移動式海洋平臺破艙穩(wěn)性優(yōu)化分析

柏 健，諸俊楷，蒙占彬

（1. 中石化勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院，山東東營 257000；2. 上?；萆Ｑ蠊こ逃邢薰荆虾?01210；3. 北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院，廣西欽州 535011）

0 引言

移動式海洋石油平臺在海上主要靠拖航來進行移位，海上氣候瞬息萬變，有時候會出現(xiàn)惡劣工況，這對平臺的漂浮穩(wěn)性帶來了很大考驗。在破艙進水工況下，平臺有可能會單艙或者多艙進水，這使得平臺有沉沒的危險。破艙有很多原因，外因主要為操作不當發(fā)生碰撞、遇到海中障礙物等；內(nèi)因主要為船廠施工質(zhì)量等。

在海洋平臺設計中，若能提前采取提高破艙穩(wěn)性的措施，在不影響平臺生產(chǎn)性能的前提下提高平臺的破艙穩(wěn)性。

海上安全生產(chǎn)和拖航是各個海上油田一直高度重視的問題。從之前的事故中吸取教訓，在海上平臺遇到險情后及時采取補救措施，使個別艙室的險情不至于加劇，這對提高海洋平臺的拖航安全非常重要。

本文對海上石油平臺拖航時的的破艙穩(wěn)性原理和計算衡準進行闡述，基于MOSES 程序進行精細艙室建模和分析，并提出提高破艙穩(wěn)性的改良優(yōu)化措施和平臺發(fā)生破艙后的補救措施，以期改善平臺拖航的安全性。

1 破艙穩(wěn)性模型

本文的計算模型為勝利油田海上某平臺，采用MOSES 穩(wěn)性計算程序進行建模計算。該平臺為4樁腿自升式修井平臺，主要用于油田試油和修井。平臺主體為長方體箱形結(jié)構，設有4 根圓柱形樁腿，艏部和艉部各布置2 根，樁腿下端設有樁靴，樁靴可完全收回平臺體內(nèi)。在MOSES 穩(wěn)性分析軟件中建立平臺主體模型和各艙室模型，見圖1。

圖1 平臺破艙穩(wěn)性MOSES 計算模型圖

按中國船級社（China Classification Society，CCS）《海上移動平臺入級規(guī)范》（2020）的衡準對拖航狀態(tài)的破艙穩(wěn)性進行計算。

自升式平臺在來自任何方向，風速為25.8 m/s的風傾力矩作用下，破損水線應低于可能發(fā)生繼續(xù)進水的任何開口下緣。

自升式平臺在經(jīng)受任何單個艙室進水后的剩余穩(wěn)性應滿足式（1）要求[1]：

式中：Ros為穩(wěn)性范圍；θm為穩(wěn)性消失角；θs為單個艙室進水后的靜傾角。

剩余穩(wěn)性的衡準是關于各個方向的，對艙室的要求較高。

2 在平臺設計中提高破艙穩(wěn)性的新方法

2.1 增設電動隔艙

對于海洋平臺來說，平臺主體邊角處大面積艙室的破艙穩(wěn)性一般比較差，目前船級社對剩余穩(wěn)性的要求非常嚴格，要求對各個方向的剩余穩(wěn)性都要合格。國內(nèi)對于移動平臺穩(wěn)性的分析較多采用NAPA 和MAXSURF 軟件，而MOSES 軟件的應用相對較少，且研究對象大都為自升式移動平臺和半潛式移動平臺[2]，但MOSES 軟件的的優(yōu)勢在于破艙穩(wěn)性建模的程序比較靈活。大邊艙破損后破艙剩余穩(wěn)性曲線見圖2，破損剩余穩(wěn)性衡準表見表1。經(jīng)計算，270°的剩余穩(wěn)性滿足要求，180°和225°的剩余穩(wěn)性不滿足要求。

為保證平臺滿足破艙穩(wěn)性，通常做法是將該壓載艙進行分隔，也就是分成2 個水密艙室。這樣即使?jié)M足破艙穩(wěn)性，但也會給后期使用帶來諸多不便。在采用該方式分隔后，壓載艙不得不增加一些壓載管線和吸口，而油艙、淡水艙、污液艙等艙室會存在計量、抽吸等方面的麻煩。

因此，在進行總布置設計時，對這種破艙穩(wěn)性比較差的艙室增設活動隔艙，在艙底增加可伸縮的電驅(qū)動垂直可伸縮隔板，利用密封件使隔板和艙壁之間達到水密狀態(tài)。在拖航時，通電驅(qū)動隔板上升到主甲板高度，即可有效分隔為2 個水密艙，顯著改善破艙穩(wěn)性。在站立工況時，通電驅(qū)動隔板下降到平臺底部，不影響艙室的正常使用。電動隔艙示意圖見圖3。

圖3 電動隔艙示意圖

2.2 透氣管的集成化

當平臺破損時，進水口一般是位于平臺主甲板四周一圈的透氣管，透氣管高度不到1 m，在平臺破損后傾斜到該位置時會發(fā)生進水。由于透氣管一般在舷側(cè)，只要水漫過主甲板就很容易達到進水口。為提高破艙穩(wěn)性，可在設計時使進水點離開舷側(cè)危險位置。如果平臺主甲板有合適的空間，可將各個艙的透氣管集成到一個透氣管模塊中，集中進行艙室換氣。為提高破艙穩(wěn)性，該模塊應盡可能布置在平臺主甲板靠近中心的位置。此外，為保護模塊不進水，要進行除集中透氣孔外的水密設計。透氣管集成模塊示意圖見圖4。

圖4 透氣管集成模塊示意圖

2.3 艙室布置設計

為提高破艙穩(wěn)性，主機艙、泵艙、油氣外輸艙等面積較大的機械艙室要盡可能布置在平臺中部。對于確實無法在中部布置的艙室，要采取在艙室的舷側(cè)方向增加空艙分隔、底部增加雙層底等方法提高剩余穩(wěn)性。對于設備高度和尺寸較小的機械艙室，可通過增設二層臺對設備進行疊加。雙層底、空艙和二層臺設計方案見圖5。在計算破艙穩(wěn)性時，對開口、滲透率和破損范圍等進行定義，需要重點關注靠舷邊的通風筒、機艙泵露天甲板的艙口圍，以及風雨密外開門門檻等容易忽視的風雨密開口[3]。

圖5 雙層底、空艙和二層臺設計方案

2.4 穿艙管系優(yōu)化設計

在平臺艙室破損后，艙內(nèi)管系也會有損壞的可能。特別是對于艙室底部的管系，在破艙后如果遇到一些障礙物的擠壓，很可能發(fā)生連續(xù)破損。很多管系都是穿艙的，如果因為艙底的管系損壞造成相鄰艙室進水，這對破艙穩(wěn)性非常不利。在穿艙管系的設計和施工布置中，若穿艙管系相連的2 個艙室間沒有關閉閥，則管子不得穿透連接艙室的縱向邊界，也不得越過艙室的最外邊界。

3 破艙事故后的補救方法

在平臺艙室進水后，一般會發(fā)生傾斜，當艙室進水嚴重時，平臺有可能發(fā)生沉沒事故。然而，平臺沉沒往往是個緩慢的過程，在破艙后采取一些補救措施，可以最大限度的延緩沉沒的過程，爭取救援的寶貴時間。

3.1 增加碎波裝置

平臺在海上發(fā)生破艙后，主體進水傾斜，這時候如果遇到大風浪，不但會加劇平臺的搖擺，還很有可能會增加破損程度。必須考慮波浪力的影響，波浪力會對破艙后的平臺產(chǎn)生傾覆力，特別是在惡劣海況下，由波浪和平臺共同產(chǎn)生的慣性力，會導致很大的傾覆力矩威脅平臺的安全。

波浪力的大小隨波高的增大呈現(xiàn)幾何級數(shù)增長。根據(jù)這一規(guī)律，在平臺上預備若干個電驅(qū)動噴射裝置（見圖6），在受波浪影響較大的位置對波浪進行噴射，降低實際作用于平臺的有義波高，減少平臺的傾斜風險。如果多個電驅(qū)動噴射裝置一起啟動噴射，碎波效果會更為明顯。

圖6 碎波裝置示意圖

3.2 增加支撐裝置

對于平臺發(fā)生破艙的位置水深較淺或離碼頭很近的情況，可以在平臺上預備一些可連接的支撐桿，類似鉆桿有接頭。在平臺破損后，可根據(jù)平臺破艙進水后的傾斜方向，在進水艙上方的主甲板上臨時安裝伸出平臺的固定架，固定架上有槽，利用平臺吊機吊起支撐桿，下放到固定架的槽中。根據(jù)水深和支撐架的傾斜角度，連接多個支撐桿，一直到支撐桿穩(wěn)定的支撐到海底為止。隨后，將支撐桿和固定架剛性連接，使支撐力傳遞到平臺。這種方法雖然繁瑣，但對平臺破艙后的支撐有顯著效果，可有效防止平臺沉沒和持久不斷進水等問題。支撐裝置示意圖見圖7。

圖7 支撐裝置示意圖

3.3 增加臨時浮箱

參考多體船增加破艙穩(wěn)性的原理，多儲備一些充氣浮箱。在平臺發(fā)生破艙進水后，為及時防止平臺傾斜的繼續(xù)增大，對破損位置臨時焊接一些固定支架，將充氣浮箱充氣后放到水中，將其和固定支架相連。該方法簡單實用，適合用于平臺沉沒速度較慢的破艙事故。這些浮箱的浮力支撐可有效的=增加慣性矩，延緩甚至停止平臺的繼續(xù)傾斜，防止事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

海洋平臺總體設計是平臺安全保障的第一站，至關重要，如能在設計時盡可能的考慮提高破艙穩(wěn)性，對平臺的后續(xù)使用會產(chǎn)生良好的安全效果。本文提出的一些改善破艙穩(wěn)性的設計思路，是在參照穩(wěn)性基本原理和破艙穩(wěn)性衡準的基礎上總結(jié)而成。平臺破艙后采取的補救方法也有多種，本文列舉的方法可根據(jù)實際海況和水深條件選用。在平臺總布置設計中可以考慮增加功能艙室或者房間，對補救設備進行專門存放。本文的研究成果可為移動式海洋平臺設計和應急預案制作提供一定參考。