坐底式平臺(tái)沉浮穩(wěn)性研究

李亞軍， 張文旭

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心， 湖北 武漢 430064)

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坐底式平臺(tái)沉浮穩(wěn)性研究

李亞軍， 張文旭

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心， 湖北 武漢 430064)

摘要運(yùn)用SESAM軟件對(duì)某坐底式平臺(tái)進(jìn)行了沉浮穩(wěn)性的校核，并且為平臺(tái)壓載坐底過程設(shè)計(jì)了均勻下沉和傾斜下沉兩種方案。經(jīng)過對(duì)比分析后，推薦使用傾斜下沉作為該平臺(tái)的壓載坐底方案。

關(guān)鍵詞坐底式平臺(tái)沉浮穩(wěn)性SESAM

0引言

坐底式平臺(tái)是在淺水區(qū)域作業(yè)的一種移動(dòng)式平臺(tái)。坐底式平臺(tái)通常由上體、支柱和下體三部分組成，如圖1所示。上體又叫工作甲板，安置生活艙室和設(shè)備；下體是沉墊，其主要功能是壓載以及海底支撐作用，并提供移動(dòng)時(shí)所需的浮力。甲板和沉墊間由立柱相連。平臺(tái)在作業(yè)時(shí)，往沉墊內(nèi)注入壓載水，使其著底，但此時(shí)上體仍高出于水面。在完成作業(yè)后，則排出壓載水，使下體上浮，再進(jìn)行移位。坐底式平臺(tái)具有構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，投資較少，建造周期較短等優(yōu)點(diǎn)，適用于河流和海灣等30 m以下的淺水域以及海床平坦的淺海區(qū)域的油氣勘探開發(fā)作業(yè)[1-3]。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社頒發(fā)的《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》2012版規(guī)定：平臺(tái)的沉浮穩(wěn)性是指平臺(tái)通過壓、卸載而引起的自身浮態(tài)的變化，以平穩(wěn)而又有控制的由漂浮狀態(tài)過渡到坐底狀態(tài)，或由坐底狀態(tài)過渡到漂浮狀態(tài)的能力。對(duì)坐底式平臺(tái)和要求進(jìn)行坐底作業(yè)的柱穩(wěn)式平臺(tái)應(yīng)校核沉浮穩(wěn)性。

本文首先對(duì)坐底式平臺(tái)的沉浮方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后應(yīng)用SESAM軟件建立坐底式平臺(tái)模型，并針對(duì)平臺(tái)的沉浮穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算，最后依據(jù)相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行沉浮穩(wěn)性校核分析。

圖1　坐底式平臺(tái)

1環(huán)境條件及計(jì)算模型

1.1海洋環(huán)境條件

本文所針對(duì)的坐底式平臺(tái)在各工況下的海洋環(huán)境條件如表1所示。

1.2土壤參數(shù)

由于本項(xiàng)目所針對(duì)的平臺(tái)作業(yè)位置土壤參數(shù)不詳，在平臺(tái)的坐底穩(wěn)性計(jì)算時(shí)采用了較為保守的方式，選用了土壤表層的粉質(zhì)粘土，并把沉墊的入泥深度設(shè)為4 m。粉質(zhì)粘土的水下容重為18.7 kN/m3，剪切強(qiáng)度22 kPa，摩擦角21.6°。

1.3計(jì)算模型

平臺(tái)在空載情況下的質(zhì)量控制如表2所示。

本項(xiàng)目中采用SESAM軟件對(duì)坐底式平臺(tái)的沉浮穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算。坐底式平臺(tái)的實(shí)體建模部分由GeniE模塊完成，穩(wěn)性計(jì)算部分則由HydroD模塊完成。平臺(tái)的計(jì)算模型如圖2所示。

“這次一共有十一位本派新生，你們有九個(gè)，”瑞克繼續(xù)說，“第一關(guān)結(jié)束時(shí)會(huì)有四人被淘汰，其余的六人在終極考驗(yàn)時(shí)出局?！?/p>

表1　各工況下海洋環(huán)境條件

表2　平臺(tái)在空載情況下的質(zhì)量控制表

圖2　平臺(tái)的計(jì)算模型

2壓載方案及計(jì)算工況

根據(jù)CCS頒發(fā)的規(guī)范《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2012)，平臺(tái)可采取兩種不同的沉浮方式。第一種是在整個(gè)沉浮過程中，平臺(tái)沒有或僅出現(xiàn)微不足道可忽略不計(jì)的傾斜，這種沉浮方式稱為均勻沉浮。第二種方式是在沉浮過程中，人為地使平臺(tái)縱傾，故而在下沉?xí)r平臺(tái)一端先接觸地面，然后另一端再以接地端為支點(diǎn)慢慢下降直至平臺(tái)坐底；反之，在起浮時(shí)也是先讓一端繞著另一端轉(zhuǎn)動(dòng)，再讓著地端抬起，然后調(diào)平平臺(tái)。因?yàn)檫@種沉、浮方式使平臺(tái)有明顯的縱傾，所以叫作傾斜沉浮。本文將針對(duì)坐底式平臺(tái)的下沉和起浮過程制定不同的壓載和卸載方案，并對(duì)其中每一過程中平臺(tái)的沉浮穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算和校核。

2.1均勻下沉

均勻下沉過程首先起始于平臺(tái)由拖航工況吃水壓載至沉墊完全入水，然后平臺(tái)逐漸均勻下沉，最終壓載至沉墊完全入泥，達(dá)到正常作業(yè)工況要求。根據(jù)平臺(tái)不同的吃水設(shè)定不同的沉浮穩(wěn)性計(jì)算工況，計(jì)算工況編號(hào)及說明如表3所示。對(duì)于表3中平臺(tái)艏與艉的設(shè)定，如圖3所示，下文提到的平臺(tái)艏艉均與此設(shè)定相同。

圖3　坐底式平臺(tái)艏艉設(shè)定

表3　均勻下沉過程中沉浮穩(wěn)性計(jì)算工況

根據(jù)以上工況來設(shè)定不同的壓載情況。在平臺(tái)的均勻下沉過程中，通過調(diào)節(jié)沉墊中各液艙的注入量(即滿艙系數(shù))來實(shí)現(xiàn)所要求的吃水和平衡[4]。不同吃水和平衡狀態(tài)下各液艙的滿艙系數(shù)可以通過軟件計(jì)算得到。

2.2傾斜下沉

傾斜下沉過程首先起始于平臺(tái)由拖航工況吃水壓載至沉墊完全入水(傾斜下沉1、2工況)，然后調(diào)節(jié)壓載使平臺(tái)不斷下沉，同時(shí)控制平臺(tái)發(fā)生縱傾，直至艉端沉墊與海底接觸(傾斜下沉3～8工況)，之后艏端再以艉端沉墊處為支點(diǎn)慢慢下降，平臺(tái)姿態(tài)不斷調(diào)整直至平臺(tái)坐底，最終壓載至沉墊完全入泥，達(dá)到正常作業(yè)工況要求(傾斜下沉9～13工況)。由于平臺(tái)艏端設(shè)有直升機(jī)甲板，其面積較大且不可入水，因此在傾斜下沉過程中設(shè)定平臺(tái)艉端沉墊先接觸海底。根據(jù)傾斜下沉過程中的不同階段確定適當(dāng)?shù)某运蛢A斜角度，并以此來設(shè)定傾斜下沉過程中的沉浮穩(wěn)性計(jì)算工況，如表4所示。

2.3均勻起浮

均勻起浮過程首先起始于平臺(tái)由正常作業(yè)工況卸載至沉墊完全出泥，然后平臺(tái)逐漸均勻起浮，最終達(dá)到拖航工況吃水。設(shè)計(jì)均勻起浮為均勻下沉的逆過程。

2.4傾斜起浮

傾斜起浮過程首先起始于平臺(tái)由正常作業(yè)工況卸載至沉墊完全出泥，然后調(diào)節(jié)壓載使平臺(tái)的艏端以艉端為支點(diǎn)慢慢起浮，再使艉端慢慢抬起，調(diào)平平臺(tái)，最終達(dá)到拖航工況吃水。設(shè)計(jì)傾斜起浮為傾斜下沉的逆過程。

3穩(wěn)性校核準(zhǔn)則

根據(jù)CCS頒布的《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2012)、《DNV-OS-C301_Stability and Watertight Integrity》等規(guī)范[5-7]，本項(xiàng)目中對(duì)于坐底式平臺(tái)的沉浮穩(wěn)性采取以下校核準(zhǔn)則：

(1) 在整個(gè)下沉過程中，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高，對(duì)均勻沉浮應(yīng)不小于0.15 m，對(duì)傾斜沉浮應(yīng)不小于0.05 m；

(2) 如滿足(1)的要求，則可同意采用下沉?xí)r壓載程序的逆程序作為平臺(tái)起浮時(shí)的卸載程序；

(3) 沉浮穩(wěn)性計(jì)算中的計(jì)算水深應(yīng)計(jì)入平臺(tái)陷入海床的深度。

此外，在平臺(tái)的傾斜下沉或起浮過程中，平臺(tái)應(yīng)具有足夠的浮力和穩(wěn)性，具體要求如圖4所示：

(1) 平臺(tái)的靜傾角應(yīng)不大于25°；

(2) 平臺(tái)的復(fù)原力矩在靜傾角與進(jìn)水角或穩(wěn)性消失角(取較小者)之間至少存在7°的正值范圍。

4平臺(tái)沉浮穩(wěn)性分析

4.1均勻下沉

坐底式平臺(tái)在均勻下沉過程中的沉浮穩(wěn)性校核結(jié)果如表5所示。由于均勻下沉工況13為正常作業(yè)工況，沉墊已經(jīng)完全入泥，故不校核其沉浮穩(wěn)性。通過表5可以看出，在均勻下沉所有工況下，平臺(tái)的沉浮穩(wěn)性均符合規(guī)范要求。其中，最危險(xiǎn)工況為均勻下沉7，即平臺(tái)均勻下沉至吃水9 m時(shí)，此時(shí)平臺(tái)的初穩(wěn)性高為1.491 m。

4.2傾斜下沉

坐底式平臺(tái)在傾斜下沉過程中的沉浮穩(wěn)性校核結(jié)果如表6所示。通過表6可以看出，在傾斜下沉所有工況下，平臺(tái)的沉浮穩(wěn)性均符合規(guī)范要求。其中，最危險(xiǎn)工況為傾斜下沉12，即平臺(tái)平均吃水為15 m，靜傾角為0°時(shí)，此時(shí)平臺(tái)的初穩(wěn)性高為1.791 m。復(fù)原力矩曲線如圖5所示。

表6　傾斜下沉過程的沉浮穩(wěn)性校核結(jié)果

圖5　復(fù)原力矩曲線

4.3兩種方案對(duì)比

現(xiàn)將均勻沉浮壓載方案與傾斜沉浮壓載方案中平臺(tái)的初穩(wěn)性高進(jìn)行對(duì)比，以平臺(tái)平均吃水為橫坐標(biāo)，各個(gè)工況下的初穩(wěn)性高為縱坐標(biāo)，將兩種方案的十二種工況進(jìn)行比較，如圖6所示?？梢钥闯?，均勻下沉方案中，隨著平臺(tái)吃水不斷增加，從3.2 m～4.0 m，平臺(tái)初穩(wěn)性高快速下降，這時(shí)主要是沉墊入水過程。由于沉墊橫截面很大，故而平臺(tái)穩(wěn)性喪失較快。在之后的工況中，主要是平臺(tái)立柱浸沒過程，在這期間水線面為立柱的橫截面且面積不大，故初穩(wěn)性高緩慢下降。最后平臺(tái)完全坐底。在傾斜下沉方案中，沉墊入水，平臺(tái)開始?jí)狠d并出現(xiàn)縱傾后，初穩(wěn)性高曲線呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。至艉部沉墊與海底接觸后，隨著平臺(tái)姿態(tài)的調(diào)整，初穩(wěn)性高緩慢下降，直至平臺(tái)完全坐底。

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，傾斜下沉?xí)r平臺(tái)的初穩(wěn)性高始終大于均勻下沉?xí)r平臺(tái)的初穩(wěn)性高。并且均勻下沉?xí)r，在平臺(tái)沉墊入水后，該平臺(tái)的穩(wěn)性始終處于一個(gè)較低的水平。傾斜下沉方案對(duì)于平臺(tái)的穩(wěn)性更有保障。因此，推薦選擇傾斜沉浮壓載方案作為平臺(tái)最終的壓載方案。但是傾斜下沉方案中平臺(tái)將經(jīng)歷三個(gè)不同的下沉階段，包括剛開始的均勻下沉、緊接著的傾斜下沉以及最后的著底調(diào)平。整個(gè)過程中對(duì)于壓載的布置、平臺(tái)姿態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制、現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)度、人員的操作等方面提出了較高要求，在實(shí)際作業(yè)中需要加以注意。

圖6　兩種下沉方案的初穩(wěn)性高比較

5結(jié)論

本文針對(duì)坐底式平臺(tái)的沉浮穩(wěn)性進(jìn)行了校核，結(jié)果表明平臺(tái)的設(shè)計(jì)可以滿足沉浮穩(wěn)性的規(guī)范要求。同時(shí)對(duì)于坐底式平臺(tái)的下沉過程進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了均勻下沉和傾斜下沉兩種壓載方案。通過比較，傾斜下沉方案在平臺(tái)穩(wěn)性方面要優(yōu)于均勻下沉方案。因此最終推薦傾斜下沉方案作為平臺(tái)最終的壓載方案，其逆過程作為平臺(tái)上浮的方案。

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作者簡(jiǎn)介：李亞軍(1984-)，男，博士，工程師，從事海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

中圖分類號(hào)P75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

Research on Sinking and Floating Stability of Bottom Supported Platform

LI Ya-jun, ZHANG Wen-xu

(China Ship Research & Design Center, Wuhan Hubei 430064, China)

AbstractThe sinkng and floating stability of a bottom supported platform is checked with the use of SESAM. Equable sinking scheme and inclined sinking scheme are designed for the sinking and sitting on the seabed of the platform. After comparision and analysis, inclined sinking scheme is recommended for the sinking and sitting on the seabed of the platform.

KeywordsBottom supported platformSinking and floating stabilitySESAM