半潛平臺(tái)傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析

陳書敏，肖元，張健效，郭勤靜

(中集海洋工程研究院有限公司研發(fā)部，山東 煙臺(tái) 264003)

半潛平臺(tái)傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析

陳書敏，肖元，張健效，郭勤靜

(中集海洋工程研究院有限公司研發(fā)部，山東 煙臺(tái) 264003)

結(jié)合某實(shí)際半潛平臺(tái)項(xiàng)目，討論影響半潛平臺(tái)傾斜試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的因素及數(shù)據(jù)讀取方法，對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，提出減小誤差的具體措施，為該平臺(tái)后續(xù)穩(wěn)性分析計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

半潛平臺(tái);傾斜試驗(yàn);誤差因素;數(shù)據(jù)讀取;誤差分析

中集來(lái)福士擁有國(guó)內(nèi)最大的半潛式平臺(tái)重量數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)總結(jié)已建6條半潛平臺(tái)的傾斜試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，討論影響半潛平臺(tái)傾斜試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的因素及數(shù)據(jù)讀取方法，試圖找出影響試驗(yàn)精度的差因素，并找到相關(guān)的控制措施，以期在后續(xù)項(xiàng)目的傾斜試驗(yàn)過(guò)程中，能夠有效地預(yù)控影響傾斜試驗(yàn)過(guò)程的誤差因素，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 傾斜試驗(yàn)相關(guān)假設(shè)

1．1 誤差因素

傾斜試驗(yàn)過(guò)程中所涉及的各種誤差因素有吃水誤差、不足重量或多余重量的誤差、艙室裝載液位遙測(cè)誤差、力矩誤差、測(cè)點(diǎn)誤差(正切誤差)、試驗(yàn)后GM數(shù)據(jù)處理方法誤差等。對(duì)于以上誤差因素，需要通過(guò)試驗(yàn)分析找出關(guān)鍵誤差因素。

1．2 假設(shè)

針對(duì)實(shí)際在建平臺(tái)項(xiàng)目，誤差計(jì)算統(tǒng)一采用如下假設(shè):試驗(yàn)排水量35 000 t，每厘米吃水10 t，空船重量23 000 t，重心高度24 m，試驗(yàn)移動(dòng)重塊200 t，壓載水11 800 t，壓載艙全部位于浮筒內(nèi)，其艙室高度等于浮筒高度12 m。

2 試驗(yàn)誤差及數(shù)據(jù)讀取

2．1 吃水讀取誤差

2．2 不足重量或多余重量誤差讀取

國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)31號(hào)文件《傾斜試驗(yàn)統(tǒng)一流程》［1］中定義未安裝重量不超過(guò)空船重量的2%，多余重量(除去壓載水)不超過(guò)空船重量的4%;而2005年《船舶傾斜試驗(yàn)》［2］則要求多余和不足(除去壓載水)的重量均不應(yīng)超過(guò)空船重量的1%。對(duì)于未安裝重量，因?yàn)樵诮ㄔ旖咏旯さ碾A段，一般只剩下部分木舾裝、部分救生設(shè)備和其余專業(yè)少量工作，并且他們的安裝位置都是非常確定的，這種重量的統(tǒng)計(jì)不會(huì)有較大出入。規(guī)范把這些重量限制在一定的范圍內(nèi)，對(duì)于未安裝重量，是限制接近完工狀態(tài)，主要還是因?yàn)槎嘤嘀亓?，大多?shù)情況下是通過(guò)估算或較為粗糙的丈量取得，比如腳手架，都是標(biāo)準(zhǔn)配件，重量可以通過(guò)詳細(xì)統(tǒng)計(jì)橋板米數(shù)，管子米數(shù)，爬梯和扣件個(gè)數(shù)來(lái)獲得，但是重心的確定基本都靠估算［3］。假設(shè)有40 t腳手架位于月池區(qū)域，估算重心高度偏差2 m，最后垂向重心高度誤差為0.014%。

2．3 力矩誤差

假設(shè)每步移動(dòng)最小力矩是3×104kN·m。

人員移動(dòng)力矩誤差。假如在試驗(yàn)過(guò)程中，某一步相對(duì)于上一步來(lái)說(shuō)，有6人從左舷走到右舷，假設(shè)每個(gè)人重量是75 kg，移動(dòng)距離為60 m，則人員移動(dòng)產(chǎn)生的力矩誤差是0.9%。

風(fēng)速力矩誤差。假設(shè)平臺(tái)在試驗(yàn)過(guò)程中突然受到3 m/s的橫風(fēng)，試驗(yàn)吃水處正常風(fēng)速36 m/s時(shí)的風(fēng)傾力矩值為16×104kN·m，則力矩誤差為3.704%?？梢?，突風(fēng)對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響非常大。

2．4 測(cè)點(diǎn)誤差(正切誤差)

國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)31號(hào)文件《傾斜試驗(yàn)統(tǒng)一流程》與2005年《船舶傾斜試驗(yàn)》都規(guī)定擺錘在每側(cè)的最大偏移距離不小于150 mm，假設(shè)讀數(shù)誤差為5 mm，則讀數(shù)誤差是3.33%。試驗(yàn)時(shí)保證該距離不小于250 mm，則讀數(shù)誤差是2.0%，誤差值明顯減少。當(dāng)然測(cè)點(diǎn)誤差與擺錘長(zhǎng)度有關(guān)。

地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的前沿鉆井技術(shù)，是使用隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)和隨鉆地層評(píng)價(jià)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，以人機(jī)對(duì)話的方式控制井眼軌跡的新興石油技術(shù)。近年來(lái)，地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已成為解決低產(chǎn)、低壓、低滲透薄油層和難采儲(chǔ)層等勘探開發(fā)難題的技術(shù)突破。

當(dāng)擺錘長(zhǎng)度是5 m時(shí)，正切誤差1.0%，初穩(wěn)性高度是7 m，重心誤差0.07 m;當(dāng)擺錘長(zhǎng)度為10 m，正切誤差則為0.5%，重心高度誤差0.5%則為0.035 m。

所以，增大偏移距離，增加擺錘長(zhǎng)度，另外試驗(yàn)時(shí)每次讀數(shù)時(shí)，要多讀幾組，都可以明顯減少測(cè)點(diǎn)誤差［4］。

2．5 艙室裝載液位遙測(cè)讀取誤差

在船舶進(jìn)行傾斜試驗(yàn)時(shí)，要求大部分艙室抽空或灌滿，半滿艙室應(yīng)控制在最少。這樣控制的前提是常規(guī)船舶的壓載艙室，是可以100%灌滿的，因?yàn)樗麄兊耐笟夤苁侵敝┑礁上霞装寤蛘咭陨系?。但是?duì)于半潛平臺(tái)來(lái)說(shuō)，所有艙室的透氣管都需要經(jīng)過(guò)立柱穿出直到主甲板上，導(dǎo)致大部分壓載艙室的透氣管都會(huì)有一段水平的管路，而這個(gè)水平管路距離艙頂是有一定距離的，通常最少控制在300～400 mm左右，見圖1。

圖1 艙室透氣系統(tǒng)管路走向

現(xiàn)有的半潛平臺(tái)壓載艙室測(cè)深都采取液位遙測(cè)，原理是壓力差。當(dāng)壓載水低于透氣管路高度時(shí)，艙室正常排氣，液位正常;當(dāng)加壓載水至透氣管高度時(shí)，透氣管與大氣逐漸不再聯(lián)通。由于壓載管徑遠(yuǎn)比透氣管徑大，繼續(xù)壓載，艙室液位升高至完全沒過(guò)透氣管位置，艙內(nèi)氣體開始受到壓縮;與此同時(shí)，部分壓載水開始涌入透氣管，這時(shí)艙底的液位傳感器仍然按照原先計(jì)算方法，減去正常大氣壓，即得到液位壓力，再計(jì)算出液位高度。因?yàn)榕搩?nèi)氣體的壓縮，顯示出的艙室液位高度值已經(jīng)高于實(shí)際液位高度，當(dāng)顯示值達(dá)到浮筒高度意味滿艙時(shí)，實(shí)際上艙室遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有裝滿，并且透氣管頂部早已出水。實(shí)際上在通常在發(fā)現(xiàn)透氣管頂部出水時(shí)，艙室液位還沒有顯示滿艙，調(diào)試工程師就已經(jīng)停止壓載了。由于空氣的壓縮比數(shù)值較大，根本沒有辦法估計(jì)實(shí)際艙室液位高度，因此此時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果很難達(dá)到準(zhǔn)確性及精度的要求。

對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行保守估算，透氣管距離艙頂高度300 mm，保證艙內(nèi)空氣完全不被壓縮，因此實(shí)際上只達(dá)到97.5%滿艙(即透氣管高度位置處)，對(duì)于空船重量產(chǎn)生的誤差就是1.283%。

2．6 試驗(yàn)后GM數(shù)據(jù)處理方法誤差及對(duì)比

常規(guī)的初穩(wěn)性高度值的數(shù)據(jù)處理方法是最小二乘法［5］，并且采用的是所有測(cè)點(diǎn)平均后的正切值。而實(shí)際采用的方法是在取平均之前，需要對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)單獨(dú)采用最小二乘法求出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的GM值，在觀察各個(gè)測(cè)點(diǎn)的GM值比較接近時(shí)，再對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的GM值取平均。這樣的結(jié)果會(huì)比前一種做法GM值略小，也就是垂向重心高度值略大。兩種數(shù)據(jù)處理方法對(duì)比情況見表格1。

表1 兩種GM數(shù)據(jù)處理方法對(duì)比

通過(guò)比較，對(duì)各測(cè)點(diǎn)單獨(dú)采用最小二乘法后再取平均的計(jì)算結(jié)果GM=8.523 1，比對(duì)全部測(cè)點(diǎn)一起用最小二乘法的計(jì)算結(jié)果GM=8.525小，也就是重心高度略大，兩者誤差為0.008%。

2．7 數(shù)據(jù)誤差對(duì)比

通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出具體誤差對(duì)比情況見表2。

表2 誤差分析對(duì)比

由表2可見，影響試驗(yàn)精度的誤差因素主要有4項(xiàng):突風(fēng)，艙室液位，人員移動(dòng)，測(cè)點(diǎn)誤差。而對(duì)于其他3項(xiàng)誤差因素，只要保證正常的讀取及計(jì)算，對(duì)結(jié)果的影響程度很小。

3 誤差控制措施

由以上分析得到各因素對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，為避免較大的影響，提出采取如下措施。

1)在試驗(yàn)過(guò)程中遇到突風(fēng)，應(yīng)測(cè)風(fēng)速，估計(jì)影響，判斷是否停止試驗(yàn)。

2)為了避免艙室裝載液位產(chǎn)生大的重量誤差，推薦在透氣管上方的氣體沒有被壓縮以前，結(jié)束壓載。實(shí)際上當(dāng)艙室接近滿艙時(shí)，艙內(nèi)自由液面值是很小的，由此引起的誤差遠(yuǎn)小于重量誤差，基本在0.05%以下。

3)試驗(yàn)過(guò)程中，在讀取擺錘或者U形管偏移量時(shí)，強(qiáng)調(diào)所有人員統(tǒng)一回到原先試驗(yàn)開始時(shí)的位置并且纜繩一定要保持松弛。

4)若采用擺錘，則擺錘長(zhǎng)度最少10 m，最大偏移距離不少于250 mm，讀數(shù)人員應(yīng)于擺錘標(biāo)尺平行讀數(shù)，并且標(biāo)尺位置盡量接近擺線。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為船舶建造過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)，傳統(tǒng)的船舶與半潛平臺(tái)雖然都是漂浮物，雖然試驗(yàn)的原理和方法都很類似，但對(duì)于半潛平臺(tái)來(lái)說(shuō)，要想得到準(zhǔn)確的傾斜試驗(yàn)結(jié)果，過(guò)程復(fù)雜。這是因?yàn)榘霛撈脚_(tái)的水線面較小，對(duì)于各種影響因素也更為敏感;傾斜試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，更容易出現(xiàn)意外因素。工程人員需要對(duì)試驗(yàn)條件和試驗(yàn)程序步驟進(jìn)行嚴(yán)格控制，精心組織，重視對(duì)多余或不足重量的檢查，及時(shí)檢查試驗(yàn)誤差，在試驗(yàn)中監(jiān)控重塊或者壓載水移動(dòng)后的GM值變化，分析變化是否在正常的誤差范圍內(nèi)，控制試驗(yàn)是否繼續(xù)進(jìn)行。如此，大大提高初穩(wěn)性高度的計(jì)算精度。

［1］IACS.No.31 Inclining test unified procedure［S］Rec. 1990/Corr.1 Jan 2004.

［2］楊存國(guó)，虞偉.CB/T 3035-2005.船舶傾斜試驗(yàn)［S］.北京:國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，2005.

［3］班業(yè)平.淺談大型船舶傾斜試驗(yàn)的控制要點(diǎn)［J］.船舶，2014(2):22-25.

［4］俞士將.對(duì)船舶傾斜試驗(yàn)中問(wèn)題的探討［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010，29(7):49-50.

［5］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理上冊(cè)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2003.

Data Error Analysis of Inclining Test for the Semi-submersible Unit

CHEN Shu-min，XIAO Yuan，ZHANG Jian-xiao，GUO Qin-jing
(Research Department，Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd.，Yantai Shandong 264003，China)

Based on the under-construction semi-submersible unit project，the factors affecting accuracy of the inclining tests and the data reading methods are discussed about.The error analysis for the data in the inclining tests for the semi-submersible unit is carried out to set forth the measures of reducing error.The exact data from inclining experiment will ensure the accuracy of the stability calculation.

semi-submersible unit;inclining test;error factor;data reading;error analysis

U661.78

A

1671-7953(2015)02-0161-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.040

2014-08-27

修回日期:2014-10-20

泰山學(xué)者藍(lán)色產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍專家專項(xiàng)基金

陳書敏(1985-)，女，學(xué)士，工程師

研究方向:海洋平臺(tái)總體穩(wěn)性分析

E-mail:shumin.chen@cimc-raffles