深海半潛式鉆井平臺重量體積分數(shù)的研究

茅云生， 杜洪文， 向祖權(quán)， 胡炳強， 江云帆

(1.武漢理工大學(xué) 高性能船舶技術(shù)教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

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深海半潛式鉆井平臺重量體積分數(shù)的研究

茅云生1，2， 杜洪文1，2， 向祖權(quán)1，2， 胡炳強1，2， 江云帆3

(1.武漢理工大學(xué) 高性能船舶技術(shù)教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

深海半潛式鉆井平臺的空船重量對平臺可變載荷、結(jié)構(gòu)強度、水動力性能等具有一定影響,空船重量過大會導(dǎo)致平臺超重、可變載荷減小等不良影響。為研究和控制海洋平臺的空船重量對海洋平臺的影響，提高可變載荷，以第六代半潛式鉆井平臺為研究對象，對半潛平臺的空船重量、體積進行統(tǒng)計分析與研究，并提出重量體積分數(shù)這一概念。深海半潛式鉆井平臺的重量體積分數(shù)就是平臺的空船重量與體積的比值。通過對所統(tǒng)計的重量、體積的數(shù)值進行分析研究，最終得出最佳重量體積分數(shù)，為以后平臺的設(shè)計、建造，特別是新船型的設(shè)計、制造提供了一定的依據(jù)。

深海半潛式鉆井平臺 空船重量 可變載荷 重量體積分數(shù)

0 引言

世界上第一座半潛式平臺是由一帶穩(wěn)定立柱的坐底式平臺改建而成的，而后出現(xiàn)了一系列具有三角形、五角形甲板等形式的平臺。此類半潛式平臺采用浮箱式下浮體，甲板形狀和立柱數(shù)目由浮箱數(shù)量而定，一般為非自航。此后出現(xiàn)的半潛式平臺都采用雙平行下體的浮體型式，立柱數(shù)目可依據(jù)設(shè)計要求而定[2]多為四根、六根或八根。最終發(fā)展成現(xiàn)今的下浮體-立柱-上甲板結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示。

目前，國內(nèi)外出現(xiàn)的半潛式平臺己發(fā)展到第六代，其特點是大型化、簡單化和標準化，有利于重量體積分數(shù)的分析研究[2]。在結(jié)構(gòu)型式上，采用雙平行下體的浮體型式，立柱一般為4根圓立柱或圓角方立柱，上層建筑配備甲板大吊機，采用DP3動力定位系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高，大都具有在水深大于2 000 m水域工作的能力，抗風(fēng)暴能力強。

圖1 第六代型式的深海半潛式鉆井平臺

1 平臺空船重量的研究意義及分類

由于空船重量對深海半潛式鉆井平臺的可變載荷、結(jié)構(gòu)強度、運動性能等有一定影響，特別是可變載荷這一關(guān)鍵技術(shù)指標，受空船重量的影響更加直接、顯著[1]。因此，為確?？勺冚d荷滿足要求，且使船舶建造后不至于超重，必須對空船重量進行控制，尤其是對新船型空船重量進行控制。

在設(shè)計中平衡空船重量與可變載荷將會關(guān)系到此平臺的優(yōu)越性能?？沾亓啃?，可變載荷大，將有利于減少供應(yīng)物資的運輸次數(shù)，保證鉆井平臺連續(xù)作業(yè)，這樣不僅降低了作業(yè)成本，而且提高了經(jīng)濟效益。但是深海半潛式鉆井平臺作業(yè)環(huán)境惡劣，必須采用高強度的鋼材建造以保證其能適應(yīng)惡劣的海況，這又會增加空船重量，減小可變載荷。因此，如何在設(shè)計過程中有效地設(shè)計、控制空船重量大小，以確保平臺關(guān)鍵技術(shù)指標滿足要求，是深海半潛式鉆井平臺工程項目中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

深海半潛式鉆井平臺的重量分類如圖2所示[1]。其總重量/排水量=空船重量+可變載荷+錨鏈重量/張力+消耗品+壓載。

圖2 深海半潛式鉆井平臺重量分類圖

2 平臺重量、體積分析與研究

重量體積分數(shù)可以反映出空船的重量大小，在對平臺的設(shè)計建造中，尤其是對新船型的設(shè)計建造具有指導(dǎo)意義，可以有效防止船舶超重，提高可變載荷。根據(jù)圖2中空船重量的分類組成，對C-H 191等10艘結(jié)構(gòu)相似、性能好、鉆井能力強的第六代深海半潛式鉆井平臺各部分的體積、重量進行統(tǒng)計分析，并研究重量與體積之間的關(guān)系。

重量W、體積V的計算公式：

式中：Wi為組成海洋平臺每個部分的重量，t；Vi為需要統(tǒng)計部分的體積，單位m3。

2.1 浮筒重量、體積統(tǒng)計與分析

深海半潛式鉆井平臺的浮力主要由浮筒提供，浮筒體積的大小關(guān)系到浮力的大小，內(nèi)部設(shè)備的安裝同時也關(guān)系到平臺的重量的大小。根據(jù)式(1)、式(2)統(tǒng)計后的結(jié)果如表1所示。

2.2 立柱的重量、體積統(tǒng)計與分析

平臺支柱主要用于支撐平臺，連接浮筒與甲板。目前支柱的設(shè)計趨于簡單化，一般采用4根圓立柱或圓角方立柱。下文所研究的平臺就是采用的4根圓角方立柱。根據(jù)式(1)、式(2)統(tǒng)計后的結(jié)果如表2所示。

2.3 上甲板的重量、體積統(tǒng)計與分析

上甲板一般分為兩層：上層為主甲板，下層為機艙。主甲板上主要放置井架、鉆桿、鉆機、救生、消防設(shè)備和生活區(qū)，還有直升機平臺。下層甲板為機艙，主要放置機泵等鉆井設(shè)備。由于上甲板尺度均較大，因此具有很高的自持能力。根據(jù)式(1)、式(2)統(tǒng)計出上甲板重量和體積如表3所示。

表1 浮筒重量、體積統(tǒng)計表

表2 立柱重量、體積統(tǒng)計表

表3 上甲板重量、體積統(tǒng)計表

2.4 平臺總體的重量、體積以及重量體積分數(shù)的分析與研究

將浮體、立柱和上甲板的重量、體積統(tǒng)一起來，根據(jù)式(1)、式(2)對整體的重量、體積進行計算，結(jié)果如表4所示。體積分數(shù)的計算公式如下。

根據(jù)式(3)求出重量與體積的比值，即重量體積分數(shù)η。具體結(jié)果如表4所示。

表4 總體重量、體積統(tǒng)計表

3 各個項目總的重量體積分數(shù)折線圖

為了方便研究各個平臺重量體積分數(shù)的大小以及變化趨勢，將重量體積分數(shù)做成折線圖如圖3所示。

圖3 重量體積分數(shù)折線圖

通過折線圖我們可以發(fā)現(xiàn)，重量體積分數(shù)在0.25上下兩側(cè)跳動，總重量體積分數(shù)最大值： 0.273，最小值： 0.230，平均值： 0.254。三艘C系列平臺(C-H 191，C-H 188和C-H 256)，為同一船東所建造，且在相同的海域工作，重量體積分數(shù)在0.25上下，且呈下降的趨勢，說明隨著建造技術(shù)的不斷成熟，設(shè)計方案的改進，重量體積可以適當降低。D系列兩艘平臺(D-H 200和D-H 193)的重量體積分數(shù)較大，根據(jù)它們的設(shè)計背景可知，此平臺所工作水域水深超過3 500 m，是當今世界最為先進的鉆井平臺，建造要求強度高，可抵抗巨大的外力作用，因此在設(shè)計板材選取時選取了板材相對較厚的鋼，導(dǎo)致重量體積分數(shù)變大。而A系列兩艘平臺(A-H 127和A-H 189)，雖然工作水域相同，但是重量體積分數(shù)相差較大，這主要是因為A-H 189平臺在設(shè)計建造過程中采用雙鉆井系統(tǒng)，在建造中要求抵抗載荷能力較強，動力較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此其重量體積分數(shù)較大。

通過分析發(fā)現(xiàn)重量體積分數(shù)雖然各不相同但都會圍繞0.254上下跳動，不會有太大的突變，因此我們可以將0.254作為最佳重量體積分數(shù)，此分數(shù)與某船廠為希臘船東設(shè)計的一艘體積分數(shù)為0.342(此平臺建造中因超重被迫修改設(shè)計方案，修改設(shè)計后為0.294)的鉆井平臺相比，空船重量變化巨大。同時與中國自主建造的、作業(yè)性能最好的第一艘海洋石油981鉆井平臺的體積分數(shù)0.274相比十分接近，隨著設(shè)計建造技術(shù)的成熟，重量體積分數(shù)會有所下降。因此可以將0.254作為最佳重量體積分數(shù)。

4 結(jié)束語

本文對海洋平臺的發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)海洋平臺的發(fā)展趨于簡單化，標準化、深水化，因此重量體積分數(shù)的提出對深水鉆井平臺的設(shè)計、建造有重要指導(dǎo)意義。在此基礎(chǔ)上以幾艘建造成功，性能先進的第六代深水半潛平臺為研究對象，對上甲板、立柱、浮筒的體積、重量進行了統(tǒng)計計算。最后得到平臺總體的體積、重量。通過分析得出鉆井平臺的最佳重量體積分數(shù)為0.254，在以后的平臺設(shè)計建造中可根據(jù)具體情況圍繞此值稍作調(diào)整，為日后平臺的設(shè)計制造提供了依據(jù)。

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The Percentage of the Weight to the Volume Research of the Deepwater Semi-submersible Drilling Unit

MAO Yun-sheng1，2, DU Hong-wen1，2, XIANG Zu-quan1，2,HU Bing-qiang1，2， JIANG Yun-fan3

(1.Key Laboratory of High Performance Ship Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China; 2. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China;3.School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China)

The empty weight of the deep water semi-submersible drilling unit has a certain influence to the variable load, the structural strength, the performance of hydrodynamic force, etc. In order to research and control the empty weight of the deep water semi-submersible drilling unit and improve the variable load, using the sixth generation semi-submersible drilling unit as the research object to statistical analysis and research the empty weight and volume of the deep water semi-submersible drilling unit, we also put forward a new concept about this is called the percentage of the weight to the volume. The percentage of the weight to the volume of the deep water semi-submersible drilling unit is the ratio of the weight to the volume. According to the numerical of the percentage of the weight to the volume to research and analysis, in the end of this paper, getting the best percentage of the weight to the volume. It will become a very important basis for the design and manufacturing of the deep water semi-submersible drilling unit especially for a new semi-submersible drilling unit.

Deep water semi-submersible drilling unit Empty weight Variable load Ratio of the weight to the volume

茅云生(1962-)，男，教授，主要從事船舶先進制造技術(shù)方面的研究。

P75

A