中油海62自升式平臺(tái)的拖航穩(wěn)性計(jì)算分析

楊涵婷，劉忠彥

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028）

中油海62自升式平臺(tái)的拖航穩(wěn)性計(jì)算分析

楊涵婷，劉忠彥

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028）

自升式平臺(tái)作為一種重要的移動(dòng)式平臺(tái)，是開(kāi)發(fā)海洋石油的基礎(chǔ)裝備。文章以中油海62平臺(tái)為例，運(yùn)用MOSES軟件建立自升式平臺(tái)模型，計(jì)算各工況下平臺(tái)拖航的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性，通過(guò)分析研究得到不同狀態(tài)下最危險(xiǎn)的傾覆軸方向和最危險(xiǎn)的破損艙室，結(jié)果表明平臺(tái)穩(wěn)性滿(mǎn)足規(guī)范要求。

自升式平臺(tái)；完整穩(wěn)性；破艙穩(wěn)性；MOSES軟件

1 概述

海上移動(dòng)式平臺(tái)拖航是比較危險(xiǎn)的作業(yè)工況，有文獻(xiàn)表明在平臺(tái)完全損失事故統(tǒng)計(jì)中，由于穩(wěn)性缺陷引起的占近35%[1]。平臺(tái)拖航時(shí)樁腿升起，高聳的樁腿使風(fēng)傾力矩增加；此外，由于樁腿與樁靴自重較大，升樁會(huì)引起平臺(tái)重心顯著升高，這些都會(huì)對(duì)平臺(tái)拖航穩(wěn)性造成極不利的影響。本文以改造后的中油海62平臺(tái)為例進(jìn)行拖航完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性的計(jì)算分析。

1.1 完整穩(wěn)性及標(biāo)準(zhǔn)

平臺(tái)的穩(wěn)性與船舶類(lèi)似，主要是指其在外力作用下偏離其平衡位置而傾斜，當(dāng)外力消失后，能自行回復(fù)到原來(lái)平衡位置的能力[2]。平臺(tái)的穩(wěn)性隨裝載情況變化，為確保平臺(tái)在所有的裝載狀態(tài)下都有足夠的穩(wěn)性，需要對(duì)幾種典型的工況進(jìn)行穩(wěn)性校核。平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算的關(guān)健在于確定復(fù)原力矩和風(fēng)傾力矩[2]。最小傾覆力矩用Mq表示，風(fēng)傾力矩用Mf表示，兩者之比為K（稱(chēng)為穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)），其值≥1時(shí)滿(mǎn)足穩(wěn)性要求，即：

式中Mq——最小傾覆力矩，表示平臺(tái)在最危險(xiǎn)情況下抵抗外力矩的極限能力；

Mf——風(fēng)傾力矩，表示在惡劣海況下風(fēng)對(duì)平臺(tái)作用的動(dòng)傾力矩；

lq——最小傾覆力臂；

lf——風(fēng)傾力臂。

對(duì)于自升式平臺(tái)，至第二交點(diǎn)或進(jìn)水角處的復(fù)原力矩曲線下的面積中的較小者， 至少應(yīng)比至同一限定角處風(fēng)傾力矩曲線下面積大40%；即復(fù)原力矩與風(fēng)傾力矩曲線面積比≥1.4（面積比即穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)）， 即 （A+B） ≥1.4（B+C）， 對(duì)應(yīng)的傾角是第二交點(diǎn)或者入水點(diǎn) （兩者取較小者），如圖1所示。

1.2 破艙穩(wěn)性原理及標(biāo)準(zhǔn)

破艙穩(wěn)性是指平臺(tái)破艙后，依靠自身傾斜后的復(fù)原力矩，在規(guī)定的外加風(fēng)壓作用下仍能保持不再繼續(xù)進(jìn)水的能力[3]。

破艙穩(wěn)性計(jì)算應(yīng)選取最壞的穩(wěn)性狀態(tài)，并假定平臺(tái)處于無(wú)系泊的漂浮狀態(tài)，但如系泊約束對(duì)穩(wěn)性有不利影響時(shí)，就應(yīng)加以考慮。破艙穩(wěn)性計(jì)算中，各處所或處所一部分的滲透率應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定[3]。

平臺(tái)應(yīng)具有足夠的干舷、儲(chǔ)備浮力和穩(wěn)性，以便在任何作業(yè)或遷移狀況下任一艙室受到規(guī)范規(guī)定的破損后，并在來(lái)自任何方向、風(fēng)速為25.8 m/s的風(fēng)傾力矩作用下，計(jì)及下沉、縱傾和橫傾的聯(lián)合影響后，最終水線應(yīng)低于可能發(fā)生繼續(xù)浸水的任何開(kāi)口的下緣[4]。 即滿(mǎn)足 （A+B） ≥ （B+C）， 如圖2所示。

2 穩(wěn)性計(jì)算實(shí)例

以中油海62自升式平臺(tái)為例，該平臺(tái)是獨(dú)立圓柱樁腿懸臂梁型自升式修井平臺(tái)，鋼質(zhì)非自航。平臺(tái)設(shè)計(jì)最大作業(yè)水深為40 m，最大修井深度為5 500 m。根據(jù)作業(yè)要求需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行改造，其重量和重心隨改造而發(fā)生變化，其浮態(tài)及拖航穩(wěn)性也隨之改變。該平臺(tái)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 平臺(tái)參數(shù)

2.1 平臺(tái)改造情況

加長(zhǎng)懸臂梁，平臺(tái)艏增加錨、錨機(jī)和錨扶架，總計(jì)增加質(zhì)量為31.29 t，空船質(zhì)量變?yōu)? 881.34 t。但為了與原平臺(tái)的荷載情況一致，調(diào)整可變荷載，使平臺(tái)在遠(yuǎn)洋拖航 （100%重載和10%輕載）、油田拖航 （100%重載、10%輕載及三樁靴灌水）工況中的總質(zhì)量與改造前一致。

2.2 計(jì)算工況及結(jié)果

計(jì)算坐標(biāo)系取隨船坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)為船中基線處，X軸方向沿船長(zhǎng)方向，往船艏為正；Y軸方向沿船寬方向，左舷為正；Z軸方向沿型深方向，基線以上為正，如圖3所示。穩(wěn)性計(jì)算通過(guò)MOSES軟件三維實(shí)體建模，真實(shí)模擬自升式平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)及重量分布，破艙穩(wěn)性計(jì)算中所選取用的艙室組合分布如圖4所示。

2.2.1 風(fēng)力計(jì)算

無(wú)論是完整穩(wěn)性還是破艙穩(wěn)性，都需要計(jì)算出各工況下的風(fēng)力，根據(jù)CCS海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[3]：

式中P——風(fēng)壓/kPa；

V——設(shè)計(jì)風(fēng)速/（m/s）。

作用在構(gòu)件上的風(fēng)力按下式計(jì)算：

式中F——構(gòu)件風(fēng)荷載/kPa；

Ch——受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)，其值根據(jù)構(gòu)件高度來(lái)選取；

Cs——受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)；

S——平臺(tái)在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積。

2.2.2 計(jì)算工況

由于平臺(tái)的裝載情況千變?nèi)f化，不可能一一加以計(jì)算，故本文只針對(duì)幾種典型的裝載情況進(jìn)行計(jì)算。其中完整穩(wěn)性分析包括遠(yuǎn)洋拖航滿(mǎn)載和輕載，破艙穩(wěn)性分析包括油田拖航滿(mǎn)載、輕載及三樁靴灌水。其計(jì)算模型見(jiàn)圖5，其荷載重量及重心分布情況參見(jiàn)表2。進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)置主要考慮機(jī)艙、鍋爐艙、空壓機(jī)艙、配電間等的進(jìn)排氣風(fēng)筒，以及進(jìn)入這些艙室的梯道門(mén)。

表2 各裝載情況下平臺(tái)質(zhì)量及重心分布

2.2.3 完整穩(wěn)性

以重載拖航為例，考慮不同的傾斜軸，其穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖6所示，初穩(wěn)性高、進(jìn)水角等均滿(mǎn)足規(guī)范要求。由圖6可知，平臺(tái)在遠(yuǎn)洋和油田拖航狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)曲線具有相似性，曲線的變化趨勢(shì)一致，最小穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)均出現(xiàn)在15°傾斜軸附近，最大的穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)均出現(xiàn)在90°傾斜軸附近[5-6]。由于油田重載拖航和油田 （三樁靴灌水）拖航的質(zhì)量及重心位置較為接近，其穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)也較為接近。

在MOSES軟件中，需要設(shè)定海水的密度。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，海水的密度對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)性也有一定的影響：海水密度減少，平臺(tái)的吃水增加，浮心位置向上、向后移動(dòng)，使平臺(tái)產(chǎn)生尾傾；反之，當(dāng)海水密度增加時(shí)，平臺(tái)的吃水減少，浮心位置向下、向前移動(dòng)，使平臺(tái)產(chǎn)生首傾。但當(dāng)平臺(tái)的水線面漂心與浮心在同一垂直線上時(shí)，海水的密度對(duì)平臺(tái)的縱傾沒(méi)有影響[2]。

重心位置對(duì)穩(wěn)性的影響表現(xiàn)為：提高重心將使初穩(wěn)性高、復(fù)原力臂都相應(yīng)減小；降低重心則作用相反。且重心沿Y方向的移動(dòng)對(duì)穩(wěn)性影響較大，在荷載增減時(shí)，應(yīng)考慮盡量減小重心沿Y方向的移動(dòng)[2]。

2.2.4 破艙穩(wěn)性

破艙穩(wěn)性的計(jì)算應(yīng)選取穩(wěn)性狀態(tài)中最不利的工況進(jìn)行，并按照規(guī)范要求對(duì)各艙室或處所選取恰當(dāng)?shù)娜莘e滲透率。根據(jù)規(guī)范要求，假定垂向范圍；自底板向上無(wú)限制；水平貫入為1.5 m；位于假定的水平貫入范圍內(nèi)的有效水密艙壁之間或其最近臺(tái)階部分之間的距離大于3.0 m。

計(jì)算風(fēng)速：25.8 m/s。

拖航吃水：2.94 m（遠(yuǎn)洋拖航重載）；3.13 m（油田拖航重載）；3.13 m （油田拖航三樁靴灌水）。

本平臺(tái)的破艙穩(wěn)性計(jì)算分為7種，每種工況分別代表不同的艙室破損組合，其在平臺(tái)平面的位置如圖4所示。

S1：1#壓載水艙+樁靴。

S2：鍋爐艙+生活污水處理室。

S3：發(fā)電機(jī)艙+配電間。

S4：6#壓載水艙。

S5：7#壓載水艙+樁靴。

S6：壓井液艙+壓井液/泥漿艙+泥漿艙。

S7：壓載艙4P+壓載備用艙。

計(jì)算結(jié)果表明，在上述7種工況下，平臺(tái)進(jìn)水后初穩(wěn)心高GM均滿(mǎn)足要求；所有進(jìn)水點(diǎn)高度均大于風(fēng)傾力矩作用下最大吃水高度，整個(gè)拖航過(guò)程中平臺(tái)都保持水密，故平臺(tái)破損穩(wěn)性滿(mǎn)足規(guī)范要求。在各工況中，破損工況S2最為危險(xiǎn)。以油田重載拖航為例，表3對(duì)兩種工況的浮態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，其中，S2為較危險(xiǎn)的工況，S3為破艙進(jìn)水量最大的工況。

表3 平臺(tái)破損后在平衡狀態(tài)時(shí)的浮性

從圖4可知，由于破損艙室組合S2在平臺(tái)中的位置相對(duì)于S3更偏離平臺(tái)的中心；從表2可知破損工況S2的左舷吃水較S3大，其最大吃水較S3大。圖7給出了平臺(tái) （S2破損工況下）在三種裝載拖航狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)曲線。

對(duì)比圖6與圖7可知：雖然在平臺(tái)的完整穩(wěn)性計(jì)算中，其最危險(xiǎn)的傾覆方向發(fā)生在15°傾斜軸附近，但在平臺(tái)的破艙穩(wěn)性計(jì)算中，其最危險(xiǎn)的傾覆方向卻在0°傾斜軸附近。油田重載拖航和油田 （三樁靴灌水）拖航的質(zhì)量及重心較為接近，因此其在S2破損工況下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)曲線也較為接近。

結(jié)果表明，中油海62平臺(tái)的穩(wěn)性均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

［1］張勇，馬網(wǎng)扣，劉曉明.深水自升平臺(tái)設(shè)計(jì)的三項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)研究［J］.船舶，2010，（2）：7-14.

［2］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.

［3］ CCS，海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范（2005）［S］.

［4］孫東昌，潘斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

［5］賈慧榮，何炎平，譚家華，等.南海2號(hào)半潛式平臺(tái)深水改造方案破艙穩(wěn)性研究［J］.船舶,2004，（10）:28-31.

［6］賈慧榮，何炎平，譚家華.南海2號(hào)半潛式平臺(tái)深水改造方案完整穩(wěn)性研究［J］.中國(guó)海洋平臺(tái),2004，（12）:42-45.

（34）Towing Stability Calculation and Analysis of CPOE 62 Jack-up Platform

YANG Han-ting（Engineering Design Institute of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028,China）,LIU Zhong-yan

Jack-up platform as one of movable offshore drilling equipment is a kind of basic drilling equipment in offshore petroleum exploration.In this paper,the CPOE 62 platform is taken as an example for calculating and analyzing the towing intact stability and damaged stability of jack-up platform based on the platform computation model established by software MOSES,the critical overturn axis direction and damaged compartment position are obtained.The results show that the platform towing stability meets the requirements of related criterion.

jack-up platform;intact stability；damaged stability;software MOSES

TE951

B

1001－2206（2011）增刊－0034－04

楊涵婷 （1985-），女，四川雅安人，助理工程師，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)港口海岸及近海工程系，現(xiàn)從事海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)與研究工作。

2011-08-10