移動(dòng)式自安裝井口平臺(tái)拖航穩(wěn)性分析

楊學(xué)利，嚴(yán) 明，王立志

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)

隨著我國海洋石油工業(yè)的快速發(fā)展，渤海、東海及南海海域大量的邊際斷塊油田成為開發(fā)熱點(diǎn)。這些海上邊際油田若采用傳統(tǒng)的開發(fā)模式難以經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，亟需建立以新型海工裝備為核心的全新開發(fā)模式，因此，具有自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式的移動(dòng)式自安裝井口平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。

根據(jù)平臺(tái)作業(yè)的特點(diǎn)在建造場地至作業(yè)海域進(jìn)行長距離遷航。平臺(tái)拖航是比較危險(xiǎn)的海上作業(yè)，中外海工史上都有過沉痛的教訓(xùn)。拖航時(shí)樁腿收起，高聳的樁腿會(huì)使受風(fēng)面積增大，導(dǎo)致風(fēng)傾力矩增加；同時(shí)，樁腿與樁靴的自重比較大，升樁會(huì)使平臺(tái)的重心顯著升高，給平臺(tái)拖航穩(wěn)性帶來極為不利的影響。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，在平臺(tái)海損事故中因穩(wěn)性缺陷引發(fā)的事故占三成[1]。拖航穩(wěn)性一直是設(shè)計(jì)、操作和檢驗(yàn)部門重點(diǎn)關(guān)注的問題，本文以某型移動(dòng)式自安裝井口平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)平臺(tái)拖航的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性進(jìn)行分析，研究成果可為類似平臺(tái)的穩(wěn)性分析提供參考，為平臺(tái)的安全拖航提供技術(shù)支持。

1 平臺(tái)穩(wěn)性規(guī)范要求

1.1 完整穩(wěn)性

與船舶相類似，平臺(tái)完整穩(wěn)性主要是指平臺(tái)未破損時(shí)在外力作用下偏離平衡位置而發(fā)生傾斜，當(dāng)外力消失后其自行恢復(fù)到原來平衡位置的能力[2]。平臺(tái)穩(wěn)性會(huì)隨裝載情況的不同而發(fā)生變化，為保證在所有的裝載狀態(tài)下平臺(tái)都具有足夠的穩(wěn)性就需要對(duì)幾種典型的裝載工況進(jìn)行穩(wěn)性校核。根據(jù)規(guī)范的要求，平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算的關(guān)鍵在于確定復(fù)原力矩(表示在最危險(xiǎn)的情況下平臺(tái)抵抗外力矩的極限能力)和風(fēng)傾力矩(表示在惡劣海況下風(fēng)對(duì)平臺(tái)作用的動(dòng)傾力矩)[2]，二者之比為穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)，其值大于或等于1時(shí)可滿足穩(wěn)性要求，即：

式中：K為穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)；Mz為復(fù)原力矩，kN·m；Mq為風(fēng)傾力矩，kN·m；lz為復(fù)原力臂，m；lq為風(fēng)傾力臂，m。

如圖1所示，對(duì)于自升式平臺(tái)，至第2交點(diǎn)或進(jìn)水角處的復(fù)原力矩曲線下面積中的較小者至少應(yīng)比至同一限定傾角范圍內(nèi)風(fēng)傾力矩曲線下的面積大40%，即復(fù)原力矩與風(fēng)傾力矩曲線面積之比大于或等于1.4 (面積比即穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù))；對(duì)應(yīng)的傾角是第2交點(diǎn)或入水點(diǎn)(兩者取較小者)，即滿足(A+B)≥1.4(B+C)。

圖1 完整穩(wěn)性要求 Fig.1 Requirements for intact stability

1.2 破艙穩(wěn)性

破艙穩(wěn)性是指平臺(tái)破損后依靠自身傾斜后的復(fù)原力矩在規(guī)定的外加風(fēng)壓作用下仍能保持不再繼續(xù)進(jìn)水的能力[3]。計(jì)算破艙穩(wěn)性應(yīng)選取最不利的穩(wěn)定狀態(tài)的工況，并考慮平臺(tái)處于完全自由的漂浮狀態(tài)，但如果拖帶約束對(duì)穩(wěn)性有不利影響時(shí)應(yīng)加以考慮。計(jì)算破艙穩(wěn)性時(shí)，各處所或一部分處所的滲透率應(yīng)符合表1中給出的規(guī)范規(guī)定[3]。

表1 艙室滲透率 Tab.1 Cabin permeability

平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具有足夠的干舷、儲(chǔ)備浮力和穩(wěn)性，以便在任何作業(yè)或遷移狀況下任一艙室受到規(guī)范規(guī)定的破損后，并在來自任何方向、風(fēng)速25.8m/s的風(fēng)傾力矩作用下，考慮下沉、縱傾和橫傾的聯(lián)合影響后，最終水線應(yīng)低于可能發(fā)生繼續(xù)浸水的任何開口的下緣[4]，即滿足(A+B)≥(B+C)，見圖2。

圖2 破艙穩(wěn)性要求 Fig.2 Requirements for damaged stability

2 平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算工況

2.1 平臺(tái)概況

本計(jì)算分析采用的對(duì)象是一座四樁腿自升式可移動(dòng)井口平臺(tái)，鋼質(zhì)非自航，設(shè)計(jì)最大作業(yè)水深為45m(含天文潮和風(fēng)暴潮)。平臺(tái)主體為長方體箱形結(jié)構(gòu)，設(shè)有4根圓柱形樁腿，艉二艏二布置，樁腿下端設(shè)有樁靴，樁靴可完全收回平臺(tái)體內(nèi)。升降系統(tǒng)采用液壓插銷式，利用升降系統(tǒng)將平臺(tái)主體支撐于指定高度。平臺(tái)艉部設(shè)井口槽，槽內(nèi)安裝井口隔水套管支撐管架，可滿足6根隔水管(井間距2.5m)的支撐要求。井口隔水套管支撐管架采用液壓齒條升降系統(tǒng)調(diào)整管架的高度，井口槽兩側(cè)設(shè)修井模塊縱向移動(dòng)所需軌道。

平臺(tái)型長57m，型寬44m，型深5.5m；輕載拖航吃水3.30m，重載拖航吃水3.44m；樁腿數(shù)量 4根，樁腿尺寸φ3.5m×82m，樁腿縱向間距39.5m，樁腿橫向間距36m，樁靴(正八邊形)對(duì)邊長7.4m，高2.0m；艏部2層工程房，層高4.0m，1層生活樓，層高3.2m。

2.2 計(jì)算坐標(biāo)系

計(jì)算坐標(biāo)系取隨船坐標(biāo)系，如圖3所示。穩(wěn)性計(jì)算通過MOSES軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，模擬真實(shí)自安裝井口平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)和重量分布，破艙穩(wěn)性計(jì)算選取的艙室組合分布見圖4。

圖3 平臺(tái)坐標(biāo)系 Fig.3 Platform coordinate system

圖4 破艙穩(wěn)性計(jì)算選取的艙室組合 Fig.4 Cabin combination selected for damaged stability calculation

2.3 工況選擇

在進(jìn)行完整穩(wěn)性分析時(shí)，遠(yuǎn)洋拖航選取滿載工況(修井拖航工況)、輕載工況(采油拖航工況)和空船工況。平臺(tái)計(jì)算模型見圖5，平臺(tái)荷載重量和重心分布情況見表2。

圖5 平臺(tái)拖航計(jì)算模型 Fig.5 Calculation model of platform towing

表2 各裝載工況下平臺(tái)重量重心 Tab.2 Platform weight center of gravity under various loading conditions

平臺(tái)進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)置主要考慮了主甲板上的通風(fēng)頭、透氣管和下艙梯道門的進(jìn)水點(diǎn)等因素，參照了空氣、測量、注入系統(tǒng)布置圖，各破損狀態(tài)最危險(xiǎn)進(jìn)水口坐標(biāo)見表3。

表3 破艙狀態(tài)及進(jìn)水點(diǎn) Tab.3 Damaged condition and water inlet point

2.4 風(fēng)載荷計(jì)算

無論是完整穩(wěn)性還是破艙穩(wěn)性都需要考慮計(jì)算各工況下的風(fēng)載荷。根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)造規(guī)范(2020)》[3]：

作用在構(gòu)件上的風(fēng)載荷按下式計(jì)算：

式中：P為風(fēng)壓，kPa；V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；F為構(gòu)件風(fēng)荷載，kPa；Ch為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)，根據(jù)構(gòu)件高度選取；Cs為受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)；S為平臺(tái)在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2。

3 平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果分析

3.1 完整穩(wěn)性

根據(jù)平臺(tái)形狀，計(jì)算校核橫向90°、斜向42°、縱向0°受風(fēng)時(shí)的完整穩(wěn)性，根據(jù)規(guī)范取計(jì)算風(fēng)速為51.5m/s。平臺(tái)拖航時(shí)樁靴完全收回主船體內(nèi)。平臺(tái)采用濕式樁腿型式，與海水連通，樁腿在拖航時(shí)進(jìn)水。樁腿的浮力只考慮樁腿壁厚產(chǎn)生的浮力，樁靴采用正八邊形結(jié)構(gòu)，外側(cè)一圈不與海水連通，此部分計(jì)入至排水量。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果 Tab.4 Stability calculation results

根據(jù)規(guī)范要求，拖航狀態(tài)穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K＞1.4，初穩(wěn)心高GM＞0.15m，計(jì)算結(jié)果表明完整穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

3.2 破艙穩(wěn)性

計(jì)算破艙穩(wěn)性選取滿載拖航、輕載拖航和空船拖航工況，并按照規(guī)范要求對(duì)各艙室或處所選取恰當(dāng)?shù)娜莘e滲透率[5]。根據(jù)規(guī)范要求，假定垂向范圍自底板向上無限制，水平貫入為1.5m，位于假定的水平貫入范圍內(nèi)的有效水密艙壁之間或其最近臺(tái)階部分之間的距離＞3.0m。各破損狀態(tài)下進(jìn)水點(diǎn)的角度均＞0°，破損水位低于可能發(fā)生繼續(xù)進(jìn)水的任何開口下緣，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果可知，平臺(tái)任意一艙破損情況下平臺(tái)滿載拖航破艙穩(wěn)性均滿足規(guī)范要求。平臺(tái)輕載拖航與空船拖航相關(guān)穩(wěn)性計(jì)算與上述方法相同，且計(jì)算結(jié)果均滿足要求，表明某型移動(dòng)式自安裝井口平臺(tái)的完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性均滿足規(guī)范要求?！?/p>

表5 滿載拖航破損剩余穩(wěn)性衡準(zhǔn)表 Tab.5 Residual stability criteria for full load towing damage