半潛式鉆井輔助平臺(tái)的穩(wěn)性計(jì)算

劉小堯++顏萍++方林香++莊瑞民

摘要：半潛式鉆井輔助平臺(tái)，由浮箱、立柱和甲板箱組成。海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)穩(wěn)性規(guī)范要求不同于普通船舶，因其長寬比較小，需要計(jì)算橫向、縱向穩(wěn)性，故通過采用固定轉(zhuǎn)軸法和自由扭曲法計(jì)算半潛式鉆井輔助平臺(tái)的穩(wěn)性。同時(shí)，通過建立穩(wěn)性模型和風(fēng)力模型，考慮來自任何方向作用于平臺(tái)的風(fēng)力，計(jì)算各種復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：半潛式；穩(wěn)性；長寬比；風(fēng)載荷

中圖分類號(hào)：U661.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Stability Calculation of Semi-Submersible Tender Assist Drilling Rig

LIU Xiaoyao， YAN Ping， FANG Linxiang， ZHUANG Ruimin

（COSCO Guangdong Shipyard Co.， Ltd.，Dongguan 523146）

Abstract： The Semi-submersible tender assist drilling rig is composed of a pontoon， a column and a deck box. The rules and requirements for the stability of the rig are different from those for an ordinary ship， because the transverse and longitudinal stability needs to be calculated while the rigs length-width ratio is small. The constant direction method and the free twist method are used for stability calculation of the rig. By establishing stability model and wind model， taking into the consideration of wind from any direction onto the rig， we complete the stability calculation of the rig for various complex working conditions

Key words： Semi-Submersible； Stability； Length-width ratio； Wind load

1 前言

在造船技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，只有與時(shí)俱進(jìn)地使用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，才能高效率完成設(shè)計(jì)工作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)水平。通過學(xué)習(xí)使用napa軟件建模計(jì)算，研究海工平臺(tái)穩(wěn)性規(guī)范要求和裝載工況，是船廠轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升核心競(jìng)爭力、承接高附加值船舶訂單的重大舉措。

2 半潛式鉆井輔助平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)

半潛式平臺(tái)是大部分浮體沉沒于水中的一種小水線面的移動(dòng)式平臺(tái)，它從坐底式平臺(tái)演變而來，由平臺(tái)本體、立柱和浮箱組成，平臺(tái)上設(shè)有吊機(jī)設(shè)備、器材和生活艙室等。半潛式平臺(tái)具有更大的工作水深、更大的甲板可變載荷、更大的存儲(chǔ)能力、簡單的外形結(jié)構(gòu)、良好的船體安全性和抗風(fēng)暴能力及自持能力等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為海洋鉆井平臺(tái)的主要發(fā)展方向，被許多國家所采用。但由于其設(shè)計(jì)、建造技術(shù)要求較高，世界上僅有少數(shù)國家能夠設(shè)計(jì)，比較專業(yè)的設(shè)計(jì)公司主要分布在美國、瑞典、荷蘭和挪威。

2.1某半潛平臺(tái)主要參數(shù)（圖1、圖2）

2.2技術(shù)特點(diǎn)

（1）在設(shè)定的作業(yè)環(huán)境下具有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能：

縱橫搖小于±2°，垂蕩小于正負(fù)1米1 m，漂移小于1/20水深。

（2）具有很強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力，能抵御百年一遇的惡劣海況。

（3）在深遠(yuǎn)海作業(yè)，具有巨大的可變載荷和作業(yè)面積；

（4）多用途：鉆井平臺(tái)（鉆井、固井、測(cè)井、修井、試油）、生產(chǎn)平臺(tái)等；

（5）作業(yè)水深范圍廣：從幾百米到3千米以上。

半潛式平臺(tái)的最大特點(diǎn)是半潛作業(yè)，在半潛狀態(tài)下將大體積的浮箱潛于水下一定的深度，因此比浮船式平臺(tái)所受的波浪力小。半潛式平臺(tái)的另一個(gè)特點(diǎn)是利用立柱保證平臺(tái)的穩(wěn)定性：在半潛的時(shí)候，其水線面積主要是立柱的水線面面積，水線面積不大，但立柱間距比較大，因而平臺(tái)的慣性矩較大，能獲得較大初穩(wěn)性高度。

3 半潛式鉆井輔助平臺(tái)的穩(wěn)性計(jì)算

3.1操作狀況

半潛式平臺(tái)前往某一海區(qū)作業(yè)至完成作業(yè)后離開的全過程如下：

（1）移航；

（2）就位、拋錨、壓載下潛、錨泊線預(yù)張緊；

（3）作業(yè)；

（4）風(fēng)暴來襲時(shí)卸載減少吃水，平臺(tái)處于自存狀況，風(fēng)暴過后復(fù)原為作業(yè)狀態(tài)；

（5）完成作業(yè)卸載起?。?/p>

（6）起錨；

（7）移航。

以上最基本的操作狀況是：作業(yè)狀況、自存狀況和移航狀況，其余操作狀況是各基本操作狀況的過渡狀況。

3.1.1 作業(yè)狀況

半潛式鉆井平臺(tái)的作業(yè)狀況，是指平臺(tái)在井位上鉆井或進(jìn)行其他操作時(shí)的狀況。該狀況下平臺(tái)應(yīng)能承受與規(guī)定的作業(yè)狀況設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的環(huán)境載荷和作業(yè)載荷的組合載荷。

3.1.2自存狀況

半潛式鉆井平臺(tái)的自存狀況，是平臺(tái)處于規(guī)定的自存狀況設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的最惡劣環(huán)境條件中的狀況。此時(shí)，鉆井作業(yè)或類似作業(yè)已經(jīng)中止，關(guān)閉防噴器和脫開隔水管，放松上風(fēng)舷錨鏈，平臺(tái)漂浮在水面上自存。

3.1.3移航狀況

移航狀況，即半潛式平臺(tái)從一個(gè)地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地點(diǎn)的過程中所處的狀況。移航的方式有自航和拖輪助航兩種：前者與一般的自航船舶無異；后者需配備一艘拖輪（一般是多用途拖輪）相隨，對(duì)無自航能力的平臺(tái)移航便是拖航。endprint

3.2 穩(wěn)性計(jì)算

3.2.1穩(wěn)性計(jì)算方法

（1）固定轉(zhuǎn)軸法：橫傾過程中固定轉(zhuǎn)軸的計(jì)算方法；

（2）自由扭曲法：即橫傾過程引起縱傾變化而重新尋找無縱傾、只有橫傾的轉(zhuǎn)軸方法。

平臺(tái)的穩(wěn)性計(jì)算，包括完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性，主要是確定在一系列吃水下平臺(tái)的極限重心高，保證各種工況下最終重心在極限重心高以下，使平臺(tái)有足夠的穩(wěn)性以承受來自各個(gè)方向的風(fēng)載荷作用。

3.2.2 穩(wěn)性衡準(zhǔn)

（1）完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)

本船入級(jí)ABS船級(jí)社，完整穩(wěn)性必須滿足以下要求：

（A）如圖3所示，至第2交點(diǎn)或進(jìn)水角的復(fù)原力矩曲線下的面積中的較小者，應(yīng)比至同一限定角處風(fēng)傾力矩曲線下面積至少大30%，即面積A+面積B>1.3×（面積B+面積C）；

（B）復(fù)原力矩曲線從正浮至第2交點(diǎn)的所有角度范圍內(nèi)，均應(yīng)為正值；

（C）所有漂浮作業(yè)工況的整個(gè)吃水范圍內(nèi)，經(jīng)自由液面修正后的出初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.15m。

（2）破艙穩(wěn)性衡準(zhǔn)

本船入級(jí)ABS船級(jí)社，在經(jīng)受規(guī)定的破損后必須滿足以下要求：

（A）如圖4所示，在來自任何方向、風(fēng)速為25.8m/s（50kn）的風(fēng)傾力矩作用下，復(fù)原力矩曲線從第1交點(diǎn)至第一個(gè)非保護(hù)開口或第2交點(diǎn)（取較小者），應(yīng)至少有7°的范圍；

（B）在（A）的范圍內(nèi)于某同一角度量得的復(fù)原力矩，至少達(dá)到風(fēng)傾力矩的2倍；

（C）破損水線以上4m范圍和7°區(qū)域的開口應(yīng)為風(fēng)雨密。

3.2.3.風(fēng)載荷計(jì)算

對(duì)無限作業(yè)區(qū)域的平臺(tái)，正常作業(yè)及拖航工況時(shí)其最小設(shè)計(jì)風(fēng)速36m/s（70kn），自存工況時(shí)最小風(fēng)速51.5m/s（100kn）。作用于各個(gè)構(gòu)件的風(fēng)載荷F按下式計(jì)算：

F=0.5CsCHρV2A （1）

式中：F—作用在各個(gè)構(gòu)件的風(fēng)載荷；

Cs—受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)（根據(jù)構(gòu)件形狀選取）；

Ch—受風(fēng)構(gòu)件高度系數(shù)；

ρ—空氣密度；

V –風(fēng)速；

A –平臺(tái)在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積。

確定了風(fēng)載荷，根據(jù)受風(fēng)面積壓力中心至平臺(tái)水下部分側(cè)向阻力中心間的垂直距離，就可以得到風(fēng)傾力矩值。

對(duì)于常規(guī)船，規(guī)范規(guī)定其縱剖面受穩(wěn)定風(fēng)壓作用，相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)在所有橫傾角下均為定值的風(fēng)傾力矩；而半潛式鉆井輔助平臺(tái)則不同，由于平臺(tái)的長寬比較小，所以需要考慮來自任何方向的風(fēng)載荷對(duì)平臺(tái)的影響。另外，由于平臺(tái)甲板上有較多的鉆井設(shè)備，還有樁腿、上層建筑等受風(fēng)面積較大的處所，所以對(duì)應(yīng)不同橫傾角其受風(fēng)面積不同，風(fēng)傾力矩也不同。

3.2.4.極限重心高的計(jì)算

如圖6所示。

4 結(jié)束語

半潛式鉆井輔助平臺(tái)由于其特殊的船體特征，穩(wěn)性計(jì)算與常規(guī)船型區(qū)別較大，一般船體性能計(jì)算軟件不適用。同時(shí)，半潛式鉆井輔助平臺(tái)穩(wěn)性規(guī)范要求不同于普通船舶，需要計(jì)算橫向、縱向穩(wěn)性，并需考慮來自任何方向作用于平臺(tái)的風(fēng)力，計(jì)算工況繁多，因此必須由適用于半潛平臺(tái)的計(jì)算軟件來代替常規(guī)船舶計(jì)算軟件。

通過用napa軟件建模，可以完成半潛平臺(tái)靜水力計(jì)算、艙容計(jì)算、測(cè)深表、浮態(tài)計(jì)算、總強(qiáng)度計(jì)算、風(fēng)載荷計(jì)算、完整穩(wěn)性計(jì)算、破艙穩(wěn)性計(jì)算等，是船廠轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升核心競(jìng)爭力、承接高附加值船舶訂單的強(qiáng)勁助力，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[2]IMO.海上人命安全公約[S].人民交通出版社，2009.

[3]海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范ABS.endprint