自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)及參數(shù)敏感性研究

孫承猛朱亞洲林?；ㄚw云鶴

（1.渤海裝備遼河重工有限公司 盤錦 124010；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)及參數(shù)敏感性研究

孫承猛1朱亞洲2林?；?趙云鶴1

（1.渤海裝備遼河重工有限公司 盤錦 124010；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)是確定平臺(tái)建造完工后實(shí)船空船質(zhì)量、重心的常規(guī)試驗(yàn)方法。文章介紹了自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)的基本原理和方法，并針對(duì)常規(guī)的懸臂梁移動(dòng)產(chǎn)生傾覆力矩的傾斜試驗(yàn)方法，以某座自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，分析了試驗(yàn)過(guò)程中有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的敏感性分析，得出參數(shù)間的敏感性，為試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)讀取人員提供有意義的借鑒和參考。

自升式鉆井平臺(tái)；傾斜試驗(yàn)；懸臂梁；敏感性

引 言

近年來(lái)，隨著海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外海洋工程裝備制造業(yè)如火如荼［1］。自升式鉆井平臺(tái)作為近淺海石油鉆探的重要裝備［2-3］，各大船廠、企業(yè)紛紛進(jìn)入自升式平臺(tái)的設(shè)計(jì)建造領(lǐng)域。傾斜試驗(yàn)是平臺(tái)建造完成后為確定其空船質(zhì)量和重心位置所進(jìn)行的一項(xiàng)重要試驗(yàn)。目前，對(duì)船舶傾斜試驗(yàn)技術(shù)所進(jìn)行的研究較多［4-6］，已經(jīng)比較成熟，并形成了船舶標(biāo)準(zhǔn)［7］，而對(duì)海洋平臺(tái)的傾斜試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)研究仍然較少。例如，有學(xué)者進(jìn)行了半潛平臺(tái)傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差研究［8］；有學(xué)者針對(duì)自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)際，給出了利用懸臂梁移動(dòng)進(jìn)行傾斜試驗(yàn)的方法和過(guò)程［9］；也有學(xué)者采用軟件模擬試驗(yàn)過(guò)程，提前分析試驗(yàn)階段各相關(guān)參數(shù)選取的合理性，以避免盲目試驗(yàn)帶來(lái)的結(jié)果偏差［10］。本文主要介紹自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)的基本原理和方法，并分析了該方法中相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的敏感性影響，以期對(duì)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)人員有所警醒和幫助。

1 試驗(yàn)基本原理

自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)的目的是通過(guò)試驗(yàn)方法確定平臺(tái)空船質(zhì)量及重心的實(shí)際位置。

1.1 空船質(zhì)量

通過(guò)靜水力方法能夠方便而快捷地得到平臺(tái)的空船質(zhì)量。具體方法為：在平臺(tái)滿足試驗(yàn)的條件下，即滿足試驗(yàn)大綱要求的初始縱橫傾角度、風(fēng)力等級(jí)、海流條件等［7］，測(cè)量平臺(tái)首尾部在左右舷舷邊的四點(diǎn)吃水（常規(guī)船舶考慮到中拱或中垂，通常測(cè)量首中尾六點(diǎn)吃水），經(jīng)換算得到平臺(tái)的平均吃水；然后通過(guò)查靜水力曲線，可得此時(shí)平臺(tái)的排水量；最后計(jì)及平臺(tái)試驗(yàn)時(shí)的多余質(zhì)量和不足質(zhì)量，即可得到平臺(tái)的空船質(zhì)量。

1.2 空船重心

按照船舶靜力學(xué)［11］的基本原理，平臺(tái)在小角度傾斜時(shí)，其傾斜力矩與傾斜角度的正弦值之間呈線性關(guān)系，如式（1）所示：

式中：θ為橫傾角；?為船舶排水量；GM為初穩(wěn)性高，表示平臺(tái)重心與穩(wěn)心的距離，即：

式中：KM為橫穩(wěn)心高度；KG為重心高度。

假設(shè)移動(dòng)重物或改變壓載水狀態(tài)，此時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)傾斜力矩Mh，即：

由此可知，在小角度傾斜時(shí)，平臺(tái)穩(wěn)心高度KM和排水量?僅與平臺(tái)吃水和線型有關(guān)。因此，若移動(dòng)一定質(zhì)量的重物或壓載水產(chǎn)生傾斜力矩，并測(cè)得對(duì)應(yīng)的船舶傾斜角度，則可依照式（4）得到平臺(tái)的重心高度ZG。

另外，平臺(tái)靜止漂浮條件下將滿足浮態(tài)平衡方程，如式（5）所示：

式中：笛卡爾坐標(biāo)系下，（XG，YG，ZG）為重心坐標(biāo)； （XB，YB，ZB）為浮心坐標(biāo)（可查靜水力曲線或利用測(cè)量吃水軟件計(jì)算得到）；θ為橫傾角，ψ為縱傾角，二者可由測(cè)量吃水計(jì)算求得。

從而，平臺(tái)重心的縱向坐標(biāo)XG和橫向坐標(biāo) YG可由式（6）求得：

2 試驗(yàn)方法

式中：W為移動(dòng)重物或改變壓載水的質(zhì)量，l為移動(dòng)的等效距離。

由式（1）、式 （2）、式 （3）可得：

2.1 傾斜力矩

傳統(tǒng)的船舶傾斜試驗(yàn)是采用沿船寬方向移動(dòng)鐵塊或壓載水等，使其產(chǎn)生橫傾，通過(guò)測(cè)定橫傾角，并結(jié)合前述方法得到其質(zhì)量與重心位置的。然而，自升式鉆井平臺(tái)甲板設(shè)備布置密集，空間狹?。?0］，難以采用移動(dòng)重物方式進(jìn)行傾斜試驗(yàn)；其常見(jiàn)的三角形外形及壓載艙室布局特點(diǎn)使移動(dòng)壓載水方法也較難滿足試驗(yàn)精度要求，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)必須采用不同的試驗(yàn)方法。自升式鉆井平臺(tái)一般采用懸臂梁縱向移動(dòng)方式產(chǎn)生傾斜力矩，該方式具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以較為精確測(cè)定懸臂梁移動(dòng)時(shí)的質(zhì)量。這是由于平臺(tái)對(duì)鉆井載荷控制嚴(yán)格［12］，需通過(guò)稱重試驗(yàn)確定懸臂梁及鉆臺(tái)質(zhì)量。

（2）懸臂梁具有便捷可靠的移動(dòng)裝置，為試驗(yàn)可行提供保證。

（3）平臺(tái)外形通常左右對(duì)稱，懸臂梁的縱向移動(dòng)不會(huì)使平臺(tái)產(chǎn)生較大的橫傾。

2.2 傾角測(cè)量

通?？刹捎脙煞N方法測(cè)量平臺(tái)傾角。

一種方法是掛擺法，如圖1所示。設(shè)掛擺線的長(zhǎng)度為λ，擺動(dòng)幅度為a，則傾角θ可按式（7）求得：

圖1 掛擺法傾角測(cè)量示意圖

需注意的是，掛擺線長(zhǎng)度應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度（至少為3 m）；掛擺應(yīng)沒(méi)入水槽或油槽中，且在最大傾角時(shí)掛擺不觸及槽壁。

另一種方法是U型玻璃管法，如圖2所示。假設(shè)玻璃管至水箱中心距離為λ，玻璃管讀數(shù)變化值為a，則傾角θ同樣可按式（7）求得。

圖2 U型玻璃管法傾角測(cè)量示意圖

需注意的是，玻璃管與水箱間距離應(yīng)足夠大，且讀數(shù)范圍滿足最大傾角要求；水箱液面面積與玻璃管面積比應(yīng)不小于1 000∶1。

3 參數(shù)敏感性分析

假設(shè)傾斜試驗(yàn)時(shí)懸臂梁及鉆臺(tái)的質(zhì)量為Wb，懸臂梁?jiǎn)未我苿?dòng)距離為s，采用U型玻璃管側(cè)傾角裝置（掛擺法類似），玻璃管單次讀數(shù)變化為x，試驗(yàn)時(shí)平臺(tái)吃水為d，排水量為?和穩(wěn)心高度KM均為d的函數(shù)，則可由式（4）可求得平臺(tái)重心高度，如式（8）所示：

為便于直觀反映式（8）中的各參數(shù)對(duì)重心高度的影響敏感性，本文以某型自升式鉆井平臺(tái)傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考。

該平臺(tái)傾斜試驗(yàn)時(shí)各參數(shù)為：d = 4.32 m，?= 9 890 t，KM=51.48 m，Wb=1 250 t，s=1.5 m，x=0.085 m，λ=16.0 m。

以下分別給出傾斜力矩參數(shù)、傾角測(cè)量參數(shù)和平臺(tái)吃水參數(shù)的敏感性分析結(jié)果。

3.1 傾斜力矩參數(shù)

3.1.1 懸臂梁質(zhì)量

圖3 懸臂梁質(zhì)量敏感性曲線

圖3為懸臂梁質(zhì)量敏感性曲線?？梢?jiàn)，隨著懸臂梁及鉆臺(tái)質(zhì)量Wb的增大，平臺(tái)重心高度不斷減小，且下降速度均勻。在試驗(yàn)數(shù)值1 250 t附近，Wb每增加1 t，將使重心高度下降約0.029 m，偏差百分比約為0.18%。

3.1.2 懸臂梁?jiǎn)未我苿?dòng)距離

圖4為懸臂梁?jiǎn)未我苿?dòng)距離敏感性曲線。可見(jiàn)，隨著懸臂梁?jiǎn)未我苿?dòng)距離s的增大，平臺(tái)重心高度不斷減小，且下降速度均勻。在試驗(yàn)數(shù)值1.5 m附近，s每增加1 cm，將使重心高度下降0.238 m左右，偏差百分比約為1.5%。

圖4 懸臂梁?jiǎn)未我苿?dòng)距離敏感性曲線

3.2 傾角測(cè)量參數(shù)

3.2.1 玻璃管讀數(shù)變化值

圖5為玻璃管讀數(shù)變化值敏感性曲線。可見(jiàn)，隨著玻璃管讀數(shù)變化值x的增大，平臺(tái)重心高度不斷增大，但增加速度呈下降趨勢(shì)。在試驗(yàn)數(shù)值0.085 m附近，x每增加1 mm，將使平臺(tái)重心高度增加約0.415 m，偏差百分比約為2.6%。

3.2.2 玻璃管與水箱中心距離

圖6為玻璃管與水箱中心距離敏感性曲線。可見(jiàn)，隨著玻璃管與水箱中心距離λ的增大，平臺(tái)重心高度不斷減小，且下降速度均勻。在試驗(yàn)數(shù)值16.0 m附近，λ每增加1 cm，將使重心高度下降0.022 m左右，偏差百分比約為0.14%。

圖6 玻璃管與水箱中心距離敏感性曲線

3.3 平臺(tái)吃水參數(shù)

圖7為平臺(tái)吃水敏感性曲線?？梢?jiàn)，隨著平臺(tái)吃水d的增大，平臺(tái)重心高度不斷減小，且下降速度先較小后增大然后又減小。在試驗(yàn)數(shù)值4.32 m附近，d每增加1 cm將使重心高度下降0.024 m左右，偏差百分比約為0.15%。

圖5 玻璃管讀數(shù)變化值敏感性曲線

圖7 平臺(tái)吃水敏感性曲線

上述對(duì)重心高度的敏感性分析都是基于傾斜試驗(yàn)過(guò)程中各參數(shù)可能存在的測(cè)量誤差考慮的。重心高度偏差對(duì)比情況如下頁(yè)表1所示。

表1 參數(shù)敏感性分析對(duì)比

考慮到傾斜試驗(yàn)過(guò)程中各有關(guān)參數(shù)的測(cè)量方法及精度，結(jié)合圖3 -圖7以及表1對(duì)比分析，可以看出：

（1）懸臂梁?jiǎn)未我苿?dòng)距離s和玻璃管讀數(shù)變化值x對(duì)重心高度敏感性最高， 較小的讀取誤差可能造成重心高度的較大差異。

（2）懸臂梁質(zhì)量和玻璃管與水箱中心距離λ對(duì)重心高度敏感性較低，些許的測(cè)量誤差一般不會(huì)引起重心高度的較大變化。

（3）平臺(tái)吃水d與重心高度的敏感性與平臺(tái)型線有關(guān)，但敏感性較低，其測(cè)量誤差一般不會(huì)引起重心高度的較大變動(dòng)。

4 結(jié) 論

通過(guò)上述介紹與分析可以知道，自升式鉆井平臺(tái)的傾斜試驗(yàn)方法與常規(guī)船舶基本類似，僅受限于其布局及外形特點(diǎn)，大多采用懸臂梁縱向移動(dòng)方式產(chǎn)生傾斜力矩。通過(guò)分析平臺(tái)傾斜試驗(yàn)過(guò)程中相關(guān)參數(shù)對(duì)重心高度的敏感性，使我們了解了各參數(shù)讀取偏差對(duì)重心高度結(jié)果的影響程度。對(duì)于敏感性較高的參數(shù)，試驗(yàn)人員需要采取多次測(cè)量、提高測(cè)量精度以及數(shù)據(jù)后處理等方法，使其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響降至最?。?3-14］。

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On inclining test of jack-up and parameter sensitivity analysis

SUN Cheng-meng1ZHU Ya-zhou2LIN Hai-hua1ZHAO Yun-he1
(1. China Petroleum Liaohe Equipment Company, Panjin 124010, China; 2. College of shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The inclining test of a jack-up aims at the regular testing of the center of gravity of the built light weight ships. This paper introduces the basic theory and method of the inclining test of the jack-up. The inclining test of the inclining moment produced by a moving cantilever is performed based on the data of a jack-up to analyze the infl uence of the recording error of the relevant experimental data on the experimental results. It analyzes the sensitivity of the parameters in the experiments to obtain the highly sensitive factors， which can provide signifi cant reference for experiment designers and fi eldwork recorders.

jack-up； inclining test； cantilever； sensitivity

TE951

A

1001-9855（2015）06-0024-05

2015-06-28；

2015-07-15

孫承猛（1979-），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)。

朱亞洲（1982-），男，博士在讀，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。

林?；ǎ?979-），女，博士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物計(jì)算分析。

趙云鶴（1984-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)。