尹 艷， 莫 建， 李春輝， 王 超， 王鈺涵

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

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CJ46型自升式鉆井平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算方法研究

尹 艷， 莫 建， 李春輝， 王 超， 王鈺涵

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

該文在分析了風(fēng)傾力矩、完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)樁腿的等效計(jì)算方法展開(kāi)研究，得到了準(zhǔn)確的風(fēng)傾力矩計(jì)算方法。為驗(yàn)證穩(wěn)性計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，應(yīng)用NAPA軟件對(duì)某375英尺CJ46型自升式鉆井平臺(tái)的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算分析，闡述了風(fēng)模型的建立、吃水和風(fēng)向角的選取，以及初始重心高度的設(shè)定等關(guān)鍵問(wèn)題。計(jì)算結(jié)果與基本設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析，證實(shí)了穩(wěn)性計(jì)算方法的合理性和可靠性。

自升式鉆井平臺(tái); 穩(wěn)性; NAPA; 風(fēng)模型

0 前言

自升式鉆井平臺(tái)不受風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生垂向升沉運(yùn)動(dòng)、縱向搖擺和橫向漂移運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船等移動(dòng)平臺(tái)自升式鉆井平臺(tái)居住舒適性更高。同時(shí)，自升式鉆井平臺(tái)又具有良好的移動(dòng)性能，利用率高，因此目前自升式鉆井平臺(tái)被廣泛應(yīng)用。但是，在拖航情況下，自升式平臺(tái)升起的樁腿不僅使得平臺(tái)重心升高，還導(dǎo)致受風(fēng)面積顯著增大，直接影響自升式鉆井平臺(tái)穩(wěn)性。在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須準(zhǔn)確預(yù)報(bào)風(fēng)傾力矩，保證穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果滿足衡準(zhǔn)要求，因此研究自升式鉆井平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算方法顯得尤為重要。

1 風(fēng)傾力矩

穩(wěn)性計(jì)算的要點(diǎn)是確定平臺(tái)受到的風(fēng)傾力矩的大小，這是因?yàn)椴徽撌瞧脚_(tái)的完整穩(wěn)性還是破損穩(wěn)性，都是自身的復(fù)原力矩抵抗風(fēng)傾力矩的能力。

風(fēng)荷載和風(fēng)傾力矩可以根據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算：

式中:F為風(fēng)荷載；CS為受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)；CH為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)；ρ為空氣密度；V為風(fēng)速；A為正浮或傾斜狀態(tài)下所有暴露面的正投影面積；Z為風(fēng)力作用力臂。

圖1 桁架式樁腿的一個(gè)節(jié)距

為得到準(zhǔn)確的風(fēng)載荷和風(fēng)傾力矩，關(guān)鍵是確定受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)和受風(fēng)面積。平臺(tái)甲板上有較多構(gòu)件，但在風(fēng)載荷模型建立過(guò)程中，主要建立主船體、井架、懸臂梁、鉆臺(tái)、吊機(jī)、樁腿以及上層建筑等模型。對(duì)于一些很難準(zhǔn)確模擬的結(jié)構(gòu)，采取相應(yīng)的等效方式進(jìn)行建模，例如井架采用板進(jìn)行建模，取滿實(shí)投影面積的60%；而吊機(jī)的吊臂可以等效為圓臺(tái)，取滿實(shí)投影面積的60%，其中最為關(guān)鍵的是把桁架式樁腿等效為圓柱。

不論是X型，K型還是雙K型桁架式樁腿都是由大量的撐桿組成，如水平桿、斜撐、內(nèi)撐桿以及弦桿等，K型樁腿節(jié)距結(jié)構(gòu)如圖1所示。因此在建立風(fēng)模型時(shí)，為了方便建模，通常把桁架式樁腿轉(zhuǎn)化為圓柱[1]。

等效樁腿直徑De和等效拖曳力系數(shù)CDe按下式計(jì)算：

式中：di為第i個(gè)構(gòu)件的直徑；li為第i個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度；L為節(jié)距。

式中：CDi為第i個(gè)構(gòu)件的拖曳力系數(shù)，參考SNAME規(guī)范；li′為第個(gè)構(gòu)件的投影長(zhǎng)度；αi為風(fēng)向與第i個(gè)構(gòu)件投影到水平面線之間的夾角；βi為第i個(gè)構(gòu)件為水平桿件之間的夾角。

2 穩(wěn)性衡準(zhǔn)

2.1 完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)

在拖航過(guò)程中，平臺(tái)需要足夠的穩(wěn)性來(lái)承受近海拖航工況(70 kn)和遠(yuǎn)洋拖航工況(100 kn)下360°方向的風(fēng)荷載作用。目前，ABS和IMO MODU以及CCS等對(duì)穩(wěn)性衡準(zhǔn)都有規(guī)定，該文主要參考國(guó)際海事組織( IMO) 頒布的《海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則 2009》( MODU Code 2009)[2]。

自升式平臺(tái)在各種作業(yè)工況下的完整穩(wěn)性均應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)：

(1)至第二交點(diǎn)或進(jìn)水角處的復(fù)原力矩曲線下的面積中的較小者，至少應(yīng)比同一限定角處風(fēng)傾力矩曲線下面積大40%；

(2)復(fù)原力矩曲線從正浮至第二交點(diǎn)的所有角度范圍內(nèi)均應(yīng)為正值。

完整穩(wěn)性曲線如圖2所示。

圖2 完整穩(wěn)性曲線 圖3 碰撞破損穩(wěn)性曲線

2.2 破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)

在計(jì)算破損穩(wěn)性時(shí)，主要在一系列吃水情況下，考慮不同艙室破損后，受到50 kn風(fēng)速的外部荷載，平臺(tái)穩(wěn)性是否仍能滿足穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求。

2.2.1 碰撞破損穩(wěn)性

進(jìn)水后的最終水線應(yīng)在任何向下進(jìn)水的開(kāi)口下緣以下，進(jìn)水點(diǎn)必須在復(fù)原力矩和風(fēng)傾力矩的第一個(gè)交點(diǎn)之后，如圖3所示。

圖4 剩余穩(wěn)性曲線

2.2.2 剩余穩(wěn)性

國(guó)際海事組織(IMO) 頒布的《海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則 2009》( MODU Code 2009) 中新增了自升式平臺(tái)單艙破損后剩余穩(wěn)性的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于任何一個(gè)艙室的破損，自升式平臺(tái)都必須有足夠的穩(wěn)性，且滿足如下衡準(zhǔn)要求：

式中：Ros=θm-θs，為穩(wěn)性范圍；θm為最大正穩(wěn)性角；θs為破損后的穩(wěn)定傾斜角。

剩余穩(wěn)性曲線如圖4所示。

3 進(jìn)水點(diǎn)定義

非保護(hù)性開(kāi)口、設(shè)有風(fēng)雨密關(guān)閉裝置的開(kāi)口以及設(shè)有水密關(guān)閉裝置的開(kāi)口，這3大類開(kāi)口是根據(jù)風(fēng)雨密完整性和水密完整性劃分的[3]。

在穩(wěn)件計(jì)算中主要考慮平臺(tái)的外部開(kāi)口，其中完整穩(wěn)性進(jìn)水點(diǎn)主要考慮非保護(hù)性開(kāi)口，而破損穩(wěn)性進(jìn)水點(diǎn)主要考慮風(fēng)雨密開(kāi)口以及非保護(hù)性開(kāi)口。

4 工程計(jì)算實(shí)例

4.1 平臺(tái)主要參數(shù)

該文選取CJ46型自升式平臺(tái)，采用NAPA 軟件對(duì)自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)性分析，平臺(tái)主要物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 自升式平臺(tái)主要參數(shù)

4.2 計(jì)算模型

該文采用NAPA軟件進(jìn)行建模和計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中，需要建立自升式鉆井平臺(tái)的靜水力模型和風(fēng)模型，如圖5、圖6所示。平臺(tái)的浮態(tài)和復(fù)原力矩通過(guò)靜水力模型計(jì)算得到，而計(jì)算自升式平臺(tái)所受的風(fēng)傾力矩關(guān)鍵是建立合適的風(fēng)模型，風(fēng)模型一旦建好，軟件會(huì)根據(jù)風(fēng)向計(jì)算出各個(gè)構(gòu)件的受風(fēng)面積以及壓力中心，進(jìn)行求和得到風(fēng)傾力矩。

圖5 靜水力模型 圖6 風(fēng)模型

自升式鉆井平臺(tái)外形輪廓比較特殊，計(jì)算穩(wěn)性和風(fēng)傾力矩時(shí)需要考慮360°方向，然后求出最危險(xiǎn)角度下的極限重心高。在計(jì)算過(guò)程中一旦出現(xiàn)穩(wěn)性衡準(zhǔn)問(wèn)題，應(yīng)該適度降低初始重心再次進(jìn)行計(jì)算；反之在所有橫傾角度下穩(wěn)性都滿足標(biāo)準(zhǔn)且留有裕度，則應(yīng)該適度提高初始重心高，反復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直至求出與標(biāo)準(zhǔn)值無(wú)限接近的極限重心高。

定義破損艙室是計(jì)算破損穩(wěn)性的關(guān)鍵，該艙室破損范圍主要根據(jù)相關(guān)船級(jí)社規(guī)范要求以及艙室水密完整性進(jìn)行定義劃分。由于該平臺(tái)尺寸比較對(duì)稱，可單

獨(dú)選取左舷或右舷，然后再進(jìn)行破損艙組定義，且通過(guò)計(jì)算表明，邊艙破損對(duì)許用重心高起決定性作用。

針對(duì)于自升式鉆井平臺(tái)近海拖航和遠(yuǎn)洋拖航兩種海況，按照規(guī)范規(guī)定，分別采用70 kn和100 kn風(fēng)速計(jì)算平臺(tái)的完整穩(wěn)性，采用50 kn風(fēng)速進(jìn)行破損穩(wěn)性計(jì)算，穩(wěn)性計(jì)算中最小風(fēng)速要求見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)性計(jì)算中最小風(fēng)速要求

其中桁架式樁腿一般等效為圓柱，為了計(jì)算結(jié)果保守，考慮選取投影面最大的情況，此時(shí)風(fēng)向垂直于樁腿面，選取樁腿中一節(jié)距如圖7所示，該X型樁腿由3根弦桿、3根內(nèi)撐桿以及6根斜撐桿組成，其中弦桿等效直徑選取如圖8所示，樁腿等效直徑和等效拖曳力系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

圖7 選取的節(jié)距圖 圖8 弦桿的等效直徑

表3 樁腿等效直徑計(jì)算

構(gòu)件數(shù)量(n)di(m)li(m)d2ili(m3)∑d2ili(m3)弦桿30．5365．0271．4444．333內(nèi)撐桿30．14134．7540．0950．285斜撐桿60．27310．7900．8044．825總計(jì)----9．442

表4 等效拖曳力系數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果

該自升式平臺(tái)的吃水范圍定在4.0 m～5.0 m之間，由于平臺(tái)左右舷基本對(duì)稱，選取方向角為0°～180°，且以15°為一個(gè)間隔進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，可以得到在近海拖航和遠(yuǎn)洋拖航兩種工況下，平臺(tái)完整穩(wěn)性的許用重心高，見(jiàn)表5。

表5 各工況完整穩(wěn)性下的許用重心高

該文選取邊艙破損作為破艙組，由于該平臺(tái)在近海和遠(yuǎn)洋拖航工況下的穩(wěn)性計(jì)算均在50 kn風(fēng)速下進(jìn)行。根據(jù)工程實(shí)際操作，無(wú)論是遠(yuǎn)洋拖航還是近海拖航，樁腿一樣長(zhǎng)，因此得到的破艙穩(wěn)性許用重心高一致，各工況破艙穩(wěn)性下的許用重心高見(jiàn)表6。

表6 各工況破艙穩(wěn)性下的許用重心高

剩余穩(wěn)性只與平臺(tái)自身破損后的抗傾覆能力有關(guān)，與進(jìn)水點(diǎn)設(shè)置以及風(fēng)傾力矩?zé)o關(guān)，因此在兩種拖航情況下，平臺(tái)剩余穩(wěn)性許用重心高也是一致的，各工況剩余穩(wěn)性下的許用重心高見(jiàn)表7。

表7 各工況剩余穩(wěn)性下的許用重心高

圖9為自升式鉆井平臺(tái)在遠(yuǎn)洋和近海兩種海況下的許用重心高度曲線(ACCG)。

圖9 許用重心高度曲線

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)CJ46型自升式鉆井平臺(tái)完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性計(jì)算分析，以及與基本設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，可得如下結(jié)論：

(1) 平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算較常規(guī)船舶而言，計(jì)算較為復(fù)雜。

(2) 風(fēng)傾力矩對(duì)穩(wěn)性的計(jì)算有著重要的意義，其中受風(fēng)構(gòu)件和形狀系數(shù)是關(guān)鍵，因此桁架式樁腿等效技術(shù)顯得尤為重要。

(3) 軟件NAPA不能考慮遮蔽效應(yīng)，因此得到的風(fēng)載荷較為保守，對(duì)于平臺(tái)安全性而言是有利的。

(4) 殘余穩(wěn)性只與平臺(tái)破損后自身的抗傾覆能力有關(guān)，在計(jì)算時(shí)不需要考慮風(fēng)傾力矩和進(jìn)水點(diǎn)。

(5) 許用重心高度曲線是平臺(tái)穩(wěn)性結(jié)果的直接反應(yīng)。

[1] SNAME. Guidelines For Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Unites[S].2002.

[2] IMO. Code for the construction and equipment of mobile offshore drilling unit[S].2009.

[3] 劉海霞. 深水半潛式鉆井平臺(tái)的穩(wěn)性分析[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái), 2013, 28(6):5-11.

Analysis on the Stability Calculation of CJ46
Self-elevating Drilling Rig

YIN Yan, MO Jian, LI Chun-hui, WANG Chao, WANG Yu-han

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd, Shanghai 200137, China)

On the analysis of the wind heeling moments and the intact and damage stability calculation, the paper focused on the equivalent calculation method of leg, then we got the accurate calculating method of the wind heeling moments. In order to verify the accuracy of the stability calculation method, the paper calculate the intact stability and damage stability of a 375 ft jack-up drilling rig by NAPA software. The key points were modeling of wind profile, draft ,interval of azimuth angles and the initial height of the center of gravity. By being compared with the basic design, we confirmed the rationality and reliability of this method.

self-elevating drilling rig; stability; NAPA; wind model

2015-03-29

尹 艷(1988-)，女，助理工程師。

1001-4500(2015)03-0035-06

P75

A