海洋平臺穩(wěn)性計算分析

尹艷，徐嶺峰，張星，杜玉春

(1.上海外高橋造船有限公司，上海200137；2.滬東中華造船(集團)有限公司，上海200129)

作為海洋油氣開發(fā)生產(chǎn)的主力，浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)具有廣闊的市場潛力[1]。確保FPSO的穩(wěn)性是評估其能否在某一固定海域安全穩(wěn)定工作的重要指標。分析多艘承建的自升式鉆井平臺及FPSO等海洋平臺的設(shè)計和建造，發(fā)現(xiàn)每一種類型的海洋平臺在計算穩(wěn)性時，需要考慮的關(guān)鍵點有所不同。為了快速計算不同船型的穩(wěn)性，同時為公司承建的海洋平臺項目的順利開展提供技術(shù)支持，明確不同海洋平臺穩(wěn)性計算方法顯得尤為重要。有2型平臺值得關(guān)注。首先，自升式鉆井平臺的船型比較特殊，長寬比接近1。而FPSO一方面是油氣生產(chǎn)裝置，另一方面具有船舶的特性，因此在計算穩(wěn)性時，考慮的規(guī)范比較多元。為明確不同海洋平臺穩(wěn)性計算方法，以自升式平臺和FPSO為例，對風(fēng)模型的建立、風(fēng)載荷計算及風(fēng)向角等關(guān)鍵問題進行對比分析，找出共性和差異。

1 分析對象

通用型FPSO，除上部生產(chǎn)模塊外的船體重量約為7.6萬t，原油日處理能力為10萬～25萬bbl，儲油能力200萬bbl，滿載排水量為46萬t。FPSO平臺的主尺度見表1，側(cè)視圖見圖1，船體三維模型見圖2。

表1 平臺的主尺度 m

圖1 側(cè)視圖

圖2 船體三維模型

2 風(fēng)載荷計算

無論是自升式鉆井平臺還是FPSO，在穩(wěn)性計算中，都應(yīng)該考慮風(fēng)載荷的不利影響。對于自升式鉆井平臺而言，其結(jié)構(gòu)型式比較特殊，長寬比接近1，在計算時，需要考慮360°全方位風(fēng)載荷的影響。因此在建風(fēng)模型時，水面以上需要全方位建模，見圖3。

F=0.5CsChρV2A

(1)

式中：Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)。

圖3 自升式鉆井平臺風(fēng)模型

計算風(fēng)載荷不僅需要考慮形狀系數(shù)，還要考慮高度系數(shù)。對于一些特殊的結(jié)構(gòu)，如平臺的桁架式樁腿，可將其等效為圓柱進行計算[2]。

而對于FPSO而言，由于長寬比值較大，因此只需要考慮受風(fēng)面積最大的一面，縱剖面受到穩(wěn)定風(fēng)壓的作用，因此不需要考慮360°方向的風(fēng)載荷，見圖4。

圖4 FPSO風(fēng)模型

穩(wěn)性衡準由風(fēng)壓傾側(cè)力臂來衡量，力臂計算公式如下，從中可知，面積矩的值是關(guān)鍵。

穩(wěn)定風(fēng)：Lw1=P·A·Z/9810Δ

(2)

突風(fēng)：Lw2=1.5·Lw1

(3)

式中：P為風(fēng)壓，Pa；Δ為排水量，t；A為水線以上的側(cè)投影面積，m2；Z為面積A的中心到水下側(cè)面積的中心的垂向距離，m。

采用NAPA軟件進行建模，建立profile(側(cè)面)，并計算FPSO的受風(fēng)面積及面積矩，計算的吃水范圍為7～12 m，見表2。

表2 FPSO受風(fēng)面積及面積矩

3 開口定義

根據(jù)規(guī)范對水密完整性的定義，將船舶/平臺上的開口分為3類，分別為非保護性開口、風(fēng)雨密開口和水密開口[3]。在詳細設(shè)計階段，計算完整穩(wěn)性時，需要對非保護的開口的高度進行假定，根據(jù)載重線公約規(guī)定，對于通風(fēng)筒的高度有明確的最低高度要求，在“位置1”的通風(fēng)筒，其圍板應(yīng)至少高出甲板以上4.5 m；而在“位置2”的通風(fēng)筒，其圍板應(yīng)至少高出甲板以上2.3 m。等到了完工階段，根據(jù)實際開口的位置再次進行穩(wěn)性計算。其中無保護的開口主要包括，尾部消防泵間、機修間、集控室、中控室及變壓器間等的鵝頸式通風(fēng)口，推進器艙的通風(fēng)口及相應(yīng)艙室的百葉窗，總共27個非保護性開口。在破艙穩(wěn)定性計算時，不僅考慮無保護開口，還需要考慮風(fēng)雨密開口，但不需要考慮水密人孔蓋與平艙口蓋、遙控水密滑動門以及永閉式舷窗等可以水密關(guān)閉的開口。

4 完整穩(wěn)性

4.1 校核衡準

自升式鉆井平臺，在拖航遷移過程中，通常需要把樁體升起，樁靴抬升至主船體內(nèi)。這種狀態(tài)下，平臺的重心大幅度升高，受風(fēng)面積顯著增大。為校核這種漂浮狀態(tài)下的平臺溫性，需要對風(fēng)載荷進行準確的計算。根據(jù)規(guī)范要求，自升式鉆井平臺在拖航遷移過程中，需要考慮100 kn(近海拖航假定的風(fēng)速為70 kn)風(fēng)速，校核360°內(nèi)不同風(fēng)向的風(fēng)載荷對平臺穩(wěn)性的不利影響。平臺的穩(wěn)性衡準參考《海上移動式鉆井平臺構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則 2009》( MODU Code 2009)[4]相關(guān)要求。

因FPSO兼有船舶特性海工產(chǎn)品特點，因此在計算穩(wěn)性時，需要同時考慮MODU Code 2009、IS CODE 2008[5]以及MARPOL[6]規(guī)范要求。在NAPA軟件中有相應(yīng)的衡準代碼，如下所示，具體的衡準要求應(yīng)參考相應(yīng)的規(guī)范，此處不具體展開。

1)IS CODE： V.AREA30， V.AREA40，V.AREA3040， V.GZ0.2，V.MAXG25，V.GM0.15，V.IMOWEATHER；

2)MODU Code 2009：MODU.WEATHER。

4.2 許用重心高計算

從許用重心高度曲線可以直接看出：在相應(yīng)的工況下FPSO是否滿足穩(wěn)性要求。計算吃水范圍為7.0～12.0 m，縱傾為-3～0 m的工況下，得到的許用重心高度曲線見圖5。

圖5 許用重心高

4.3 裝載工況下計算結(jié)果

在計算完整穩(wěn)性之前，需要計算風(fēng)載荷、定義穩(wěn)性橫準及進水點定義，同時考慮空船、調(diào)試、拖航等工況[7]，采用NAPA軟件進行配載，為穩(wěn)性校核做準備。需要關(guān)注2種工況。

1)在FPSO拖航狀態(tài)中，MARPOL第18條對FPSO壓載艙的總?cè)萘恳彩怯兴?guī)定，換言之對壓載吃水有要求。

一是規(guī)定了最小的壓載吃水Dm。

Dm=2+0.02Lf=

2.0+0.02×325.393=8.50 m。

二是規(guī)定了最大的縱傾值，也就是壓載狀態(tài)下縱傾值Tr不得大于以下計算結(jié)果。

Tr=0.015Lf=0.015×325.393=4.88 m。

其中Lf=96%×85%型深處的船體長度。但是壓載艙的艙容也不宜過大，過大的艙容會增加建造成本。

2)MARPOL第27條，符合良好操作且在液貨過駁作業(yè)的過程中的情況下，最惡劣裝載工況下的任何營運吃水，也應(yīng)滿足完整穩(wěn)性衡準要求。

不同裝載條件下的縱傾和完整穩(wěn)性計算結(jié)果見表3。由表3可見，所有加載條件均滿足規(guī)則的完整穩(wěn)定性準則。

表3 不同加載條件下的縱傾和完整穩(wěn)定性的結(jié)果

5 破艙穩(wěn)性

由于FPSO雖然是屬于海工產(chǎn)品，但考慮到運輸儲存的是原油，因此在計算拖航過程中的破艙穩(wěn)性時需要同時考慮MARPOL和MODU公約。

5.1 破損假定及破艙定義

MARPOL和MODU公約對破損假定的定義見表4、5。

表4 MARPOL對破損假定

根據(jù)破損假定，進行破艙組合，根據(jù)MODU Code要求，總共定義了14種組合。

根據(jù)MARPOL要求，定義了22種舷側(cè)破損，10種底部破損，總共32種組合。

列舉一種組合D32：C.O.T. 7(C), SLOP COFFERDAM (PS), AFT MACHINERY SPACE,

表5 IMO MODU CODE對破損假定

MGO STORAGE TANK 2(PS), FUEL DRAIN TANK, DB VOID 7 (PS), DB VOID 6 (C)，見圖6。

圖6 MARPOL要求下的破艙定義D32

5.2 殘余衡準及滲透率

5.2.1 MARPOL

一旦艙室發(fā)生破損后，平臺在浸水的最后階段，此時所產(chǎn)生的橫傾角不得超過25°；但如果這一角度增至30°(V.MAXHEEL.M)，那么甲板邊緣無浸沒現(xiàn)象。在這種狀態(tài)下，復(fù)原力臂曲線在平衡點以外的范圍至少為20°(V.RANG.M)；最大剩余復(fù)原力臂，至少為0.1 m(V.MINGZ.M)；并且在復(fù)原力臂曲線下圍成的區(qū)域應(yīng)不少于0.017 5 m·rad(V.MINAREA.M)，則該穩(wěn)性可以認為是足夠的。除非該開口所在處所是假定浸水的(V.PROGR.M)，否則在上述范圍內(nèi)無保護的開口不允許出現(xiàn)被浸水的情況。

由于艙室破損而導(dǎo)致相應(yīng)處所浸水，其滲透率見表6。除了供裝載物料的處所和機器處所，其他處所都定義為0.95。

5.2.2 IMO MODU CODE

上述破損情況下，考慮在51.5 m/s(100 kn)的風(fēng)速下，平臺應(yīng)該具有足夠的儲備穩(wěn)性承受風(fēng)壓傾側(cè)力矩。同時滿足以下衡準條件：進水后的最終水線應(yīng)在任何向下進水的開口下緣以下(V.MODU.SURF)，亦即進水點應(yīng)該在第一個交點之后，見圖7。由破損處浸水的滲透率可知，除了機器處所0.85外，其他處所都定義為0.95。

5.3 計算結(jié)果

計算FPSO在破艙穩(wěn)性情況下的最大許用重心高，定義吃水為7～12 m，縱傾為-3～0 m，許用重心高見表7。

表6 滲透率定義

圖7 復(fù)原力矩和風(fēng)傾力矩隨橫傾角的變化

表7 破艙穩(wěn)性下的許用重心高 m

同時定義5種拖航工況：拖航帶有10%消耗品、拖航帶有50%消耗品、拖航帶有100%消耗品、最大吃水的拖航以及滿足MARPOL18要求的工況。進行破艙穩(wěn)性校核，每一種破損情況下，計算結(jié)果顯示都滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

1)針對不同船型建立風(fēng)模型是關(guān)鍵，對于長寬比較大的船型，不需要建立整個船型，只需建立縱剖面即可，節(jié)約大量的建模工時。

2)每一種類型的海洋平臺在計算穩(wěn)性時側(cè)重點不同，對于自升式鉆井平臺而言，最主要的是風(fēng)傾力矩的計算，不僅需要考慮來自360°方向的風(fēng)載荷，而且樁腿的等效技術(shù)也是關(guān)鍵。

3)FPSO在計算穩(wěn)性時，需要同時考慮常規(guī)船舶規(guī)范和海工要求。在計算破艙穩(wěn)性時，定義開口、滲透率，以及破損范圍等，靠舷邊的通風(fēng)筒、機艙泵露天甲板的艙口圍及風(fēng)雨密外開門門檻等容易忽視的風(fēng)雨密開口需要重點關(guān)注。同時破損范圍越大，穩(wěn)性越差。因此，在總體設(shè)計前期，應(yīng)該按照規(guī)范要求，確定好艙室的尺寸。