CJ46型自升式鉆井平臺穩(wěn)性計算方法研究

尹 艷， 莫 建， 李春輝， 王 超， 王鈺涵

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

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CJ46型自升式鉆井平臺穩(wěn)性計算方法研究

尹 艷， 莫 建， 李春輝， 王 超， 王鈺涵

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

該文在分析了風傾力矩、完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性計算方法的基礎上，重點對樁腿的等效計算方法展開研究，得到了準確的風傾力矩計算方法。為驗證穩(wěn)性計算方法的準確性，應用NAPA軟件對某375英尺CJ46型自升式鉆井平臺的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性進行計算分析，闡述了風模型的建立、吃水和風向角的選取，以及初始重心高度的設定等關鍵問題。計算結果與基本設計進行了對比分析，證實了穩(wěn)性計算方法的合理性和可靠性。

自升式鉆井平臺; 穩(wěn)性; NAPA; 風模型

0 前言

自升式鉆井平臺不受風、浪、流等環(huán)境因素的影響而產生垂向升沉運動、縱向搖擺和橫向漂移運動，相對于半潛式鉆井平臺和鉆井船等移動平臺自升式鉆井平臺居住舒適性更高。同時，自升式鉆井平臺又具有良好的移動性能，利用率高，因此目前自升式鉆井平臺被廣泛應用。但是，在拖航情況下，自升式平臺升起的樁腿不僅使得平臺重心升高，還導致受風面積顯著增大，直接影響自升式鉆井平臺穩(wěn)性。在海洋平臺設計過程中，必須準確預報風傾力矩，保證穩(wěn)性計算結果滿足衡準要求，因此研究自升式鉆井平臺穩(wěn)性計算方法顯得尤為重要。

1 風傾力矩

穩(wěn)性計算的要點是確定平臺受到的風傾力矩的大小，這是因為不論是平臺的完整穩(wěn)性還是破損穩(wěn)性，都是自身的復原力矩抵抗風傾力矩的能力。

風荷載和風傾力矩可以根據式(1)、式(2)進行計算：

式中:F為風荷載；CS為受風構件的形狀系數；CH為受風構件的高度系數；ρ為空氣密度；V為風速；A為正浮或傾斜狀態(tài)下所有暴露面的正投影面積；Z為風力作用力臂。

圖1 桁架式樁腿的一個節(jié)距

為得到準確的風載荷和風傾力矩，關鍵是確定受風構件的形狀系數和受風面積。平臺甲板上有較多構件，但在風載荷模型建立過程中，主要建立主船體、井架、懸臂梁、鉆臺、吊機、樁腿以及上層建筑等模型。對于一些很難準確模擬的結構，采取相應的等效方式進行建模，例如井架采用板進行建模，取滿實投影面積的60%；而吊機的吊臂可以等效為圓臺，取滿實投影面積的60%，其中最為關鍵的是把桁架式樁腿等效為圓柱。

不論是X型，K型還是雙K型桁架式樁腿都是由大量的撐桿組成，如水平桿、斜撐、內撐桿以及弦桿等，K型樁腿節(jié)距結構如圖1所示。因此在建立風模型時，為了方便建模，通常把桁架式樁腿轉化為圓柱[1]。

等效樁腿直徑De和等效拖曳力系數CDe按下式計算：

式中：di為第i個構件的直徑；li為第i個構件的長度；L為節(jié)距。

式中：CDi為第i個構件的拖曳力系數，參考SNAME規(guī)范；li′為第個構件的投影長度；αi為風向與第i個構件投影到水平面線之間的夾角；βi為第i個構件為水平桿件之間的夾角。

2 穩(wěn)性衡準

2.1 完整穩(wěn)性衡準

在拖航過程中，平臺需要足夠的穩(wěn)性來承受近海拖航工況(70 kn)和遠洋拖航工況(100 kn)下360°方向的風荷載作用。目前，ABS和IMO MODU以及CCS等對穩(wěn)性衡準都有規(guī)定，該文主要參考國際海事組織( IMO) 頒布的《海上移動式鉆井平臺構造和設備規(guī)則 2009》( MODU Code 2009)[2]。

自升式平臺在各種作業(yè)工況下的完整穩(wěn)性均應符合以下標準：

(1)至第二交點或進水角處的復原力矩曲線下的面積中的較小者，至少應比同一限定角處風傾力矩曲線下面積大40%；

(2)復原力矩曲線從正浮至第二交點的所有角度范圍內均應為正值。

完整穩(wěn)性曲線如圖2所示。

圖2 完整穩(wěn)性曲線 圖3 碰撞破損穩(wěn)性曲線

2.2 破損穩(wěn)性衡準

在計算破損穩(wěn)性時，主要在一系列吃水情況下，考慮不同艙室破損后，受到50 kn風速的外部荷載，平臺穩(wěn)性是否仍能滿足穩(wěn)性衡準要求。

2.2.1 碰撞破損穩(wěn)性

進水后的最終水線應在任何向下進水的開口下緣以下，進水點必須在復原力矩和風傾力矩的第一個交點之后，如圖3所示。

圖4 剩余穩(wěn)性曲線

2.2.2 剩余穩(wěn)性

國際海事組織(IMO) 頒布的《海上移動式鉆井平臺構造和設備規(guī)則 2009》( MODU Code 2009) 中新增了自升式平臺單艙破損后剩余穩(wěn)性的標準。

對于任何一個艙室的破損，自升式平臺都必須有足夠的穩(wěn)性，且滿足如下衡準要求：

式中：Ros=θm-θs，為穩(wěn)性范圍；θm為最大正穩(wěn)性角；θs為破損后的穩(wěn)定傾斜角。

剩余穩(wěn)性曲線如圖4所示。

3 進水點定義

非保護性開口、設有風雨密關閉裝置的開口以及設有水密關閉裝置的開口，這3大類開口是根據風雨密完整性和水密完整性劃分的[3]。

在穩(wěn)件計算中主要考慮平臺的外部開口，其中完整穩(wěn)性進水點主要考慮非保護性開口，而破損穩(wěn)性進水點主要考慮風雨密開口以及非保護性開口。

4 工程計算實例

4.1 平臺主要參數

該文選取CJ46型自升式平臺，采用NAPA 軟件對自升式鉆井平臺進行穩(wěn)性分析，平臺主要物理參數見表1。

表1 自升式平臺主要參數

4.2 計算模型

該文采用NAPA軟件進行建模和計算，在計算過程中，需要建立自升式鉆井平臺的靜水力模型和風模型，如圖5、圖6所示。平臺的浮態(tài)和復原力矩通過靜水力模型計算得到，而計算自升式平臺所受的風傾力矩關鍵是建立合適的風模型，風模型一旦建好，軟件會根據風向計算出各個構件的受風面積以及壓力中心，進行求和得到風傾力矩。

圖5 靜水力模型 圖6 風模型

自升式鉆井平臺外形輪廓比較特殊，計算穩(wěn)性和風傾力矩時需要考慮360°方向，然后求出最危險角度下的極限重心高。在計算過程中一旦出現穩(wěn)性衡準問題，應該適度降低初始重心再次進行計算；反之在所有橫傾角度下穩(wěn)性都滿足標準且留有裕度，則應該適度提高初始重心高，反復進行計算，直至求出與標準值無限接近的極限重心高。

定義破損艙室是計算破損穩(wěn)性的關鍵，該艙室破損范圍主要根據相關船級社規(guī)范要求以及艙室水密完整性進行定義劃分。由于該平臺尺寸比較對稱，可單

獨選取左舷或右舷，然后再進行破損艙組定義，且通過計算表明，邊艙破損對許用重心高起決定性作用。

針對于自升式鉆井平臺近海拖航和遠洋拖航兩種海況，按照規(guī)范規(guī)定，分別采用70 kn和100 kn風速計算平臺的完整穩(wěn)性，采用50 kn風速進行破損穩(wěn)性計算，穩(wěn)性計算中最小風速要求見表2。

表2 穩(wěn)性計算中最小風速要求

其中桁架式樁腿一般等效為圓柱，為了計算結果保守，考慮選取投影面最大的情況，此時風向垂直于樁腿面，選取樁腿中一節(jié)距如圖7所示，該X型樁腿由3根弦桿、3根內撐桿以及6根斜撐桿組成，其中弦桿等效直徑選取如圖8所示，樁腿等效直徑和等效拖曳力系數計算結果見表3、表4。

圖7 選取的節(jié)距圖 圖8 弦桿的等效直徑

表3 樁腿等效直徑計算

構件數量(n)di(m)li(m)d2ili(m3)∑d2ili(m3)弦桿30．5365．0271．4444．333內撐桿30．14134．7540．0950．285斜撐桿60．27310．7900．8044．825總計----9．442

表4 等效拖曳力系數

4.3 計算結果

該自升式平臺的吃水范圍定在4.0 m～5.0 m之間，由于平臺左右舷基本對稱，選取方向角為0°～180°，且以15°為一個間隔進行計算。通過計算，可以得到在近海拖航和遠洋拖航兩種工況下，平臺完整穩(wěn)性的許用重心高，見表5。

表5 各工況完整穩(wěn)性下的許用重心高

該文選取邊艙破損作為破艙組，由于該平臺在近海和遠洋拖航工況下的穩(wěn)性計算均在50 kn風速下進行。根據工程實際操作，無論是遠洋拖航還是近海拖航，樁腿一樣長，因此得到的破艙穩(wěn)性許用重心高一致，各工況破艙穩(wěn)性下的許用重心高見表6。

表6 各工況破艙穩(wěn)性下的許用重心高

剩余穩(wěn)性只與平臺自身破損后的抗傾覆能力有關，與進水點設置以及風傾力矩無關，因此在兩種拖航情況下，平臺剩余穩(wěn)性許用重心高也是一致的，各工況剩余穩(wěn)性下的許用重心高見表7。

表7 各工況剩余穩(wěn)性下的許用重心高

圖9為自升式鉆井平臺在遠洋和近海兩種海況下的許用重心高度曲線(ACCG)。

圖9 許用重心高度曲線

5 結論

通過對CJ46型自升式鉆井平臺完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性計算分析，以及與基本設計進行對比，可得如下結論：

(1) 平臺穩(wěn)性計算較常規(guī)船舶而言，計算較為復雜。

(2) 風傾力矩對穩(wěn)性的計算有著重要的意義，其中受風構件和形狀系數是關鍵，因此桁架式樁腿等效技術顯得尤為重要。

(3) 軟件NAPA不能考慮遮蔽效應，因此得到的風載荷較為保守，對于平臺安全性而言是有利的。

(4) 殘余穩(wěn)性只與平臺破損后自身的抗傾覆能力有關，在計算時不需要考慮風傾力矩和進水點。

(5) 許用重心高度曲線是平臺穩(wěn)性結果的直接反應。

[1] SNAME. Guidelines For Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Unites[S].2002.

[2] IMO. Code for the construction and equipment of mobile offshore drilling unit[S].2009.

[3] 劉海霞. 深水半潛式鉆井平臺的穩(wěn)性分析[J]. 中國海洋平臺, 2013, 28(6):5-11.

Analysis on the Stability Calculation of CJ46
Self-elevating Drilling Rig

YIN Yan, MO Jian, LI Chun-hui, WANG Chao, WANG Yu-han

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd, Shanghai 200137, China)

On the analysis of the wind heeling moments and the intact and damage stability calculation, the paper focused on the equivalent calculation method of leg, then we got the accurate calculating method of the wind heeling moments. In order to verify the accuracy of the stability calculation method, the paper calculate the intact stability and damage stability of a 375 ft jack-up drilling rig by NAPA software. The key points were modeling of wind profile, draft ,interval of azimuth angles and the initial height of the center of gravity. By being compared with the basic design, we confirmed the rationality and reliability of this method.

self-elevating drilling rig; stability; NAPA; wind model

2015-03-29

尹 艷(1988-)，女，助理工程師。

1001-4500(2015)03-0035-06

P75

A