，

(1.中國(guó)船級(jí)社海工技術(shù)中心，天津 300451;2.天津新港船舶重工有限責(zé)任公司，天津 300452)

樁靴充水對(duì)自升式平臺(tái)拖航穩(wěn)性的影響

孫濤1，朱佐鑫2

(1.中國(guó)船級(jí)社海工技術(shù)中心，天津 300451;2.天津新港船舶重工有限責(zé)任公司，天津 300452)

綜合考慮自升式鉆井平臺(tái)的完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性的衡準(zhǔn)要求，以某自升式鉆井平臺(tái)為例，分別校核該平臺(tái)在樁靴充水及不充水狀態(tài)下拖航作業(yè)時(shí)的完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析，得出樁靴充水對(duì)自升式平臺(tái)靜水力、靜穩(wěn)性曲線以及許用重心高度曲線等方面的諸多影響，提出提高自升式平臺(tái)拖航穩(wěn)性的措施。

自升式平臺(tái)；樁靴；充水；拖航穩(wěn)性；許用重心高度

自升式平臺(tái)拖航工況作業(yè)程序復(fù)雜，由于拖航過(guò)程中遭遇強(qiáng)風(fēng)暴導(dǎo)致平臺(tái)喪失水密完整性，最終傾覆沉沒(méi)是自升式平臺(tái)發(fā)生安全事故的主因。在進(jìn)行自升式平臺(tái)拖航穩(wěn)性校核時(shí)，通常認(rèn)為樁靴通海自由充水，其提供的浮力與樁靴中的壓載水重量抵消，因此不建立樁靴模型；也有些計(jì)算保守起見(jiàn)，樁靴始終保持不充水，基于此狀態(tài)建立樁靴模型并校核穩(wěn)性。以某自升式平臺(tái)為依托，利用ZenStab軟件建立平臺(tái)整體及艙室模型并進(jìn)行穩(wěn)性校核，通過(guò)匯總2個(gè)拖航工況多個(gè)吃水下樁靴充水及不充水時(shí)該平臺(tái)的完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果，并開(kāi)展分類(lèi)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)樁靴充水能夠在很大程度上提升自升式平臺(tái)穩(wěn)性?xún)?chǔ)備能力。同時(shí)，針對(duì)各拖航工況下樁靴是否充水以及樁靴充水狀態(tài)的穩(wěn)性校核方式給出具體建議。

1 穩(wěn)性要求與衡準(zhǔn)

平臺(tái)的完整穩(wěn)性是指漂浮的平臺(tái)依靠?jī)A斜后自身的復(fù)原力矩來(lái)抵抗外加傾側(cè)力矩的能力。而平臺(tái)的破損穩(wěn)性是指平臺(tái)破損進(jìn)水后，依靠?jī)A斜后自身的復(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[1]。自升式平臺(tái)的穩(wěn)性要求與衡準(zhǔn)主要依據(jù)IMO MODU CODE 2009[2-3]、CCS 海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范 2016以及ABS MODU[4]中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行校核。本文綜合上述規(guī)定中最為嚴(yán)苛的衡準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)性校核。

1.1 穩(wěn)性衡準(zhǔn)

1.1.1 完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)

考慮處于最不利位置的最大材料荷載以及艙柜內(nèi)的自由液面影響，平臺(tái)在每一種作業(yè)模式下的穩(wěn)性，均應(yīng)滿足下列衡準(zhǔn)。

1)穩(wěn)性計(jì)算中覆蓋全部作業(yè)吃水范圍，包括拖航狀況時(shí)的吃水，對(duì)有限航區(qū)拖航工況，選取風(fēng)速為25.8 m/s；油田拖航工況，選取風(fēng)速為36 m/s(70 kn)；遠(yuǎn)洋拖航工況，選取風(fēng)速為51.5 m/s (100 kn)。

2)復(fù)原力矩和風(fēng)壓傾側(cè)力矩曲線應(yīng)為對(duì)應(yīng)于最危險(xiǎn)衡準(zhǔn)軸的曲線，見(jiàn)圖1。至第二交點(diǎn)或進(jìn)水角(取其較小者)處復(fù)原力矩曲線下的面積，至少應(yīng)比同一限制角處風(fēng)壓傾側(cè)力矩曲線下的面積大40%。

圖1 復(fù)原力矩和風(fēng)壓傾側(cè)力矩曲線

3)復(fù)原力矩曲線從正浮至第二交點(diǎn)的全部角度范圍內(nèi)均應(yīng)為正值。

4)在所有漂浮作業(yè)工況整個(gè)吃水范圍內(nèi)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.15 m；

1.1.2 破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)

1)碰撞破損穩(wěn)性。選取最壞的穩(wěn)性狀態(tài)進(jìn)行破損穩(wěn)性計(jì)算，并假定平臺(tái)處于無(wú)系泊的漂浮狀態(tài)，但如系泊約束對(duì)穩(wěn)性有不利影響時(shí)，就應(yīng)加以考慮。平臺(tái)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)或遷移工況下任何艙室受到破損，并在來(lái)自任何方向風(fēng)速為25.8 m/s的風(fēng)傾力矩作用下，計(jì)及下沉、縱傾和橫傾的聯(lián)合影響后，破損水線應(yīng)低于可能導(dǎo)致發(fā)生繼續(xù)進(jìn)水的任何開(kāi)口的下緣。

我國(guó)生產(chǎn)和消費(fèi)的資本含量都非常高，均高于進(jìn)出口的資本含量，這是由于這一階段我國(guó)處于城市化發(fā)展的高潮，國(guó)內(nèi)鋼鐵、水泥、化工等資產(chǎn)密集型重工產(chǎn)業(yè)占據(jù)很大比重。

2)剩余穩(wěn)性。自升式平臺(tái)在經(jīng)受任何單個(gè)艙室浸水后的剩余穩(wěn)性應(yīng)滿足下式要求：

RoS=θm-θs≥max{(7°+15θs)，10°}

式中，RoS為穩(wěn)性范圍，(°)；θm為穩(wěn)性消失角，(°)；θs為單個(gè)艙室浸水后的靜傾角，(°)。其中，穩(wěn)性范圍的確定與進(jìn)水角無(wú)關(guān)。

1.2 許用重心高度曲線

許用重心高度曲線應(yīng)是平臺(tái)滿足所需規(guī)范穩(wěn)性要求的各極限重心高度曲線的下限包絡(luò)線。為保證平臺(tái)拖航的穩(wěn)性及安全性，各拖航工況下吃水處的實(shí)際重心高度不能超過(guò)對(duì)應(yīng)許用重心高度[5]。需指出的是，實(shí)際裝載狀態(tài)下的許用重心高度曲線均需經(jīng)過(guò)自由液面修正后得到[6-8]。

2 工程計(jì)算實(shí)例

2.1 平臺(tái)簡(jiǎn)介

本自升式平臺(tái)最大作業(yè)水深為122 m，最大可變載荷為4 030 t，最大吃水為5.639 m。

主船體部分是三角形鋼結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)見(jiàn)表1。平臺(tái)設(shè)有3個(gè)四邊形桁架式樁腿，其中平臺(tái)艏部樁腿位于主船體中心線上，艉部?jī)蓸锻任挥谥鞔w中心線兩側(cè)，對(duì)稱(chēng)布置，每個(gè)樁腿下裝置有樁靴。依據(jù)操船手冊(cè)所述平臺(tái)共有2個(gè)拖航工況，在典型壓載工況中給出特定吃水處平臺(tái)正浮時(shí)重心高度，見(jiàn)表2。

表1 平臺(tái)主尺度/m

表2 平臺(tái)拖航工況/m

2.2 計(jì)算方法

建立樁靴充水及不充水2種模型，除靜水力模型不一致外，風(fēng)載模型、進(jìn)水點(diǎn)、各拖航工況、水密艙室劃分及破損艙組等模型設(shè)置均一致。一般地，在樁靴充水模型中不建立樁靴，認(rèn)為其通海自由充水不提供浮力；樁靴不充水模型中建立樁靴，認(rèn)為樁靴提供浮力。

基于上述穩(wěn)性模型，依照相應(yīng)穩(wěn)性衡準(zhǔn)分別進(jìn)行完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性校核[9-11]。自升式平臺(tái)在進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算時(shí)需要考慮從0°～360°的穩(wěn)性軸，間距為30°，經(jīng)過(guò)大量計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各拖航工況下衡準(zhǔn)軸為沿縱向中心線，即風(fēng)沿橫向垂直于平臺(tái)中線入射時(shí)，完整穩(wěn)性最差[12]，因此下述結(jié)果對(duì)比全部基于衡準(zhǔn)軸沿縱向中心線進(jìn)行：

1)樁靴充水與不充水模型的排水量。

2)樁靴充水與不充水狀態(tài)下的復(fù)原力矩及傾側(cè)力矩。

3)樁靴充水與不充水狀態(tài)下的許用重心高度曲線。

許用重心高度曲線是平臺(tái)穩(wěn)性結(jié)果的直接反映。依次計(jì)算各拖航工況對(duì)應(yīng)的各衡準(zhǔn)軸下完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性，最終在滿足穩(wěn)性衡準(zhǔn)的前提下，分別求得樁靴充水及不充水狀態(tài)下各拖航工況對(duì)應(yīng)的許用重心高度曲線并加以對(duì)比。

2.3 計(jì)算模型

本例計(jì)算使用ZenStab軟件完成全部穩(wěn)性校核。鑒于樁靴充水模型不建立樁靴，受風(fēng)結(jié)構(gòu)模型及其他設(shè)置與樁靴不充水模型一致，故圖2只顯示各拖航工況樁靴不充水模型。

圖2 各拖航工況平臺(tái)模型

2.4 樁靴充水與不充水計(jì)算結(jié)果對(duì)比

基于上述2種樁靴狀態(tài)校核方法和模型，依據(jù)相關(guān)穩(wěn)性衡準(zhǔn)，分別校核2種樁靴狀態(tài)下該自升式平臺(tái)各拖航工況的完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性。在此基礎(chǔ)上對(duì)排水量、復(fù)原力臂及風(fēng)傾力臂、許用重心高度曲線進(jìn)行分項(xiàng)對(duì)比。

2.4.1 排水量對(duì)比

基于樁靴充水及不充水2種模型進(jìn)行靜水力計(jì)算，表3中列出2種拖航工況對(duì)應(yīng)的樁腿長(zhǎng)度以及樁靴下放位置，表4中列出2種樁靴狀態(tài)模型在相同吃水下對(duì)應(yīng)的排水量。

由表4可見(jiàn)，將樁靴充水，認(rèn)為其通海自由充水時(shí)，全船排水量減小。即相同排水量下，樁靴充水比樁靴不充水對(duì)應(yīng)的吃水大。

2.4.2 復(fù)原力矩及風(fēng)傾力矩曲線對(duì)比

按照油田拖航及遠(yuǎn)洋拖航2種工況，分別繪制樁靴充水及不充水狀態(tài)下得到的復(fù)原力臂曲線及風(fēng)傾力臂曲線，見(jiàn)圖3和圖4。

表3 不同工況對(duì)應(yīng)樁靴下放位置 m

表4 兩種樁靴狀態(tài)下相同吃水對(duì)應(yīng)排水量

圖3 油田拖航工況復(fù)原力矩和風(fēng)壓傾側(cè)力矩

圖4 遠(yuǎn)洋拖航工況復(fù)原力矩和風(fēng)壓傾側(cè)力矩

由圖3、4可見(jiàn)，樁靴充水復(fù)原力臂曲線均在樁靴不充水復(fù)原力臂曲線上方，說(shuō)明當(dāng)平臺(tái)橫傾同樣的角度時(shí)，樁靴充水時(shí)中線降低，復(fù)原力矩增大[12]，抵抗風(fēng)壓傾側(cè)力矩能力強(qiáng)，穩(wěn)性更好。樁靴充水時(shí)風(fēng)壓傾側(cè)側(cè)力臂曲線始終在樁靴不充水傾側(cè)力臂曲線上方，這是因?yàn)闃堆ゲ怀渌畷r(shí)作為浮體隨著樁腿下放至船底以下不同深度，其排水體積雖然相對(duì)整船排水體積較小，但仍有效降低了平臺(tái)的整體浮心；由此水面以上的受風(fēng)面積減少，從而相同吃水下風(fēng)傾力矩減小。

依據(jù)完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，至第2交點(diǎn)或進(jìn)水角(取其較小者)處復(fù)原力矩曲線下的面積至少為同一限制角處風(fēng)壓傾側(cè)力矩曲線下面積的1.4倍。由上述對(duì)比圖能明顯看出，樁靴充水后面積比遠(yuǎn)大于樁靴不充水的面積比,說(shuō)明樁靴充水后有效提高了平臺(tái)的完整穩(wěn)性，增加了平臺(tái)的抗風(fēng)暴傾覆能力。

2.4.3 許用重心高度曲線對(duì)比

自升式平臺(tái)在各種裝載情況依照完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性要求，得到許用重心高度曲線。樁靴充水及不充水模型對(duì)應(yīng)于各個(gè)拖航工況的許用重心高度曲線見(jiàn)圖5。

圖5 油田拖航許用重心高度曲線對(duì)比

由圖5可見(jiàn)，各個(gè)拖航工況下樁靴充水后許用重心高度曲線均在樁靴不充水許用重心高度曲線之上。這是由于當(dāng)樁靴不充水時(shí)，樁靴隨樁腿下降一定深度，全船浮心降低；當(dāng)平臺(tái)橫搖時(shí)，3個(gè)樁靴提供的浮力不利于平臺(tái)回復(fù)到正浮的平衡位置，導(dǎo)致平臺(tái)穩(wěn)性變差，從而導(dǎo)致平臺(tái)的穩(wěn)性不能滿足原穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求。因此，為了保證平臺(tái)穩(wěn)性滿足規(guī)范衡準(zhǔn)要求，需要降低許用重心高度曲線。這說(shuō)明，樁靴充水后，平臺(tái)完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性均有所提高，從而平臺(tái)拖航操作穩(wěn)性裕度更大，拖航安全性更高。

3 結(jié)論

1)樁靴充水在很大程度上提高自升式平臺(tái)抗風(fēng)壓傾覆能力，對(duì)于提高許用重心高度有較大幫助。樁靴充水雖然會(huì)導(dǎo)致船體浮心升高，致使平臺(tái)所受風(fēng)力增大，但影響相對(duì)很小。因此，樁靴充水不僅可提高自升式平臺(tái)拖航穩(wěn)性，增加平臺(tái)穩(wěn)性?xún)?chǔ)備能力，更可有效增加平臺(tái)拖航安全保障。

2)前期設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)拖航水深、樁腿下放深度、樁靴容積以及樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素來(lái)確定各拖航工況能否充水。在有限航區(qū)或油田拖航作業(yè)時(shí)，為避免樁靴觸底發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，通常需要升起樁腿?？紤]到樁腿重量及受風(fēng)面積很大，起升樁腿易導(dǎo)致平臺(tái)重心升高，風(fēng)壓傾側(cè)力矩增大，平臺(tái)拖航穩(wěn)性相對(duì)減弱。因此在水深允許的情況下，可以選擇將樁靴完全沒(méi)入水中，并注滿水降低全船重心，增加穩(wěn)性?xún)?chǔ)備。在遠(yuǎn)洋拖航作業(yè)時(shí)，采用下降部分樁腿或截?cái)嗌喜繕锻壬鹗Ｓ鄻锻鹊姆绞?，以降低重心平臺(tái)重心，減少受風(fēng)面積。當(dāng)樁腿下放深度較大時(shí)，向樁靴充水，降低平臺(tái)重心，以增加平臺(tái)拖航穩(wěn)性。

3)在穩(wěn)性校核時(shí)，應(yīng)注意樁靴模型設(shè)置需與典型壓載工況相對(duì)應(yīng)。對(duì)于樁靴充水狀態(tài)，常認(rèn)為樁靴通海自由充水，其提供的浮力與樁靴中的壓載水重量抵消，從而在典型壓載工況中也不體現(xiàn)樁靴壓載水一項(xiàng)，使用穩(wěn)性計(jì)算軟件建模時(shí)也不建立樁靴模型；如果典型壓載工況中有樁靴壓載水一項(xiàng)，則需要在穩(wěn)性模型中建立樁靴結(jié)構(gòu)，并以該典型工況配載后的浮態(tài)為初始浮態(tài)進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算。但由于樁靴是水密浮力空間，因此，在計(jì)算平臺(tái)靜水力參數(shù)時(shí)需要基于操船手冊(cè)規(guī)定的樁靴完全回收位置建立樁靴模型。

4)風(fēng)傾力矩對(duì)于平臺(tái)拖航工況的穩(wěn)性影響很大，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)傾力矩計(jì)算或者進(jìn)行平臺(tái)風(fēng)洞試驗(yàn)，以確保穩(wěn)性分析的準(zhǔn)確性。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出報(bào)社，2016.

[2] IMO.Code for the Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units[S].IMO,2009.

[3] IMO.International Convention on Load Lines，1966，as Amended by the Protocol of 1988[S].IMO,1988.

[4] ABS.Rules for Building and Classing for Mobile Offshore Drilling Units[S].ABS,2016.

[5] 盛振邦,劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2009.

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[11] 王思明,孫博文,程正華.箱型自升式平臺(tái)破損后剩余穩(wěn)性的研究[J].船海工程,2013，42(6):156-159.

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Influence of Flooding Spud Can upon the Transit Stability of Self-elevating Drilling Units

SUNTao1,ZHUZuo-xin2

(1.Offshore Engineering Technology Center of CCS, Tianjin 300451, China;2.Tianjin Xingang Shipbuilding Heavy Industry Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

The stability criteria of self-elevating drilling units were described. The intact stability and damage stability in various transit conditions for self-elevating drilling units were checked based on the condition of whether taking the flooding of spud can into consideration. The influence of the flooding spud can on the stability of self-elevating drilling units, such as hydrostatic, static stability curve and allowable gravity center curve were analyzed on the basis of stability comparison results, so as to propose measures of enhancing the stability for transit condition.

self-elevating; jack up; spud can; flooding; transit stability; AVOG

U661.2

A

1671-7953(2017)06-0169-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.038

2017-01-05

2017-05-09

孫濤(1982—)，女，碩士，工程師

研究方向：海洋設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總體穩(wěn)性研究