茅云生， 杜洪文， 向祖權(quán)， 胡炳強(qiáng)， 江云帆

(1.武漢理工大學(xué) 高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

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深海半潛式鉆井平臺(tái)重量體積分?jǐn)?shù)的研究

茅云生1，2， 杜洪文1，2， 向祖權(quán)1，2， 胡炳強(qiáng)1，2， 江云帆3

(1.武漢理工大學(xué) 高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

深海半潛式鉆井平臺(tái)的空船重量對(duì)平臺(tái)可變載荷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、水動(dòng)力性能等具有一定影響,空船重量過大會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)超重、可變載荷減小等不良影響。為研究和控制海洋平臺(tái)的空船重量對(duì)海洋平臺(tái)的影響，提高可變載荷，以第六代半潛式鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)半潛平臺(tái)的空船重量、體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與研究，并提出重量體積分?jǐn)?shù)這一概念。深海半潛式鉆井平臺(tái)的重量體積分?jǐn)?shù)就是平臺(tái)的空船重量與體積的比值。通過對(duì)所統(tǒng)計(jì)的重量、體積的數(shù)值進(jìn)行分析研究，最終得出最佳重量體積分?jǐn)?shù)，為以后平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造，特別是新船型的設(shè)計(jì)、制造提供了一定的依據(jù)。

深海半潛式鉆井平臺(tái) 空船重量 可變載荷 重量體積分?jǐn)?shù)

0 引言

世界上第一座半潛式平臺(tái)是由一帶穩(wěn)定立柱的坐底式平臺(tái)改建而成的，而后出現(xiàn)了一系列具有三角形、五角形甲板等形式的平臺(tái)。此類半潛式平臺(tái)采用浮箱式下浮體，甲板形狀和立柱數(shù)目由浮箱數(shù)量而定，一般為非自航。此后出現(xiàn)的半潛式平臺(tái)都采用雙平行下體的浮體型式，立柱數(shù)目可依據(jù)設(shè)計(jì)要求而定[2]多為四根、六根或八根。最終發(fā)展成現(xiàn)今的下浮體-立柱-上甲板結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示。

目前，國內(nèi)外出現(xiàn)的半潛式平臺(tái)己發(fā)展到第六代，其特點(diǎn)是大型化、簡單化和標(biāo)準(zhǔn)化，有利于重量體積分?jǐn)?shù)的分析研究[2]。在結(jié)構(gòu)型式上，采用雙平行下體的浮體型式，立柱一般為4根圓立柱或圓角方立柱，上層建筑配備甲板大吊機(jī)，采用DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，大都具有在水深大于2 000 m水域工作的能力，抗風(fēng)暴能力強(qiáng)。

圖1 第六代型式的深海半潛式鉆井平臺(tái)

1 平臺(tái)空船重量的研究意義及分類

由于空船重量對(duì)深海半潛式鉆井平臺(tái)的可變載荷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)性能等有一定影響，特別是可變載荷這一關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，受空船重量的影響更加直接、顯著[1]。因此，為確?？勺冚d荷滿足要求，且使船舶建造后不至于超重，必須對(duì)空船重量進(jìn)行控制，尤其是對(duì)新船型空船重量進(jìn)行控制。

在設(shè)計(jì)中平衡空船重量與可變載荷將會(huì)關(guān)系到此平臺(tái)的優(yōu)越性能?？沾亓啃?，可變載荷大，將有利于減少供應(yīng)物資的運(yùn)輸次數(shù)，保證鉆井平臺(tái)連續(xù)作業(yè)，這樣不僅降低了作業(yè)成本，而且提高了經(jīng)濟(jì)效益。但是深海半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)環(huán)境惡劣，必須采用高強(qiáng)度的鋼材建造以保證其能適應(yīng)惡劣的海況，這又會(huì)增加空船重量，減小可變載荷。因此，如何在設(shè)計(jì)過程中有效地設(shè)計(jì)、控制空船重量大小，以確保平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)滿足要求，是深海半潛式鉆井平臺(tái)工程項(xiàng)目中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

深海半潛式鉆井平臺(tái)的重量分類如圖2所示[1]。其總重量/排水量=空船重量+可變載荷+錨鏈重量/張力+消耗品+壓載。

圖2 深海半潛式鉆井平臺(tái)重量分類圖

2 平臺(tái)重量、體積分析與研究

重量體積分?jǐn)?shù)可以反映出空船的重量大小，在對(duì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)建造中，尤其是對(duì)新船型的設(shè)計(jì)建造具有指導(dǎo)意義，可以有效防止船舶超重，提高可變載荷。根據(jù)圖2中空船重量的分類組成，對(duì)C-H 191等10艘結(jié)構(gòu)相似、性能好、鉆井能力強(qiáng)的第六代深海半潛式鉆井平臺(tái)各部分的體積、重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并研究重量與體積之間的關(guān)系。

重量W、體積V的計(jì)算公式：

式中：Wi為組成海洋平臺(tái)每個(gè)部分的重量，t；Vi為需要統(tǒng)計(jì)部分的體積，單位m3。

2.1 浮筒重量、體積統(tǒng)計(jì)與分析

深海半潛式鉆井平臺(tái)的浮力主要由浮筒提供，浮筒體積的大小關(guān)系到浮力的大小，內(nèi)部設(shè)備的安裝同時(shí)也關(guān)系到平臺(tái)的重量的大小。根據(jù)式(1)、式(2)統(tǒng)計(jì)后的結(jié)果如表1所示。

2.2 立柱的重量、體積統(tǒng)計(jì)與分析

平臺(tái)支柱主要用于支撐平臺(tái)，連接浮筒與甲板。目前支柱的設(shè)計(jì)趨于簡單化，一般采用4根圓立柱或圓角方立柱。下文所研究的平臺(tái)就是采用的4根圓角方立柱。根據(jù)式(1)、式(2)統(tǒng)計(jì)后的結(jié)果如表2所示。

2.3 上甲板的重量、體積統(tǒng)計(jì)與分析

上甲板一般分為兩層：上層為主甲板，下層為機(jī)艙。主甲板上主要放置井架、鉆桿、鉆機(jī)、救生、消防設(shè)備和生活區(qū)，還有直升機(jī)平臺(tái)。下層甲板為機(jī)艙，主要放置機(jī)泵等鉆井設(shè)備。由于上甲板尺度均較大，因此具有很高的自持能力。根據(jù)式(1)、式(2)統(tǒng)計(jì)出上甲板重量和體積如表3所示。

表1 浮筒重量、體積統(tǒng)計(jì)表

表2 立柱重量、體積統(tǒng)計(jì)表

表3 上甲板重量、體積統(tǒng)計(jì)表

2.4 平臺(tái)總體的重量、體積以及重量體積分?jǐn)?shù)的分析與研究

將浮體、立柱和上甲板的重量、體積統(tǒng)一起來，根據(jù)式(1)、式(2)對(duì)整體的重量、體積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式如下。

根據(jù)式(3)求出重量與體積的比值，即重量體積分?jǐn)?shù)η。具體結(jié)果如表4所示。

表4 總體重量、體積統(tǒng)計(jì)表

3 各個(gè)項(xiàng)目總的重量體積分?jǐn)?shù)折線圖

為了方便研究各個(gè)平臺(tái)重量體積分?jǐn)?shù)的大小以及變化趨勢(shì)，將重量體積分?jǐn)?shù)做成折線圖如圖3所示。

圖3 重量體積分?jǐn)?shù)折線圖

通過折線圖我們可以發(fā)現(xiàn)，重量體積分?jǐn)?shù)在0.25上下兩側(cè)跳動(dòng)，總重量體積分?jǐn)?shù)最大值： 0.273，最小值： 0.230，平均值： 0.254。三艘C系列平臺(tái)(C-H 191，C-H 188和C-H 256)，為同一船東所建造，且在相同的海域工作，重量體積分?jǐn)?shù)在0.25上下，且呈下降的趨勢(shì)，說明隨著建造技術(shù)的不斷成熟，設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，重量體積可以適當(dāng)降低。D系列兩艘平臺(tái)(D-H 200和D-H 193)的重量體積分?jǐn)?shù)較大，根據(jù)它們的設(shè)計(jì)背景可知，此平臺(tái)所工作水域水深超過3 500 m，是當(dāng)今世界最為先進(jìn)的鉆井平臺(tái)，建造要求強(qiáng)度高，可抵抗巨大的外力作用，因此在設(shè)計(jì)板材選取時(shí)選取了板材相對(duì)較厚的鋼，導(dǎo)致重量體積分?jǐn)?shù)變大。而A系列兩艘平臺(tái)(A-H 127和A-H 189)，雖然工作水域相同，但是重量體積分?jǐn)?shù)相差較大，這主要是因?yàn)锳-H 189平臺(tái)在設(shè)計(jì)建造過程中采用雙鉆井系統(tǒng)，在建造中要求抵抗載荷能力較強(qiáng)，動(dòng)力較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此其重量體積分?jǐn)?shù)較大。

通過分析發(fā)現(xiàn)重量體積分?jǐn)?shù)雖然各不相同但都會(huì)圍繞0.254上下跳動(dòng)，不會(huì)有太大的突變，因此我們可以將0.254作為最佳重量體積分?jǐn)?shù)，此分?jǐn)?shù)與某船廠為希臘船東設(shè)計(jì)的一艘體積分?jǐn)?shù)為0.342(此平臺(tái)建造中因超重被迫修改設(shè)計(jì)方案，修改設(shè)計(jì)后為0.294)的鉆井平臺(tái)相比，空船重量變化巨大。同時(shí)與中國自主建造的、作業(yè)性能最好的第一艘海洋石油981鉆井平臺(tái)的體積分?jǐn)?shù)0.274相比十分接近，隨著設(shè)計(jì)建造技術(shù)的成熟，重量體積分?jǐn)?shù)會(huì)有所下降。因此可以將0.254作為最佳重量體積分?jǐn)?shù)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)海洋平臺(tái)的發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)海洋平臺(tái)的發(fā)展趨于簡單化，標(biāo)準(zhǔn)化、深水化，因此重量體積分?jǐn)?shù)的提出對(duì)深水鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造有重要指導(dǎo)意義。在此基礎(chǔ)上以幾艘建造成功，性能先進(jìn)的第六代深水半潛平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)上甲板、立柱、浮筒的體積、重量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算。最后得到平臺(tái)總體的體積、重量。通過分析得出鉆井平臺(tái)的最佳重量體積分?jǐn)?shù)為0.254，在以后的平臺(tái)設(shè)計(jì)建造中可根據(jù)具體情況圍繞此值稍作調(diào)整，為日后平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造提供了依據(jù)。

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The Percentage of the Weight to the Volume Research of the Deepwater Semi-submersible Drilling Unit

MAO Yun-sheng1，2, DU Hong-wen1，2, XIANG Zu-quan1，2,HU Bing-qiang1，2， JIANG Yun-fan3

(1.Key Laboratory of High Performance Ship Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China; 2. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China;3.School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China)

The empty weight of the deep water semi-submersible drilling unit has a certain influence to the variable load, the structural strength, the performance of hydrodynamic force, etc. In order to research and control the empty weight of the deep water semi-submersible drilling unit and improve the variable load, using the sixth generation semi-submersible drilling unit as the research object to statistical analysis and research the empty weight and volume of the deep water semi-submersible drilling unit, we also put forward a new concept about this is called the percentage of the weight to the volume. The percentage of the weight to the volume of the deep water semi-submersible drilling unit is the ratio of the weight to the volume. According to the numerical of the percentage of the weight to the volume to research and analysis, in the end of this paper, getting the best percentage of the weight to the volume. It will become a very important basis for the design and manufacturing of the deep water semi-submersible drilling unit especially for a new semi-submersible drilling unit.

Deep water semi-submersible drilling unit Empty weight Variable load Ratio of the weight to the volume

茅云生(1962-)，男，教授，主要從事船舶先進(jìn)制造技術(shù)方面的研究。

P75

A