：在雙拖駁船上搭載井口平臺模塊，放置于半潛船甲板上（見圖1 和圖2），進行遠洋運輸和在目的地下潛作業。

表1 某60 000 載重噸半潛船主尺度

圖1 疊船系統浮托安裝積載側視圖

圖2 疊船系統浮托安裝積載俯視圖

2 半潛船下潛穩性衡準

CCS對半潛船半潛作業時的穩性［3］有詳細的規定，主要內容如下：

1）半潛船滿載甲板貨物準備下潛時，經自由液面修正的初穩心高度不小于1.00 m。

2）半潛船滿載甲板貨物在舉升甲板入水或出水過程中，其穩性應滿足下列衡量標準之一。

（1）在基本無浪的平靜水域，當蒲氏風級不超過3 級時，經自由液面修正的hGM不小于0.05 m；或當蒲氏風級不超過5 級時，經自由液面修正的hGM不小于0.10 m。

（2）在蒲氏風級不超過6 級、有義波高不超過0.5 m，或蒲氏風級不超過4 級、有義波高不超過1.0 m的水域，經自由液面修正的hGM不小于0.15 m。

3）當半潛船下潛至最大沉深時，經自由液面修正的hGM不小于0.50 m。

4）半潛船甲板上無承載物，在下潛或上浮的任何階段，經自由液面修正的初穩心高度均不應小于0.15 m。

5）當承載大型物件、船舶或海洋設施下潛作業時，可按承載物的實際位置和浮態計及其對穩性的影響。

除了CCS對半潛船的穩性有相關規定以外，DNV專門為半潛船和重吊船提供了重大件貨運技術方案，并制定了一系列指導規范，要求船舶的hGM不能低于0.15 m［4］。

綜上，經過對比CCS與DNV 關于半潛船下潛穩性的標準，hGM＞0.15 m 是下潛穩性衡準的一個重要指標［10］。

3 疊船系統下潛作業時的初穩性

本文的研究對象是半潛船搭載2 層模型，重量大、重心高，若僅將其作為施加在半潛船上的載荷，則其在下潛過程中的初穩性很小，會引發險情，因此本文主要研究2 種情況，即不考慮駁船浮力和考慮駁船浮力，分別研究半潛船下潛過程中穩性的變化規律。另外，若下潛過程中半潛船有一定的縱傾（艏傾），也可改善其初穩性，因此分別考慮半潛船在平吃水下潛及艏傾2 m和艏傾4 m狀態下的穩性。

3.1 不計入雙駁船浮力時的穩性規律

若不計入雙駁船的浮力，可簡單地將雙駁船和井口平臺看作均布載荷。此時的計算工況和穩性參數hKM、hGM的計算結果見表2，hGM和hKM曲線分別見圖3 和圖4。

表2 不計入雙駁船浮力時的計算工況和hKM、hGM的計算結果

圖3 不計入雙駁船浮力時的hGM曲線

圖4 不計入雙駁船浮力時的hKM曲線

由表2、圖3 和圖4 可知，當半潛船平吃水下潛時，在承載甲板入水之前，hGM值會隨hKM值的下降而大速率下降，但由于此時hKM值較大，hGM值在主甲板入水之前仍能保持較大的數值，例如該半潛船在吃水13.46 m處（主甲板高度為13.5 m，見表1）的hGM值能達到12.962 m。當主甲板瞬間入水時，hKM值因水線面的大量丟失而驟減，而浮心距基線高度hKB幾乎沒有變化，此時船舶的初穩性極差，hGM值在承載均布載荷情況下驟減至0.123 m。當承載甲板入水之后，hGM值隨吃水的增加而緩慢增大。主甲板入水瞬間即為穩性最差的時刻，主甲板入水前后浮態和穩性參數見表3。

表3 不計入雙駁船浮力時主甲板入水前后浮態和穩性參數（平吃水）

艏傾入水主要改善主甲板入水瞬間的hGM值，緩和平吃水時驟減的情況，且艏傾值越大，hGM值的改善情況越明顯。在貨物漂浮起來瞬間，由于此時的重量已完全由半潛船的壓載水艙提供，因此hGM值會有一個驟然增大的變化。

3.2 計入雙駁船浮力時的穩性規律

由3.1 節的分析可知，僅將疊船系統看作半潛船的外載荷，hGM的最小值在平吃水時將達到0.123 m，在主甲板入水之后會在貨物漂浮之前維持0.500 m以下的水平，這是非常危險的。在實際下潛過程中，駁船提供的浮力和水線面面積慣性矩都會使半潛船的下潛穩性有所改善。因此，在建立雙駁船模型時，將雙駁船以附體的形式作為半潛船的一部分（視二者為一個整體）。同時，根據半潛船的靜水力表、駁船和井口平臺的重量數據，可反推出平臺和駁船的漂浮吃水為17.500 m，因此僅將駁船模型建立到4 m的高度。

計入雙駁船浮力時的計算工況和hKM、hGM計算結果見表4，此時的hKM、hGM變化曲線相比未計入雙駁船浮力時平吃水情況下的hKM、hGM變化曲線見圖5 和圖6。

圖5 計入雙駁船浮力時的hKM曲線

圖6 計入雙駁船浮力時的hGM曲線

表4 計入雙駁船浮力時的計算工況和hKM、hGM計算結果

在主甲板入水瞬間，計入雙駁船浮力之后的hKM、hGM相比未計入雙駁船浮力時的hKM、hGM有所減小，但減小幅度大大下降；同時，該駁船水線面面積隨吃水的增加而逐漸增加，因此hKM值會有一個逐漸增大的過程，hGM值增大的趨勢也非常明顯，不再有低于0.15 m的危險值，直至疊船系統漂浮時，hGM值驟減至未計入雙駁船浮力時的數值。

仍以半潛船主甲板入水前后為主要觀察點，計入雙駁船浮力前后浮態和初穩性參數見表5。

對比表4 與表5 可知，在平吃水狀態下，當主甲板入水之后，駁船開始入水，提供了較大的水線面面積，此時hKB基本不變，排水體積略有增加，hGM仍在主甲板剛入水時驟減，但雙駁船對穩性的貢獻效果明顯，hGM值由僅計載荷時的0.123 m增大到11.474 m。

表5 計入雙駁船浮力時主甲板入水前后浮態和初穩性參數（平吃水）

計入雙駁船浮力時艏傾下潛狀態下的hKM和hGM變化曲線分別見圖7 和圖8。

圖7 計入雙駁船浮力時艏傾狀態下的hKM變化曲線

圖8 計入雙駁船浮力時艏傾狀態下的hGM變化曲線

從圖8 中可看出：在主甲板入水之前，艏傾使得半潛船的hGM值有所減小；在主甲板入水之后，雙駁船對穩性的貢獻非常明顯，主甲板入水瞬間的驟減趨勢大大緩和，隨著駁船2 主甲板入水，hGM值逐漸增大，駁船1的入水又使得半潛船的hGM值進一步增大，這種增大趨勢一直持續到主甲板完全入水；在主甲板完全入水之后，hGM值的增大趨勢逐漸減緩；在貨物漂浮瞬間，hGM值驟減至僅計載荷時的水平。

4 結 語

半潛船載貨下潛作業時，在主甲板入水瞬間，其水線面瞬間大幅度損失，且其承載的駁船加井口平臺這樣的疊船模型的重心高度hKG非常高，在僅把所載海洋結構物當作載荷的情況下，hGM值極易低于規范要求值，甚至出現負值，從而引發險情。本文主要研究了疊船模型下潛過程中穩性的變化，主要得到以下結論：

1）當不計入雙駁船浮力時，平吃水狀態下主甲板入水瞬間的hGM出現極小值0.123 m；在主甲板入水瞬間，艏傾狀態下hGM值改善至6.857 m，但主甲板完全入水之后，艏傾對hGM值的改善效果不明顯，即便保持很大的艏傾，hGM也易出現極小值，且實際作業中艏傾不利于保證結構強度滿足要求和作業的安全性。

2）當計入雙駁船浮力時，平吃水狀態下的hGM值增大，計入雙駁船的浮力可有效改善半潛船下潛過程中的穩性，將hGM值由0.123 m增大至11.474 m。在縱傾狀態下，hGM繼續增大，當駁船1 和駁船2 分別入水時，hGM值增大的趨勢非常明顯，表現出雙駁船分別對半潛船的整體穩性做出貢獻。在實際作業時，保持平吃水下潛即可使半潛船有足夠的穩性。