基于壓載水法的半潛平臺傾斜試驗

劉鋼東，周喜寧，李子凡

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000;2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226000)

半潛鉆井平臺完工交付之前，為了驗證平臺的可變載荷是否滿足合同設計要求，需要測量平臺的空船重量及重心位置，以便在實際裝載過程中得到一個準確的浮態(tài)。常規(guī)船舶或半潛平臺傾斜試驗通常采用壓鐵達到傾斜，對于大型散貨船或者起重船，也有采用壓載水作為配重，而對于半潛平臺由于壓載艙液位測量限制，基本都是采用壓鐵進行傾斜試驗。且半潛平臺在傾斜試驗時，倘若碼頭水深不夠，則需要在海上試驗，采用壓鐵在海上試驗時間長、風險大、成本高。為了提高試驗效率，提出采用駁運壓載水的方法進行半潛平臺的傾斜試驗。中國船級社《船舶傾斜試驗與靜水橫搖試驗實施指南》也同意在難以采用固體重量塊的情況下，經(jīng)主管機關同意，可采用壓載水作為試驗重量。以1艘半潛鉆井平臺為研究對象，實船試驗分析各階段參數(shù)的敏感性。

1 試驗吃水

試驗平臺基本參數(shù)及試驗儀器見表1。

表1 平臺基本參數(shù)及試驗儀器

(1)

(2)

那么，平臺實際測量計算得到的重心高度與理論中心高度的偏差可通過下述公式計算得到：

(3)

平臺在不同吃水下，由于擺錘測量誤差1%引起的垂向重心高度變化見表2。

表2 不同吃水下垂向重心高度試驗誤差

由表2可知，傾斜試驗因不同吃水導致的重心高度偏差隨吃水增加而減少，在浮箱吃水(10 m以下)計算得到的重心高度誤差約為立柱吃水(10 m以上)的10倍。由于在吃水11～13 m之間設有4根徑為2 m的橫撐，導致在該區(qū)域進行傾斜試驗產(chǎn)生的誤差較立柱其他吃水大。因此，本平臺的試驗吃水需在14 m以上，本次試驗的吃水選取15 m。

2 試驗準備

2.1 壓載系統(tǒng)能力

平臺設計初期，為了減少建造成本，減少管路布置，一般按照左右浮箱配置兩套獨立的壓載系統(tǒng)。而傾斜試驗為保證平臺在試驗期間排水量保持不變，壓載系統(tǒng)不應與外界壓載水進行交換，因此，在確定設計方案之前需確定平臺壓載水系統(tǒng)是否能夠通過自身駁運壓載水傾斜平臺。本平臺的壓載系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 壓載系統(tǒng)原理示意

由圖1可知：通過控制艏艉壓載泵以及壓載艙18P/S和25P/S的進水閥，可使平臺艏艉傾斜，且傾斜角度滿足試驗要求。

2.2 駁運壓載水自由液面影響

為了減少駁運壓載水對垂向重心高度影響，駁運壓載艙應盡量選擇在傾斜方向上自由液面較小且形狀規(guī)則的艙室。試驗選取形狀規(guī)則且縱向長度僅2 m的立柱壓載艙WB18P/S和WB25P/S作為駁運壓載艙。通過查詢艙室測深表，每個壓載艙的縱向自由液面FMSL對平臺重心高度產(chǎn)生的影響見表3。

表3 駁運壓載艙自由液面影響

由表3可知，選取的駁運壓載艙總的最大自由液面對平臺重心高度產(chǎn)生的影響不到0.1%，可以忽略不計。

2.3 壓載艙液位測量

由于半潛平臺作業(yè)時的穩(wěn)性要求，平臺的壓載艙需要布置在浮箱和立柱區(qū)域，進而壓載艙一般不能布置測試管，而船級社為了保證數(shù)據(jù)測量的準確性和可校驗性，一般要求手動測量壓載艙液位，將液位傳感器則作為輔助工具進行校驗。因此，選定的駁運壓載艙除形狀規(guī)則，自由液面影響小以外，在試驗過程中，人員還需能夠進入壓載艙安全的測量駁運壓載艙的液位。

試驗選取的駁運壓載艙結構形式見圖2。

圖2 駁運壓載艙結構圖

該艙內部設有3層平臺，每層平臺高度為2 m，每層平臺之間通過交錯布置的直梯上下，但是由于在每層平臺直梯下端設有防止人員掉落的鋼制格柵，且標尺穿過格柵孔保證標尺垂直與壓載艙，因此人員不能直接對標尺進行讀數(shù)。試驗時，人員通過頂部人孔進入駁運壓載艙，并在每層平臺上采用工業(yè)內窺鏡穿過平臺格柵對準液位，通過視頻信號讀取每次駁運的壓載水液位。

3 誤差敏感性分析及實船試驗

影響半潛平臺傾斜試驗垂向重心高度的因素有臨時重量統(tǒng)計，擺錘讀數(shù)，U形管讀數(shù)等。采用單一變量法，保持其他參數(shù)不變，只改變其中一個變量來評估該變量對重心高度的影響。

3.1 臨時重量影響

臨時重量統(tǒng)計必要且繁重。

試驗中的臨時重量一般分為兩類，一類是具有設備資料的重物，該類重物的重量可通過資料查詢得到，在試驗過程中默認這類重物的重量是1個準確值。第二類重量無法通過相關資料查詢得到，一般通過經(jīng)驗估算得到，該類重量統(tǒng)計誤差較大。

(4)

式中：為無設備資料臨時重量總和；為單獨的臨時重量；為隨機因子；為隨機范圍。

通過設定隨機范圍可計算得到無設備資料的臨時重量總和，之后依據(jù)試驗測量得到不同隨機范圍下的垂向重心高度。

以隨機范圍=0為參照組，設定隨機范圍分別為±5%、±10%、±15%，以不同隨機范圍下的無設備資料臨時重量總和作為變量輸入值(見圖3)，計算得到空船狀態(tài)下不同隨機范圍下的垂向重心高度，見表4。

圖3 可變載荷誤差計算流程

表4 不同隨機范圍下空船VCG變化差異

由表4可知，臨時重量統(tǒng)計誤差對平臺重心高度影響很小。在稱重不允許的情況下，可通過經(jīng)驗快速估算得到主甲板上臨時重量。

3.2 擺錘讀數(shù)影響

海上傾斜試驗受環(huán)境條件的影響較大，為了降低環(huán)境條件對試驗結果的影響，船級社要求試驗期間風速不能大于蒲氏2級，如果條件不允許則可不大于蒲氏3級。可見試驗期間，因為環(huán)境參數(shù)導致的擺錘讀數(shù)誤差范圍波動不會太大，本試驗吃水15 m，排水量=40 979.4 t，擺錘長度=11.585 m，無風條件下擺錘最大縱傾理論偏移量=0.292 2 m，考慮風以及讀數(shù)誤差影響，假設本試驗擺錘理論讀數(shù)與實際讀數(shù)偏差分別為為±10、±20、±30 mm，分析平臺垂向重心高度變化隨擺錘讀數(shù)誤差的影響。

(5)

由表5可知，擺錘讀數(shù)誤差對平臺重心高度較為敏感，特別是當讀數(shù)誤差超過30 mm時，其重心偏差達到0.7 m，因此，在試驗期間應盡量控制擺錘讀數(shù)在誤差10 mm以內。

表5 擺錘讀數(shù)誤差引起的重心高度偏差

3.3 U形管讀數(shù)影響

U形管數(shù)據(jù)測量一般受環(huán)境溫度影響，如果試驗期間溫差變化較大，特別是采用軟管作為U形管容易發(fā)生熱漲冷縮現(xiàn)象，導致試驗結果不準確，判斷U形管是否發(fā)生熱漲冷縮簡單的方式是對每次駁運壓載水后的U形管讀數(shù)進行求和，如果試驗期間，U形管每步讀數(shù)總和基本保持不變，可忽略本次試驗中熱脹冷縮的影響。試驗U形管布置在船中，長度=11.005 m，試驗過程中U形管總讀數(shù)基本不變，最大縱傾角時液位變化較初始值差mm，由于U型管讀數(shù)僅受平臺縱搖影響，其誤差較小，假設讀數(shù)誤差在±5，±10 mm時，依據(jù)式(5)，其對重心高度的影響見表6。

表6 U形管讀數(shù)誤差引起的重心高度偏差

由表6可知，U形管讀數(shù)誤差引起的重量高度與擺錘影響基本一致，但是由于U形管讀數(shù)受環(huán)境因素較小，其引起的重心高度絕對誤差比擺錘小。

3.4 實船試驗

為了提高試驗效率和精度，采取以下措施。

1)對于主甲板上大型臨時設備重量，通過查詢設備資料得到，對于散裝的臨時重物通過經(jīng)驗估算得到。

2)擺錘位置布置在避風位置，且擺錘油槽內采用粘度較高的油品。

3)U形管中間的段采用浸濕的防火毯包裹，防止其與主甲板接觸，減少熱脹冷縮風險。

采用上述方法和措施，僅3 h便完成了海上傾斜試驗，試驗結果見表7，試驗過程和試驗結果均滿足船級社規(guī)范要求。

表7 實船試驗結果

4 結論

1)半潛平臺傾斜試驗吃水需在立柱區(qū)域。

在浮箱吃水測量得到的重心高度誤差約為在立柱吃水的10倍左右。

2)半潛平臺采用壓載水進行試驗的基本條件：壓載水能夠進行內部駁運，并且能夠進行手動測量液位，同時該壓載艙在傾斜方向上自由液面足夠小。

3)半潛平臺各測量設備中，擺錘讀數(shù)對重心高度影響最大，臨時重量統(tǒng)計對重心高度影響較?。辉跍夭钶^大時，采用軟管作為U形管需考慮熱漲冷縮作用。

4)通過實船試驗驗證了半潛平臺上采用壓載水進行傾斜試驗的可行性。