方形自升式平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算

薛江山，蘇立強(qiáng)，向小斌

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

自升式平臺(tái)是一種重要的移動(dòng)式海上油氣開發(fā)裝備。平臺(tái)作業(yè)時(shí)樁腿下伸到海底，站立在海床上，使船體底部離開海面一定的距離（氣隙），拖航時(shí)樁腿收回，船體處于漂浮狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于各海域水深200 m以下的近岸區(qū)域。自升式平臺(tái)船體平面形狀主要為三角形、矩形、五邊形，船體形狀為正方形的平臺(tái)數(shù)量很少，樁腿數(shù)量分為 3條、4條及5條，樁腿結(jié)構(gòu)型式多為柱型或桁架型。

自升式平臺(tái)在拖航過程中樁腿升得很高，因而重心高、穩(wěn)性差，抗風(fēng)浪能力不強(qiáng)，因而對(duì)其進(jìn)行拖航穩(wěn)性分析是十分必要的[1]。本文將以上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司（以下簡稱：公司）設(shè)計(jì)的一型正方形自升式平臺(tái)作為實(shí)例，依照美國船級(jí)社MODU規(guī)范的要求，利用穩(wěn)性分析軟件GHS對(duì)該類型平臺(tái)的穩(wěn)性進(jìn)行分析。

1 計(jì)算模型

該自升式平臺(tái)為移動(dòng)式近岸生產(chǎn)試驗(yàn)平臺(tái)，工作海域?yàn)轳R來西亞沿海，入級(jí)美國船級(jí)社（ABS）。本文的穩(wěn)性分析主要針對(duì)該自升式平臺(tái)浮態(tài)下的各種裝載工況。

該平臺(tái)船體平面形狀為正方形，共有4條三角形桁架式樁腿，樁腿底部為樁靴式，每根樁腿長度約128 m。平臺(tái)的主尺度如表1所示。

穩(wěn)性分析采用著名的穩(wěn)性軟件 GHS（General Hydro Statics）進(jìn)行建模模擬計(jì)算。船體模型（圖1）從基線到主甲板，并扣除樁腿圍井和海底閥箱的體積，坐標(biāo)原點(diǎn)位于船體首部Fr0的基線處。由于樁腿和樁靴的體積比船體小的多，模型中則假定所有工況中樁靴是進(jìn)水的，并忽略水下部分的樁腿。因此，樁靴和樁腿不包含在浮體的模型中。

表1 平臺(tái)主尺度

圖1 平臺(tái)浮體模型

圖2 主船體艙室分隔

根據(jù)穩(wěn)性衡量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出許用重心高度曲線，將各裝載工況下平衡配載后得到的實(shí)際重心高度與之進(jìn)行比較，若實(shí)際重心高度不超過許用重心高度則認(rèn)為：各裝載工況下，平臺(tái)的穩(wěn)性滿足船級(jí)社規(guī)范的要求。主船體艙室分隔見圖2。

本平臺(tái)主結(jié)構(gòu)完工后需拖航到總裝廠安裝上部模塊，結(jié)合整個(gè)平臺(tái)的建造安裝程序，本案選取的裝載工況為：1）平臺(tái)主結(jié)構(gòu)完工工況；2）平臺(tái)拖航到總裝廠工況；3）平臺(tái)總裝完工工況；4）平臺(tái)拖航到作業(yè)地點(diǎn)，100%油水工況；4）平臺(tái)拖航到作業(yè)地點(diǎn)，50%油水工況；5）平臺(tái)拖航到作業(yè)地點(diǎn)，10%油水工況；6）平臺(tái)滿載6 m吃水工況。

經(jīng)過自由液面修正后，各工況平臺(tái)統(tǒng)計(jì)的重心高度如表2所示。

表2 統(tǒng)計(jì)重心高度

2 風(fēng)載荷計(jì)算

風(fēng)載荷是穩(wěn)性計(jì)算中的主要外載荷，在分析計(jì)算中，將作用在平臺(tái)上的風(fēng)載荷轉(zhuǎn)換為風(fēng)傾力矩，并施加到模型中。風(fēng)壓值按照美國船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》（MODU）公式計(jì)算[3]，見式（1）。

式中：f為系數(shù)，取值 0.611；Vk為風(fēng)速，m/s；Ch為高度系數(shù)，根據(jù)不同高度按規(guī)范選取；Cs為形狀系數(shù)，根據(jù)不同形狀按規(guī)范選取。

由于該平臺(tái)主體為正方形（圖3），各方向的水線面慣性矩較接近，因此任何方向的橫傾軸都可能是對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)工況。因此，每隔 30°作為橫傾軸，并計(jì)算1次作用于平臺(tái)上的風(fēng)載荷。

圖3 橫傾軸

根據(jù)美國船級(jí)社 MODU規(guī)范對(duì)穩(wěn)性的要求，風(fēng)速取50 kn、70 kn和100 kn，考慮吃水應(yīng)覆蓋所有的裝載工況，吃水分別為3 m、4 m、5 m、6 m，并結(jié)合不同橫傾角度，按上述每個(gè)方向的橫傾軸計(jì)算風(fēng)傾力矩（圖4）。風(fēng)傾力矩的計(jì)算結(jié)果是影響穩(wěn)性計(jì)算的主要因素[2]。

漂浮狀態(tài)下，平臺(tái)主要受風(fēng)面積包括水線以上主船體、樁腿、模塊、火炬塔、生活樓、吊車等，最大受風(fēng)面積超過8 000 m2，拖航時(shí)，考慮樁腿全部收起的狀態(tài)。計(jì)算樁腿風(fēng)載荷時(shí)，為簡化計(jì)算，將桁架式結(jié)構(gòu)等效為圓柱形結(jié)構(gòu)，并使圓柱所得的風(fēng)載荷與桁架樁風(fēng)載荷相等，此計(jì)算中滿實(shí)系數(shù)取0.32。

圖4 典型工況風(fēng)傾力矩曲線

3 穩(wěn)性分析

3.1 穩(wěn)性衡準(zhǔn)

其穩(wěn)性衡準(zhǔn)需滿足美國船級(jí)社 MODU規(guī)范對(duì)自升式平臺(tái)的要求。MODU規(guī)范對(duì)自升式平臺(tái)穩(wěn)性要求，即穩(wěn)性分析應(yīng)考慮拖航過程中，各吃水情況下最危險(xiǎn)工況的復(fù)原力矩和風(fēng)傾力矩曲線，并考慮自由液面的影響。

1）完整穩(wěn)性：平臺(tái)應(yīng)能承受等效于水平方向的風(fēng)力產(chǎn)生的橫傾力矩。在無限航區(qū)，拖航狀態(tài)下風(fēng)速選取70 kn，此外還應(yīng)考慮生存工況下的風(fēng)速（選取100 kn）。至復(fù)原力矩與風(fēng)傾力矩的第2交點(diǎn)或進(jìn)水角處（取小者）復(fù)原力矩曲線下的面積應(yīng)≥至同一限定角處風(fēng)傾力矩曲線下面積的40%。

2）破損穩(wěn)性：破損后平臺(tái)應(yīng)能承受來自各個(gè)方向、風(fēng)速50 kn的風(fēng)力產(chǎn)生的風(fēng)傾力矩，并有足夠的浮力和穩(wěn)性。其中，破損假定包括這些情況。（1）碰撞破損情況下，水平方向破損穿透深度 1.5 m，垂直方向從平臺(tái)底部往上沒有限制，有效水密艙壁之間的距離在破損穿透范圍內(nèi)不小于3 m；如果水密艙壁之間的距離小于3 m，應(yīng)考慮多個(gè)水密艙壁同時(shí)破損的情況。（2）臨近海水的任一水密分艙進(jìn)水。（3）任一水密分艙進(jìn)水。

破艙后，不同艙室的推薦滲透率為：儲(chǔ)藏室0.95、機(jī)械處所0.85、起居處所0.95、艙室及空艙0.95。進(jìn)水角≥復(fù)原力矩曲線與風(fēng)傾力矩曲線的第一交點(diǎn)。

3）剩余穩(wěn)性：按照規(guī)范要求，自升式平臺(tái)應(yīng)有足夠的剩余穩(wěn)性，平臺(tái)任一水密分艙進(jìn)水后，不考慮風(fēng)載荷的影響，剩余穩(wěn)性應(yīng)滿足穩(wěn)性消失角與平衡角的差值≥7°與 1.5倍平衡角的和，并且穩(wěn)性消失角與平衡角的差值不小于10°。

3.2 完整穩(wěn)性

完整穩(wěn)性分析計(jì)算中，只考慮了100 kn風(fēng)速下每隔 30°橫傾軸對(duì)應(yīng)風(fēng)向下的風(fēng)傾力矩（覆蓋了70 kn風(fēng)速），并分別計(jì)算了平臺(tái)左傾和右傾的情況，滿足完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

3.3 破損穩(wěn)性

破損穩(wěn)性分析計(jì)算中，考慮了50 kn風(fēng)速下每隔 30°橫傾軸對(duì)應(yīng)風(fēng)向下的風(fēng)傾力矩。結(jié)合破損假定結(jié)果，考慮了任一水密分艙進(jìn)水的情況，滿足破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 破損穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

3.4 剩余穩(wěn)性

剩余穩(wěn)性分析計(jì)算中，按照規(guī)范要求，考慮任一水密分艙進(jìn)水和不考慮風(fēng)力的影響，以滿足剩余穩(wěn)性衡準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 剩余穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

3.5 最大許用重心高度曲線

把完整穩(wěn)性、破損穩(wěn)性及剩余穩(wěn)性的數(shù)據(jù)以吃水和最大許用重心高度為橫縱坐標(biāo)軸作出相應(yīng)曲線，并將各裝載工況下實(shí)際重心高度標(biāo)注在上述坐標(biāo)系中，如圖5所示。

圖5 最大許用重心高度曲線

由圖5可知，標(biāo)注點(diǎn)均位于各穩(wěn)性最大許用重心高度曲線以下，說明各裝載工況下的穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。平臺(tái)的許用重心高度隨吃水的增加而明顯減小，由此可知，吃水較大時(shí)，對(duì)相應(yīng)工況重心高度的要求更高。

4 結(jié)論

本文按照美國船級(jí)社 MODU規(guī)范的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求計(jì)算分析了一型正方形船體自升式平臺(tái)的穩(wěn)性。正方形平臺(tái)不同于常規(guī)的三角形和矩形，其各個(gè)方向的性能均比較接近，因此各個(gè)方向作為橫傾軸的穩(wěn)性都有可能是危險(xiǎn)工況。穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果采用最大許用重心高度作為衡準(zhǔn)，各工況的重心高度均應(yīng)滿足要求。本文的穩(wěn)性分析為今后正方形自升式平臺(tái)浮態(tài)穩(wěn)性計(jì)算提供了參照。