鉆井船參數(shù)橫搖和過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)實(shí)船驗(yàn)證分析研究

劉 震 何進(jìn)輝，2 封培元 張海彬 周耀華

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海市船舶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海200011；2. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海200240；3.中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范研究所 上海200135）

0 引 言

目前，國(guó)際海事組織（IMO）正在制定第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，主要涉及癱船穩(wěn)性、純穩(wěn)性喪失、參數(shù)橫搖、騎浪/橫甩和過(guò)度加速度等5種穩(wěn)性失效模式，采用3層評(píng)估方法，即第1層薄弱性衡準(zhǔn)、第2層薄弱性衡準(zhǔn)和直接穩(wěn)性評(píng)估。首先根據(jù)穩(wěn)性評(píng)價(jià)里的第1層衡準(zhǔn)進(jìn)行判定；然后對(duì)不符合要求的船舶，采用第2層衡準(zhǔn)進(jìn)行判定；如果船舶依然不滿足第2層衡準(zhǔn)，則認(rèn)為該船不滿足薄弱性衡準(zhǔn)的要求，需要進(jìn)一步開(kāi)展穩(wěn)性直接評(píng)估，即第3層衡準(zhǔn)的判定；如果3層衡準(zhǔn)評(píng)估都無(wú)法通過(guò)，必須對(duì)船型重新設(shè)計(jì)或制定航行操船指南，以避免發(fā)生穩(wěn)性失效［1］。

鉆井船是深海油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的重要裝備之一。鉆井船中部一般具有貫通船體底板至主甲板的垂直開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，其可能會(huì)對(duì)鉆井船的穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響［2］，此外，鉆井船在航行及作業(yè)狀態(tài)時(shí)可能會(huì)遭遇參數(shù)橫搖、過(guò)度加速度等失穩(wěn)模式的影響。因此開(kāi)展鉆井船參數(shù)橫搖和過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)實(shí)船驗(yàn)證分析具有重要意義。

自二代穩(wěn)性衡準(zhǔn)提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有較多實(shí)船驗(yàn)證分析研究。魯江和魏碩［3］針對(duì)3艘海上救助船開(kāi)展參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的薄弱性衡準(zhǔn)驗(yàn)證分析。胡麗芬等［4］針對(duì)油船開(kāi)展純穩(wěn)性喪失和參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)驗(yàn)證分析，發(fā)現(xiàn)1艘油船在不同的壓載狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)純穩(wěn)性喪失第1層和第2層薄弱性衡準(zhǔn)不一致的情況。胡麗芬等［5］開(kāi)展?jié)O政船純穩(wěn)性喪失和癱船穩(wěn)性的薄弱性衡準(zhǔn)的驗(yàn)證分析。周耀華等［6］針對(duì)38條實(shí)船開(kāi)展純穩(wěn)性喪失衡準(zhǔn)的實(shí)船驗(yàn)證分析。戶艷宏和周耀華［7］針對(duì)1艘萬(wàn)箱集裝箱船，對(duì)其大量工況開(kāi)展4種穩(wěn)性失效模式的計(jì)算分析。鄭雙艷等［8］開(kāi)展第1層薄弱性衡準(zhǔn)在液化氣船上的實(shí)船驗(yàn)證分析。封培元等［9-10］針對(duì)圍網(wǎng)漁船開(kāi)展騎浪/橫甩薄弱性衡準(zhǔn)的實(shí)船驗(yàn)證分析，并研究船型參數(shù)對(duì)騎浪/橫甩薄弱性衡準(zhǔn)的影響。

綜上所述，目前針對(duì)鉆井船及其月池影響的第二代穩(wěn)性實(shí)船驗(yàn)證分析工作還未見(jiàn)報(bào)道。本文考慮適用于鉆井船尺度及航速特點(diǎn)的第二代穩(wěn)性薄弱性衡準(zhǔn)（參數(shù)橫搖和過(guò)度加速度），針對(duì)1艘鉆井船，為了分析月池形式及尺寸變化對(duì)鉆井船第二代穩(wěn)性中參數(shù)橫搖和過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)評(píng)估的影響，考慮3種開(kāi)孔形狀、不同尺寸的月池形式，驗(yàn)證分析其是否滿足正在制定的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)。

1 參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)

船舶參數(shù)橫搖是在縱向波浪中由于復(fù)原力周期性變化引起的伴隨著顯著垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)的非線性橫搖現(xiàn)象。參數(shù)橫搖一般在滿足以下4個(gè)條件時(shí)容易發(fā)生，即波長(zhǎng)船長(zhǎng)相當(dāng)、遭遇周期約為橫搖固有周期一半、波高超過(guò)一定值以及橫搖阻尼較小。

1.1 第1層薄弱性衡準(zhǔn)

第1層薄弱性衡準(zhǔn)采用經(jīng)驗(yàn)公式判斷船舶在等效規(guī)則波［11］中初穩(wěn)性高的變化幅度來(lái)確定船舶參數(shù)橫搖的敏感性。如果船舶滿足式（1）和式（2），則認(rèn)為該船不易發(fā)生參數(shù)橫搖，可以通過(guò)參數(shù)橫搖第1層薄弱性衡準(zhǔn)。

式中：δGM1為波浪中穩(wěn)性高變化的幅值，計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)［11］；GM為靜水中初穩(wěn)性高；RРR為衡準(zhǔn)值，對(duì)于具有尖舭的船舶，RРR=1.87；其他類(lèi)型船舶按式（3）確定。

式中：AK為舭龍骨位置面積，m2；L為水線長(zhǎng)，m；B為型寬，m；Cm為中剖面系數(shù)；不應(yīng)超過(guò)4；D為型深，m；為零縱傾處D的水線處排水體積，m3；為所考慮裝載工況對(duì)應(yīng)的排水體積，m3；d為靜水中所考慮裝載工況對(duì)應(yīng)的船舯吃水，m；AW為吃水等于d處的水線面面積，m2。

1.2 第2層薄弱性衡準(zhǔn)

如果船舶無(wú)法通過(guò)第1層薄弱性衡準(zhǔn)，則需要開(kāi)展第2次薄弱性衡準(zhǔn)判定。根據(jù)IMO的提案，首 先 判 斷 如 果 滿 足C1≤RРR1或 滿 足C2≤RРR2，則認(rèn)為該船通過(guò)第2層薄弱性衡準(zhǔn)的判定。其中RРR1= 0.06，RРR2= 0.025，C1可以通過(guò)式（4）求解：

式中：Wi為波浪加權(quán)因數(shù)，由相應(yīng)的波浪表［1］確定；如果滿足式（5），則Ci=0，否則Ci=1。

C2是對(duì)一系列不同工況下的 取權(quán)重平均，C2可以通過(guò)式（6）求解。

對(duì)于每一具體速度和航向角下的 可利用如下公式求解。

具體求解過(guò)程參見(jiàn)參考文獻(xiàn)［11］。

2 過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)

船舶過(guò)度加速度是由于橫搖等運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致橫向加速度過(guò)大的現(xiàn)象，可能會(huì)導(dǎo)致貨物設(shè)備損壞和人員傷害。通常較大的初穩(wěn)性高對(duì)穩(wěn)性有利，但過(guò)大的初穩(wěn)性高使得船舶橫搖固有周期較小，橫搖可能變得劇烈，進(jìn)而導(dǎo)致加速度過(guò)大現(xiàn)象。第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)采用過(guò)度加速度作為一種穩(wěn)性失效模式，可以對(duì)船舶的初穩(wěn)性高進(jìn)行約束，從而使船舶的初穩(wěn)性高處于合理范圍。

2.1 第1層薄弱性衡準(zhǔn)

第1層薄弱性衡準(zhǔn)利用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式，以船舶固有周期時(shí)的諧搖估算最大加速度值。如果滿足式（8），則認(rèn)為以通過(guò)過(guò)度加速度第1層薄弱性衡準(zhǔn)。

式中：φ為橫搖幅值；kL為考慮垂向加速度和首搖影響的無(wú)因次系數(shù)；hr為橫搖軸到駕駛甲板的高度；Tr為靜水中線性自然橫搖周期；REA1為第1層衡準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值，4.64 m/s2。

2.2 第2層薄弱性衡準(zhǔn)

對(duì)于過(guò)度加速度第2層薄弱性衡準(zhǔn)，目前形成的統(tǒng)一提案中認(rèn)為，若按式（9）計(jì)算得到的系數(shù)C不超過(guò)0.000 39，則判斷該船不易發(fā)生過(guò)度加速度。

式中：wi為不同波浪條件下的權(quán)系數(shù)；R2= 9.81 m/s2；σLAi是根據(jù)式（10）確定的零速度且橫浪航行時(shí)的橫向加速的標(biāo)準(zhǔn)偏差，m/s2。

式中：ω為波浪圓頻率，積分的上下限分別為：ω1= 0.5 /Tr和ω2= 25.0 /Tr；Sζ為 波 浪 的 頻 率 譜；

為橫向加速度，可利用式（11）求解。

式中：ωe為橫搖固有頻率，rad/s；φa為橫搖幅值，計(jì)算時(shí)僅考慮F-K力的作用。

3 鉆井船薄弱性衡準(zhǔn)驗(yàn)證分析

3.1 樣船參數(shù)

采用1艘鉆井船，考慮3種開(kāi)孔形狀下不同尺寸的月池形式，驗(yàn)證分析其是否滿足正在制定的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，并分析月池對(duì)鉆井船薄弱性衡準(zhǔn)的影響。鉆井船主尺度參數(shù)如表1所示。圖1給出鉆井船的橫剖面圖。圖2給出不同形狀（基準(zhǔn)尺寸）月池形式示意圖，分別為基準(zhǔn)尺寸連體雙月池（A1）、基準(zhǔn)尺寸分體雙月池（B1）以及基準(zhǔn)尺寸矩形單月池（D1）。

表1 鉆井船主尺度參數(shù)

圖1 鉆井船橫剖面圖

圖2 不同形狀（基準(zhǔn)尺寸）月池形式示意圖

表2 列出排水量恒定的條件下無(wú)月池和不同月池對(duì)應(yīng)的鉆井船吃水情況。由該表可見(jiàn)，基準(zhǔn)尺寸（A1）連體雙月池對(duì)應(yīng)的吃水為9.2 m。當(dāng)月池（A2）邊長(zhǎng)增大到1.3倍A1月池邊長(zhǎng)時(shí)，鉆井船吃水增加到9.36 m。當(dāng)月池（A3）邊長(zhǎng)減小到0.7倍A1月池邊長(zhǎng)時(shí)，鉆井船吃水減少到8.995 m。在保證排水量相同的前提下，月池開(kāi)孔尺寸越大，船體吃水越大。分體雙月池和單體矩形月池邊長(zhǎng)增加與減小后的吃水情況與連體雙月池相似。

表2 不同月池對(duì)應(yīng)的鉆井船吃水

3.2 參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

下頁(yè)表3給出無(wú)月池和不同月池形式及尺寸鉆井船參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果。由該表可見(jiàn)，參數(shù)橫搖第1層薄弱性衡準(zhǔn)評(píng)估需要計(jì)算兩個(gè)衡準(zhǔn)參數(shù)，第1個(gè)均小于標(biāo)準(zhǔn)值，但第2個(gè)存在不滿足衡準(zhǔn)要求的情況。由于A1和A2尺寸的連體雙月池鉆井船沒(méi)有通過(guò)第1層薄弱性衡準(zhǔn)的評(píng)估，進(jìn)一步進(jìn)行第2層薄弱性衡準(zhǔn)評(píng)估，相應(yīng)衡準(zhǔn)數(shù)均小于衡準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值，滿足衡準(zhǔn)要求。B1-B3尺寸的分體雙月池鉆井船均沒(méi)有通過(guò)第1層薄弱性衡準(zhǔn)的評(píng)估，進(jìn)一步計(jì)算結(jié)果表明3種尺寸的分體雙月池鉆井船通過(guò)了第2層薄弱性衡準(zhǔn)評(píng)估。D1-D3尺寸的矩形單月池鉆井船同時(shí)通過(guò)了第1層和第2層薄弱性衡準(zhǔn)評(píng)估。綜上可見(jiàn)，參數(shù)橫搖第1層薄弱性衡準(zhǔn)較為保守。

表3 不同月池形式及尺寸鉆井船參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

圖3 和圖4分別給出不同形狀及尺寸月池鉆井船對(duì)其參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)Level 1和Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)的影響。

圖3 不同形狀及尺寸月池鉆井船對(duì)其參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)Level 1衡準(zhǔn)參數(shù)的影響

圖4 不同形狀及尺寸月池鉆井船對(duì)其參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)的影響

由圖3可見(jiàn)，3種月池形式鉆井船的參數(shù)橫搖Level 1衡準(zhǔn)數(shù)δGM1/GM隨月池尺寸的 增 大 而 減小。這是由于在第1層薄弱性衡準(zhǔn)評(píng)估中，月池開(kāi)孔尺寸越大，波浪中GM變化幅值δGM1越小，靜水中GM越大，從而導(dǎo)致開(kāi)孔尺寸越大，衡準(zhǔn)值δGM1/GM越小。連體雙月池和分體雙月池鉆井船參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)隨月池尺寸的增大而減小；相比基準(zhǔn)尺寸，較大尺寸和較小尺寸的矩形月池鉆井船參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)都會(huì)變小。由圖4可見(jiàn)，3種月池形式鉆井船的參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)之一C2具有隨月池尺寸增大而減小的趨勢(shì)。

3.3 過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

表4 列出無(wú)月池和不同月池形式及尺寸鉆井船過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果?？梢钥吹剑煌问胶统叽绲你@井船過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 1和Level 2的衡準(zhǔn)值均小于其標(biāo)準(zhǔn)值（4.64和0.000 39），同時(shí)通過(guò)了過(guò)度加速度第1層和第2層薄弱性衡準(zhǔn)評(píng)估。

表4 不同月池形式及尺寸鉆井船過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

圖5 和圖6給出不同形狀及尺寸月池鉆井船對(duì)其過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 1和Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)的影響?？梢钥吹?，Level 1和Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)均隨月池尺寸的增大而增大。

圖5 不同形狀及尺寸月池鉆井船對(duì)其過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 1衡準(zhǔn)參數(shù)的影響

圖6 不同形狀及尺寸月池鉆井船對(duì)其過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)的影響

4 結(jié) 論

本文針對(duì)1艘鉆井船，在排水量恒定的條件下，考慮3種開(kāi)孔形狀、不同尺寸的月池形式，驗(yàn)證分析其是否滿足正在制定的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)。獲得以下結(jié)論：

（1）文中考慮的月池形狀及尺寸的鉆井船均滿足第二代穩(wěn)性中參數(shù)橫搖和過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)。

（2）3種月池形式鉆井船的參數(shù)橫搖Level 1衡準(zhǔn)數(shù)δGM1/GM隨月池尺寸的增大而減小。連體雙月池和分體雙月池鉆井船參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)隨月池尺寸的增大而減小。相比基準(zhǔn)尺寸，較大和較小尺寸的矩形月池鉆井船參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)都會(huì)變小。3種月池形式鉆井船的參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)之一C2具有隨月池尺寸增大而減小的趨勢(shì)。

（3）鉆井船過(guò)度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 1和Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)均隨月池尺寸增大而增大。

本文尚未考慮月池中流體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的阻尼效應(yīng)，相關(guān)影響將在后續(xù)研究中予以考慮。