起重平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算方法

曹曉航， 馮士倫， 張寶瑜， 沈鈺集， 毛建斌

(1. 中交天津港灣工程研究院有限公司， 天津 300222； 2. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300350；3. 海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266000； 4. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

船舶穩(wěn)性是船舶主要的航行性能之一，是衡量船舶安全性的重要指標(biāo)。對(duì)于海洋平臺(tái)來(lái)說(shuō)，其工作環(huán)境與載荷類(lèi)型十分復(fù)雜，穩(wěn)性計(jì)算不僅關(guān)乎自身的安全性，而且影響著工作項(xiàng)目的進(jìn)展及工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著海工行業(yè)的發(fā)展，起重平臺(tái)迎來(lái)了黃金發(fā)展時(shí)期，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，工作條件更為復(fù)雜，對(duì)自身穩(wěn)性和安全性要求更高。鑒于此，起重平臺(tái)的穩(wěn)性研究獲得了大量的關(guān)注。

魯華偉[1]通過(guò)水池模型試驗(yàn)研究系泊-大型起重船-索具-大型上部組塊耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，得到某起重船的自身固有周期和黏性阻尼系數(shù)。陳鵬飛等[2]針對(duì)福建海域復(fù)雜施工條件下起重船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究相對(duì)較少的情況，以作業(yè)于福建海域的某海上風(fēng)電起重船為研究對(duì)象，對(duì)其在時(shí)域和頻域范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究。晁世方等[3]介紹風(fēng)電安裝平臺(tái)吊重丟失穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求，運(yùn)用NAPA軟件對(duì)平臺(tái)的吊重丟失穩(wěn)性計(jì)算方法進(jìn)行分析。馮旭等[4]提出一種運(yùn)用Moses軟件對(duì)自升式平臺(tái)進(jìn)行完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性分析的方法，研究平臺(tái)許用重心高度、危險(xiǎn)風(fēng)向角和危險(xiǎn)破艙組合等數(shù)據(jù)。桂滿(mǎn)海[5]介紹起重船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)，運(yùn)用NAPA軟件計(jì)算風(fēng)壓橫傾力矩和最小傾覆力臂，并把其應(yīng)用于起重船相應(yīng)衡準(zhǔn)中。李彤宇等[6]利用NAPA軟件的二次開(kāi)發(fā)功能開(kāi)發(fā)計(jì)算起重船作業(yè)狀態(tài)穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)的方法。劉曉等[7]基于中國(guó)船級(jí)社(CCS)的規(guī)范要求，研究自升式風(fēng)電安裝船在浮態(tài)作業(yè)時(shí)起吊重物前后的穩(wěn)性變化，分析總結(jié)自升式風(fēng)電安裝船浮態(tài)起重作業(yè)的穩(wěn)性計(jì)算方法。陳書(shū)敏[8]研究對(duì)稱(chēng)與非對(duì)稱(chēng)半潛式起重生活平臺(tái)的穩(wěn)性，從完整穩(wěn)性、破損穩(wěn)性和失鉤穩(wěn)性等3個(gè)方面敘述并研究國(guó)際海事組織(IMO)、美國(guó)船級(jí)社(ABS)和挪威船級(jí)社(DNV)的穩(wěn)性規(guī)范，建模計(jì)算并比較結(jié)果差異。葛慧曉等[9]結(jié)合藍(lán)鯨自航全回轉(zhuǎn)起重船的穩(wěn)性分析結(jié)果，對(duì)有關(guān)起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)準(zhǔn)則進(jìn)行比較和分析，探索性地提出起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)建議。

在目前的平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算中，完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性的研究相對(duì)較多，而起重穩(wěn)性的計(jì)算相對(duì)較少。本文針對(duì)起重平臺(tái)提出一種運(yùn)用Moses軟件計(jì)算平臺(tái)起重作業(yè)下穩(wěn)性的方法，該方法可解決吊物計(jì)算的繁瑣性，清晰明了，只需在.cif文件里添加起重計(jì)算的命令流，便可獲得平臺(tái)起重作業(yè)下的穩(wěn)性結(jié)果，結(jié)果文件查詢(xún)十分方便，可為平臺(tái)起重穩(wěn)性計(jì)算提供一定的參考價(jià)值。

1 起重穩(wěn)性要求

對(duì)于起重平臺(tái)的工作狀態(tài)來(lái)說(shuō)，起重作業(yè)狀態(tài)分為常規(guī)起吊狀態(tài)和吊重脫鉤狀態(tài)。下面介紹2種狀態(tài)下的穩(wěn)性要求。

1.1 常規(guī)起吊穩(wěn)性要求

在常規(guī)起吊狀態(tài)下，吊重與吊鉤正常連接，按照《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[10]，起重船需滿(mǎn)足：

(1) 初穩(wěn)心高h(yuǎn)GM

(1)

式中：Mf為風(fēng)壓橫傾力矩；Mh為旋轉(zhuǎn)式起重船起吊傾覆力矩；Ml為船舶不對(duì)稱(chēng)裝載傾覆力矩；θc為極限靜橫傾角，在作業(yè)狀態(tài)下對(duì)旋轉(zhuǎn)式起重船不超過(guò)5°；Δ為排水量。

(2) 穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K

(2)

式中：lq為最小傾覆力臂；lf為風(fēng)壓橫傾力臂。

(3) 根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范(2016)》[11]靜水力相關(guān)要求，在典型起重作業(yè)狀態(tài)靜水力曲線中，面積(A+B)≥1.4(B+C)，如圖1所示。

注：θL,C為靜平衡角；θ1為傾覆力臂曲線與復(fù)原力臂曲線第1交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的傾角；θF,C為進(jìn)水角；θ2為傾覆力臂曲線與復(fù)原力臂曲線第2交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的傾角圖1 常規(guī)起吊狀態(tài)靜水力曲線

1.2 吊重脫鉤穩(wěn)性要求

對(duì)于起重平臺(tái)漂浮起重作業(yè)，在發(fā)生起吊荷重突然跌落情況時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足：

(1) 起吊荷重失去后的靜平衡角θE,D應(yīng)不超過(guò)15°；

(2) 自第1交點(diǎn)至進(jìn)水角θF,C、第2交點(diǎn)或30°中較小角之間的剩余面積(圖2中的面積A1)應(yīng)不小于圖2中面積A2的1.3 倍，即A1≥1.3A2。

2 計(jì)算方法

2.1 船型概況

以某實(shí)際自航自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)為例進(jìn)行計(jì)算。該平臺(tái)由船體、四樁腿、升降系統(tǒng)和起重機(jī)組成，主尺度參數(shù)如表1所示。

注：RM1為無(wú)起吊荷重下的復(fù)原力臂曲線；RM2為有起吊荷重下的復(fù)原力臂曲線；HM1為無(wú)起吊荷重下由反向壓載引起的傾覆力臂；HM2為有起吊荷重下由起吊荷重與壓載聯(lián)合作用引起的傾覆力臂；θF,D為進(jìn)水角、第2交點(diǎn)對(duì)應(yīng)傾角或30°中的較小者；θE,D為起吊荷重失去后反向壓載引起的靜平衡角；θL,D為有起吊荷重與反向壓載聯(lián)合作用下的靜平衡角圖2 吊重脫鉤狀態(tài)靜水力曲線

表1 自航自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)主要參數(shù)

在Moses建模中，采用笛卡爾右手坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)取艏垂線、舯縱剖線與基平面相交處；x軸沿船長(zhǎng)方向，正向指向船尾；y軸沿船寬方向，正向指向右舷；z軸沿型深方向，向上為正。

2.2 起重計(jì)算

利用Moses軟件進(jìn)行平臺(tái)起重作業(yè)下的穩(wěn)性計(jì)算時(shí)可直接使用完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性模型，起重作業(yè)工況大致分為起吊初始工況、舷外橫吊90°工況、舷內(nèi)橫吊90°工況、艉吊180°工況，每種工況又分為10%油水艙裝載與100%油水艙裝載。選取舷外橫吊90°、10%油水艙裝載工況為例進(jìn)行計(jì)算說(shuō)明。圖3為該工況下的Moses模型。

圖3 Moses模型側(cè)視圖

為得到規(guī)范中的各項(xiàng)值，根據(jù)起重作業(yè)2種狀態(tài)在各工況下計(jì)算正常起吊、吊重脫鉤后、吊重脫鉤后反向壓載等3種情況的模型。在計(jì)算文件中添加命令流來(lái)實(shí)現(xiàn)吊重是否脫鉤：&set DROP=.true.為吊重脫鉤工況；&set DROP=.false.為正常起吊荷重工況。

對(duì)每種工況進(jìn)行穩(wěn)性校核。

選取常規(guī)起吊情況計(jì)算結(jié)果文件中的某一段，如表2所示。

表2 常規(guī)起吊計(jì)算結(jié)果

(1) 初穩(wěn)心高衡準(zhǔn)值和穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)可通過(guò)式(1)和式(2)得出。穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K為1.9，大于1.0；初穩(wěn)心高衡準(zhǔn)值hGM為7.13 m，與結(jié)果文件中的初穩(wěn)心高(10.55 m)比較可知，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足起重作業(yè)工況下的完整穩(wěn)性要求。

(2) 傾覆力臂曲線與復(fù)原力臂曲線第1 交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的傾角(1.29°)可由軟件計(jì)算得到，其小于甲板邊緣入水角、進(jìn)水角或起重機(jī)作業(yè)最大允許傾角中的較小值(5°)，滿(mǎn)足要求。

(3) 自?xún)A覆力臂與復(fù)原力臂曲線第1 交點(diǎn)至第2 交點(diǎn)、進(jìn)水角和30°三者最小值之間的復(fù)原力臂曲線與起吊傾覆力臂曲線包圍面積(19.19)可由軟件計(jì)算得到，換算后為0.33 rad·m，大于0.08 rad·m，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(4) Moses軟件中靜水力曲線與《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范(2016)》中的曲線相同。由軟件計(jì)算可直接得到面積比為4.71，大于1.40，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表3為起吊荷重突然失去工況的計(jì)算結(jié)果。

表3 起吊荷重突然失去工況計(jì)算結(jié)果

由表3可知，起吊荷重失去后的靜平衡角為2.83°，小于15.00°，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

對(duì)于每個(gè)裝載和作業(yè)條件下起吊荷重突然跌落工況而言：在起吊荷重突然失去工況下可從軟件計(jì)算結(jié)果得到θL,D和RM1曲線、x=θL,D、x軸圍成的面積S1；在吊荷突然失去反向壓載工況下可得到θE,D和RM1曲線、x=θL,D、x軸圍成的面積S2，θE,D所對(duì)應(yīng)的HM1值；在起吊荷重突然失去反向壓載工況下可從軟件計(jì)算結(jié)果得到θF,D和RM1曲線、x=θF,D、x軸圍成的面積值S3。由此可計(jì)算：

A2=S1+θL,DHM1+θE,DHM1-S2

(3)

A1=S3-S2-(θF,D-θE,D)HM1

(4)

式中：θL,D可直接由表3計(jì)算結(jié)果得到；θE,D可由起吊荷重突然失去反向壓載工況的結(jié)果文件得到；θF,D、HM1、HM2可由軟件計(jì)算結(jié)果直接得到。

最終得出結(jié)果A1/A2≥1.3，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

在Moses軟件的計(jì)算過(guò)程中，只需要添加相應(yīng)命令流就可從結(jié)果文件清楚查到每個(gè)橫搖角度的復(fù)原力臂、復(fù)原力矩、傾覆力臂、傾覆力矩、穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)、初穩(wěn)心高、第1交角、面積比與面積范圍等數(shù)據(jù)，較好地為起重平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

提出一種使用Moses軟件對(duì)起重平臺(tái)起重作業(yè)下穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算的方法，得到以下結(jié)論：該計(jì)算過(guò)程可在完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行，方便快捷；所介紹的方法結(jié)合起重平臺(tái)校核規(guī)范與Moses自身算法，可從軟件計(jì)算結(jié)果中直接得到想要的數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行多余計(jì)算，有效可行；Moses軟件的建模過(guò)程方便快捷，運(yùn)用命令流可進(jìn)行建模與程序編寫(xiě)，從結(jié)果文件查找各種數(shù)據(jù)也十分迅速；國(guó)內(nèi)通過(guò)Moses軟件計(jì)算起重平臺(tái)穩(wěn)性相對(duì)較少，本文介紹的方法具有一定的參考價(jià)值。

基于起重平臺(tái)穩(wěn)性規(guī)范，對(duì)多個(gè)工況進(jìn)行穩(wěn)性校核，與船舶操作手冊(cè)數(shù)據(jù)相符合，證明所提出的Moses計(jì)算方法能夠有效計(jì)算平臺(tái)起重作業(yè)穩(wěn)性，可為平臺(tái)設(shè)計(jì)和穩(wěn)性計(jì)算校核過(guò)程提供一定的借鑒。