樁靴充水對自升式平臺拖航穩(wěn)性的影響

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(1.中國船級社海工技術(shù)中心，天津 300451;2.天津新港船舶重工有限責任公司，天津 300452)

樁靴充水對自升式平臺拖航穩(wěn)性的影響

孫濤1，朱佐鑫2

(1.中國船級社海工技術(shù)中心，天津 300451;2.天津新港船舶重工有限責任公司，天津 300452)

綜合考慮自升式鉆井平臺的完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性的衡準要求，以某自升式鉆井平臺為例，分別校核該平臺在樁靴充水及不充水狀態(tài)下拖航作業(yè)時的完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性，并對計算結(jié)果進行比較和分析，得出樁靴充水對自升式平臺靜水力、靜穩(wěn)性曲線以及許用重心高度曲線等方面的諸多影響，提出提高自升式平臺拖航穩(wěn)性的措施。

自升式平臺；樁靴；充水；拖航穩(wěn)性；許用重心高度

自升式平臺拖航工況作業(yè)程序復(fù)雜，由于拖航過程中遭遇強風暴導(dǎo)致平臺喪失水密完整性，最終傾覆沉沒是自升式平臺發(fā)生安全事故的主因。在進行自升式平臺拖航穩(wěn)性校核時，通常認為樁靴通海自由充水，其提供的浮力與樁靴中的壓載水重量抵消，因此不建立樁靴模型；也有些計算保守起見，樁靴始終保持不充水，基于此狀態(tài)建立樁靴模型并校核穩(wěn)性。以某自升式平臺為依托，利用ZenStab軟件建立平臺整體及艙室模型并進行穩(wěn)性校核，通過匯總2個拖航工況多個吃水下樁靴充水及不充水時該平臺的完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性計算結(jié)果，并開展分類對比，發(fā)現(xiàn)樁靴充水能夠在很大程度上提升自升式平臺穩(wěn)性儲備能力。同時，針對各拖航工況下樁靴是否充水以及樁靴充水狀態(tài)的穩(wěn)性校核方式給出具體建議。

1 穩(wěn)性要求與衡準

平臺的完整穩(wěn)性是指漂浮的平臺依靠傾斜后自身的復(fù)原力矩來抵抗外加傾側(cè)力矩的能力。而平臺的破損穩(wěn)性是指平臺破損進水后，依靠傾斜后自身的復(fù)原力矩，在規(guī)定的外加風壓作用下仍能保持不再繼續(xù)進水的能力[1]。自升式平臺的穩(wěn)性要求與衡準主要依據(jù)IMO MODU CODE 2009[2-3]、CCS 海上移動平臺入級規(guī)范 2016以及ABS MODU[4]中相關(guān)規(guī)定進行校核。本文綜合上述規(guī)定中最為嚴苛的衡準進行穩(wěn)性校核。

1.1 穩(wěn)性衡準

1.1.1 完整穩(wěn)性衡準

考慮處于最不利位置的最大材料荷載以及艙柜內(nèi)的自由液面影響，平臺在每一種作業(yè)模式下的穩(wěn)性，均應(yīng)滿足下列衡準。

1)穩(wěn)性計算中覆蓋全部作業(yè)吃水范圍，包括拖航狀況時的吃水，對有限航區(qū)拖航工況，選取風速為25.8 m/s；油田拖航工況，選取風速為36 m/s(70 kn)；遠洋拖航工況，選取風速為51.5 m/s (100 kn)。

2)復(fù)原力矩和風壓傾側(cè)力矩曲線應(yīng)為對應(yīng)于最危險衡準軸的曲線，見圖1。至第二交點或進水角(取其較小者)處復(fù)原力矩曲線下的面積，至少應(yīng)比同一限制角處風壓傾側(cè)力矩曲線下的面積大40%。

圖1 復(fù)原力矩和風壓傾側(cè)力矩曲線

3)復(fù)原力矩曲線從正浮至第二交點的全部角度范圍內(nèi)均應(yīng)為正值。

4)在所有漂浮作業(yè)工況整個吃水范圍內(nèi)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.15 m；

1.1.2 破損穩(wěn)性衡準

1)碰撞破損穩(wěn)性。選取最壞的穩(wěn)性狀態(tài)進行破損穩(wěn)性計算，并假定平臺處于無系泊的漂浮狀態(tài)，但如系泊約束對穩(wěn)性有不利影響時，就應(yīng)加以考慮。平臺應(yīng)具有足夠的干舷、儲備浮力和穩(wěn)性，以便在任何作業(yè)或遷移工況下任何艙室受到破損，并在來自任何方向風速為25.8 m/s的風傾力矩作用下，計及下沉、縱傾和橫傾的聯(lián)合影響后，破損水線應(yīng)低于可能導(dǎo)致發(fā)生繼續(xù)進水的任何開口的下緣。

我國生產(chǎn)和消費的資本含量都非常高，均高于進出口的資本含量，這是由于這一階段我國處于城市化發(fā)展的高潮，國內(nèi)鋼鐵、水泥、化工等資產(chǎn)密集型重工產(chǎn)業(yè)占據(jù)很大比重。

2)剩余穩(wěn)性。自升式平臺在經(jīng)受任何單個艙室浸水后的剩余穩(wěn)性應(yīng)滿足下式要求：

RoS=θm-θs≥max{(7°+15θs)，10°}

式中，RoS為穩(wěn)性范圍，(°)；θm為穩(wěn)性消失角，(°)；θs為單個艙室浸水后的靜傾角，(°)。其中，穩(wěn)性范圍的確定與進水角無關(guān)。

1.2 許用重心高度曲線

許用重心高度曲線應(yīng)是平臺滿足所需規(guī)范穩(wěn)性要求的各極限重心高度曲線的下限包絡(luò)線。為保證平臺拖航的穩(wěn)性及安全性，各拖航工況下吃水處的實際重心高度不能超過對應(yīng)許用重心高度[5]。需指出的是，實際裝載狀態(tài)下的許用重心高度曲線均需經(jīng)過自由液面修正后得到[6-8]。

2 工程計算實例

2.1 平臺簡介

本自升式平臺最大作業(yè)水深為122 m，最大可變載荷為4 030 t，最大吃水為5.639 m。

主船體部分是三角形鋼結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)見表1。平臺設(shè)有3個四邊形桁架式樁腿，其中平臺艏部樁腿位于主船體中心線上，艉部兩樁腿位于主船體中心線兩側(cè)，對稱布置，每個樁腿下裝置有樁靴。依據(jù)操船手冊所述平臺共有2個拖航工況，在典型壓載工況中給出特定吃水處平臺正浮時重心高度，見表2。

表1 平臺主尺度/m

表2 平臺拖航工況/m

2.2 計算方法

建立樁靴充水及不充水2種模型，除靜水力模型不一致外，風載模型、進水點、各拖航工況、水密艙室劃分及破損艙組等模型設(shè)置均一致。一般地，在樁靴充水模型中不建立樁靴，認為其通海自由充水不提供浮力；樁靴不充水模型中建立樁靴，認為樁靴提供浮力。

基于上述穩(wěn)性模型，依照相應(yīng)穩(wěn)性衡準分別進行完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性校核[9-11]。自升式平臺在進行穩(wěn)性計算時需要考慮從0°～360°的穩(wěn)性軸，間距為30°，經(jīng)過大量計算對比發(fā)現(xiàn)，各拖航工況下衡準軸為沿縱向中心線，即風沿橫向垂直于平臺中線入射時，完整穩(wěn)性最差[12]，因此下述結(jié)果對比全部基于衡準軸沿縱向中心線進行：

1)樁靴充水與不充水模型的排水量。

2)樁靴充水與不充水狀態(tài)下的復(fù)原力矩及傾側(cè)力矩。

3)樁靴充水與不充水狀態(tài)下的許用重心高度曲線。

許用重心高度曲線是平臺穩(wěn)性結(jié)果的直接反映。依次計算各拖航工況對應(yīng)的各衡準軸下完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性，最終在滿足穩(wěn)性衡準的前提下，分別求得樁靴充水及不充水狀態(tài)下各拖航工況對應(yīng)的許用重心高度曲線并加以對比。

2.3 計算模型

本例計算使用ZenStab軟件完成全部穩(wěn)性校核。鑒于樁靴充水模型不建立樁靴，受風結(jié)構(gòu)模型及其他設(shè)置與樁靴不充水模型一致，故圖2只顯示各拖航工況樁靴不充水模型。

圖2 各拖航工況平臺模型

2.4 樁靴充水與不充水計算結(jié)果對比

基于上述2種樁靴狀態(tài)校核方法和模型，依據(jù)相關(guān)穩(wěn)性衡準，分別校核2種樁靴狀態(tài)下該自升式平臺各拖航工況的完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性。在此基礎(chǔ)上對排水量、復(fù)原力臂及風傾力臂、許用重心高度曲線進行分項對比。

2.4.1 排水量對比

基于樁靴充水及不充水2種模型進行靜水力計算，表3中列出2種拖航工況對應(yīng)的樁腿長度以及樁靴下放位置，表4中列出2種樁靴狀態(tài)模型在相同吃水下對應(yīng)的排水量。

由表4可見，將樁靴充水，認為其通海自由充水時，全船排水量減小。即相同排水量下，樁靴充水比樁靴不充水對應(yīng)的吃水大。

2.4.2 復(fù)原力矩及風傾力矩曲線對比

按照油田拖航及遠洋拖航2種工況，分別繪制樁靴充水及不充水狀態(tài)下得到的復(fù)原力臂曲線及風傾力臂曲線，見圖3和圖4。

表3 不同工況對應(yīng)樁靴下放位置 m

表4 兩種樁靴狀態(tài)下相同吃水對應(yīng)排水量

圖3 油田拖航工況復(fù)原力矩和風壓傾側(cè)力矩

圖4 遠洋拖航工況復(fù)原力矩和風壓傾側(cè)力矩

由圖3、4可見，樁靴充水復(fù)原力臂曲線均在樁靴不充水復(fù)原力臂曲線上方，說明當平臺橫傾同樣的角度時，樁靴充水時中線降低，復(fù)原力矩增大[12]，抵抗風壓傾側(cè)力矩能力強，穩(wěn)性更好。樁靴充水時風壓傾側(cè)側(cè)力臂曲線始終在樁靴不充水傾側(cè)力臂曲線上方，這是因為樁靴不充水時作為浮體隨著樁腿下放至船底以下不同深度，其排水體積雖然相對整船排水體積較小，但仍有效降低了平臺的整體浮心；由此水面以上的受風面積減少，從而相同吃水下風傾力矩減小。

依據(jù)完整穩(wěn)性衡準，至第2交點或進水角(取其較小者)處復(fù)原力矩曲線下的面積至少為同一限制角處風壓傾側(cè)力矩曲線下面積的1.4倍。由上述對比圖能明顯看出，樁靴充水后面積比遠大于樁靴不充水的面積比,說明樁靴充水后有效提高了平臺的完整穩(wěn)性，增加了平臺的抗風暴傾覆能力。

2.4.3 許用重心高度曲線對比

自升式平臺在各種裝載情況依照完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性要求，得到許用重心高度曲線。樁靴充水及不充水模型對應(yīng)于各個拖航工況的許用重心高度曲線見圖5。

圖5 油田拖航許用重心高度曲線對比

由圖5可見，各個拖航工況下樁靴充水后許用重心高度曲線均在樁靴不充水許用重心高度曲線之上。這是由于當樁靴不充水時，樁靴隨樁腿下降一定深度，全船浮心降低；當平臺橫搖時，3個樁靴提供的浮力不利于平臺回復(fù)到正浮的平衡位置，導(dǎo)致平臺穩(wěn)性變差，從而導(dǎo)致平臺的穩(wěn)性不能滿足原穩(wěn)性衡準要求。因此，為了保證平臺穩(wěn)性滿足規(guī)范衡準要求，需要降低許用重心高度曲線。這說明，樁靴充水后，平臺完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性均有所提高，從而平臺拖航操作穩(wěn)性裕度更大，拖航安全性更高。

3 結(jié)論

1)樁靴充水在很大程度上提高自升式平臺抗風壓傾覆能力，對于提高許用重心高度有較大幫助。樁靴充水雖然會導(dǎo)致船體浮心升高，致使平臺所受風力增大，但影響相對很小。因此，樁靴充水不僅可提高自升式平臺拖航穩(wěn)性，增加平臺穩(wěn)性儲備能力，更可有效增加平臺拖航安全保障。

2)前期設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)拖航水深、樁腿下放深度、樁靴容積以及樁靴結(jié)構(gòu)強度等因素來確定各拖航工況能否充水。在有限航區(qū)或油田拖航作業(yè)時，為避免樁靴觸底發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，通常需要升起樁腿。考慮到樁腿重量及受風面積很大，起升樁腿易導(dǎo)致平臺重心升高，風壓傾側(cè)力矩增大，平臺拖航穩(wěn)性相對減弱。因此在水深允許的情況下，可以選擇將樁靴完全沒入水中，并注滿水降低全船重心，增加穩(wěn)性儲備。在遠洋拖航作業(yè)時，采用下降部分樁腿或截斷上部樁腿升起剩余樁腿的方式，以降低重心平臺重心，減少受風面積。當樁腿下放深度較大時，向樁靴充水，降低平臺重心，以增加平臺拖航穩(wěn)性。

3)在穩(wěn)性校核時，應(yīng)注意樁靴模型設(shè)置需與典型壓載工況相對應(yīng)。對于樁靴充水狀態(tài)，常認為樁靴通海自由充水，其提供的浮力與樁靴中的壓載水重量抵消，從而在典型壓載工況中也不體現(xiàn)樁靴壓載水一項，使用穩(wěn)性計算軟件建模時也不建立樁靴模型；如果典型壓載工況中有樁靴壓載水一項，則需要在穩(wěn)性模型中建立樁靴結(jié)構(gòu)，并以該典型工況配載后的浮態(tài)為初始浮態(tài)進行穩(wěn)性計算。但由于樁靴是水密浮力空間，因此，在計算平臺靜水力參數(shù)時需要基于操船手冊規(guī)定的樁靴完全回收位置建立樁靴模型。

4)風傾力矩對于平臺拖航工況的穩(wěn)性影響很大，在設(shè)計初期應(yīng)進行詳細的風傾力矩計算或者進行平臺風洞試驗，以確保穩(wěn)性分析的準確性。

[1] 中國船級社.海上移動平臺入級規(guī)范[S].北京：人民交通出報社，2016.

[2] IMO.Code for the Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units[S].IMO,2009.

[3] IMO.International Convention on Load Lines，1966，as Amended by the Protocol of 1988[S].IMO,1988.

[4] ABS.Rules for Building and Classing for Mobile Offshore Drilling Units[S].ABS,2016.

[5] 盛振邦,劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2009.

[6] 孫明,那榮慶,戴挺,等.樁腿升降對自升式平臺穩(wěn)性的影響[J].中國造船,2015,56:201-205.

[7] 孫明,李在鵬,王志超.基于不同樁腿位置的自升式平臺穩(wěn)性研究[C].2014年全國船舶穩(wěn)性學(xué)術(shù)研討會文集,2014.

[8] 孫東昌,潘斌.海洋自升式移動平臺設(shè)計與研究[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2008.

[9] 尹艷,莫建.自升式鉆井平臺穩(wěn)性計算方法研究[C]：2014年全國船舶穩(wěn)性學(xué)術(shù)研討會文集,2014.

[10] 吳曉蓮.自升式鉆井平臺穩(wěn)性分析[J].船舶設(shè)計通訊,2014(增刊1):8-11.

[11] 王思明,孫博文,程正華.箱型自升式平臺破損后剩余穩(wěn)性的研究[J].船海工程,2013，42(6):156-159.

[12] 楊涵婷,劉忠彥.中油海62自升式平臺的拖航穩(wěn)性計算分析[J].石油工程建設(shè),2011，37(增刊1):34-37.

Influence of Flooding Spud Can upon the Transit Stability of Self-elevating Drilling Units

SUNTao1,ZHUZuo-xin2

(1.Offshore Engineering Technology Center of CCS, Tianjin 300451, China;2.Tianjin Xingang Shipbuilding Heavy Industry Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

The stability criteria of self-elevating drilling units were described. The intact stability and damage stability in various transit conditions for self-elevating drilling units were checked based on the condition of whether taking the flooding of spud can into consideration. The influence of the flooding spud can on the stability of self-elevating drilling units, such as hydrostatic, static stability curve and allowable gravity center curve were analyzed on the basis of stability comparison results, so as to propose measures of enhancing the stability for transit condition.

self-elevating; jack up; spud can; flooding; transit stability; AVOG

U661.2

A

1671-7953(2017)06-0169-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.038

2017-01-05

2017-05-09

孫濤(1982—)，女，碩士，工程師

研究方向：海洋設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計、總體穩(wěn)性研究