仲崇明, 郝兆祥, 李志強， 王作嶠

(1. 中國船級社 大連分社， 遼寧 大連 116013； 2. 大連船舶重工集團海洋工程有限公司， 遼寧 大連 116018)

基于穩(wěn)性衡準的自升式平臺極限作業(yè)水深

仲崇明1, 郝兆祥1, 李志強1， 王作嶠2

(1. 中國船級社 大連分社， 遼寧 大連 116013； 2. 大連船舶重工集團海洋工程有限公司， 遼寧 大連 116018)

為挖掘平臺的極限作業(yè)水深潛能，以某鉆井平臺為對象，在確保平臺穩(wěn)性足夠的基礎上，對影響作業(yè)水深的漂浮穩(wěn)性衡準和站樁抗傾覆穩(wěn)性衡準結果進行綜合分析。采用“降樁腿”的辦法，進一步提升平臺的作業(yè)水深，保證平臺的穩(wěn)性足夠而不被“吹翻”傾覆。

完整穩(wěn)性； 破艙穩(wěn)性； 站樁穩(wěn)性； 作業(yè)水深； 重心高度； 極限重心高度

自升式平臺的作業(yè)水深由樁腿長度決定，過短不能滿足深水作業(yè)需求，而過長可能導致平臺站樁和漂浮穩(wěn)性不足。當前已有很多相關專家學者[1-2]對漂浮穩(wěn)性和站樁穩(wěn)性分別進行深入研究，但均是單方面的，未見有人關注如何綜合站樁和漂浮穩(wěn)性多種因素挖掘出最大作業(yè)水深潛能，這也是平臺業(yè)主最關心的問題，是本文研究的主要內容。

1 計算模型簡介

計算采用的模型為自升式鉆井平臺：船體重12 030 t，型長93.27 m，型寬91.44 m，型深10.9 m，可變載荷6 500 t；樁腿長170 m，重1 888 t，船長距離57.61 m，船寬距離66.45 m；樁靴外徑17.6 m，高8.5 m，最大預反力117 MN；鎖緊裝置最大承載力71 168 kN。

2 作業(yè)水深的詳細設計

2.1 樁腿長度

樁腿設計長度L包括樁靴入泥深度h1,氣息高度h3，平臺型深h4，固樁架高度h5和儲備余長h6等(見圖1)。h4和h5由船體設計資料查得，h6參照文獻[3]選為1.5 m，三者可視為定值，而h1和h3相對比較復雜，具體分析如下。

圖1 樁腿長度的功能分解

2.2 樁靴入泥深度h1

樁靴入泥深度取決于泥基地質、樁靴最大預反力和樁靴幾何形狀等。[4-5]考慮建模時樁靴 “鉸鏈”連接的邊界條件定義，假設地質為單層“砂土”，參照文獻[6]計算出入泥深度為0.8 m(樁靴最大預反力為117 MN)。

2.3 最小氣隙高度h3

平臺體底部在鉆井及避風時要有足夠的氣隙高度防止浪流拍擊。最小氣隙高度h3由風暴潮Hstorm，天文潮Htide，浪峰值高Hcreast和最小縫隙余量Hmargin決定。前三者由天文、海文氣象報告獲得；對于Hmargin，行業(yè)標準和船級社均有推薦值(見表1)。參照式(1)求取作業(yè)環(huán)境數據(見表3)并將其與表1相對比，Hmargin選為1.5 m，h3最終為19.04 m。

圖2 氣隙高度

2.4 作業(yè)水深的初步估算

由于L=170 m，h1=0.8 m，h3=19.04 m，參照船體設計參數(平臺型深h4=10.9 m，固樁架高度h5=10.86 m)，因此作業(yè)水深h2預設值為126.9 m(h2=L-h1-h3-h4-h5-h6)，本文核心工作即對該值進行驗證。

表1 最小縫隙和樁腿長的行業(yè)標準

3 自升式平臺穩(wěn)性衡準的特殊性與極限作業(yè)水深的校核辦法

3.1 自升式平臺穩(wěn)性衡準的特殊性

3.1.1漂浮穩(wěn)性表示的特殊方式

為使平臺操作者直觀地掌握平臺穩(wěn)性，其漂浮穩(wěn)性采用極限重心高度(Allowed Vertical Center of Gravity，AVCG)曲線的表示方法，計算方法見式(1)[12]：在一定吃水下先假設一個初始重心高度(VCG)，按該值試算并逐漸遞加驗算，直至AVCG值域在±0.01 m誤差之內為止(見圖3，此時樁靴為注滿水)。

(1)

圖3 漂浮穩(wěn)性的計算原理

3.1.2站樁穩(wěn)性的特別要求

平臺在風暴自存的站立工況下遭遇風、浪、流等水平環(huán)境載荷之后易被“吹翻”傾覆(見圖4)，為此設計者需計算出環(huán)境外力產生的傾覆力矩，并根據平臺質量和可變載荷等垂向載荷計算出復原力矩(可變載荷至少選取50%[3])，并對站樁穩(wěn)性進行校核衡準[3]，這是自升式平臺的特殊要求。

圖4 站樁穩(wěn)性的受力分析

3.1.3特殊的風向入射角計算要求

平臺長寬比接近1，大傾角穩(wěn)性不能像船舶一樣只計算橫搖穩(wěn)性，必須考慮0°～180°入射范圍(假設左右舷對稱)內的所有危險性。

3.1.4特殊的安全因子

與船舶的漂浮穩(wěn)性衡準相比，平臺的穩(wěn)性衡準尚不成熟，許多問題尚待完善，各國法規(guī)、各家船級社規(guī)范及各行業(yè)標準的要求[12]相差較大(見表2)。

3.2 平臺極限作業(yè)水深的計算與校核辦法

表2 樁靴式自升式平臺穩(wěn)性衡準安全因子

圖5 完整狀態(tài)靜水力曲線

圖6 單艙進水后剩余穩(wěn)性曲線

平臺作業(yè)水深的極限能力要通過綜合考慮漂浮穩(wěn)性、站樁穩(wěn)性、樁腿強度和鎖緊裝置承載能力等多種因素來確定，作業(yè)水深的設計和校核是不斷調整修改的過程(見圖7)。

4 暴風中平臺可站立升起的最大高度

4.1 傾覆力及傾覆力矩的算法

平臺設計的極限作業(yè)環(huán)境見表3。碰撞擱淺可遭遇的最大風速≤50 kn，鉆井作業(yè)及油田內拖航可遭遇風速≤70 kn，風暴自存及遠洋濕拖可遭遇風速≤100 kn。

表3 平臺設計的極限作業(yè)環(huán)境信息 m/s

傾覆力及傾覆力矩的算法如下：

風力的計算方法為

F=ChCSSPV2

(2)

式(2)中：P為風壓，kPa；S為受風構件的正投影面積，m2；Ch為高度系數，其值可根據受風構件高度(型心到設計水面的垂直距離)選??；CS為形狀系數，其值可根據構件形狀選取;V為設計工況的最低風速，m/s。

洋流載荷的計算方法為

(3)

式(3)中：CD為曳力系數，見文獻[8]；ρW為海水密度，t/m3；V為設計海流流速，m/s；A為與流速垂直平面上的投影面積，m2。

站樁穩(wěn)性的計算方法為

(4)

恢復力矩MS和傾覆力矩MO可表示為

(5)

式(5)中：MDn為波浪慣性力產生的傾覆力矩，力臂長h1；ME為風、浪、流對平臺產生的傾覆力矩，力臂長h1；PΔ為樁腿P-Delta效應產生的傾覆力矩；MD和ML為平臺自重產生的恢復力矩，力臂長lw。

4.2 抗傾穩(wěn)性的校核

為挖掘出平臺可在風暴自存工況下的極限升起高度，計算先選取100.0 m作業(yè)水深，采用遞加法逐漸遞加至107.0 m，121.9 m，共計3組不同作業(yè)水深，按照“4.1”節(jié)的計算方法試算不同入射角下的傾覆力矩和復原力矩，并進行穩(wěn)性衡準和樁腿及鎖緊裝置的構件強度校核。計算選取SACS軟件完成，通過對軟件計算的數據結果(見表4[14])進行分析得知：平臺在107 m(艏斜浪60°)和122 m(側風90°)的作業(yè)水深情況下復原能力最弱，安全因子為1.66，但仍大于表2中的數據，滿足穩(wěn)性要求。

圖7 自升式平臺作業(yè)水深的設計與校核流程

4.3 樁腿與鎖緊塊的強度校核

平臺站立狀態(tài)下，受風等外力作用，平臺體及樁腿產生橫向位移，樁腿在下導軌板與鎖緊裝置間形成彎矩力偶以抵抗橫向位移[2]，需對樁腿和鎖緊塊的承載能力進行校核。表5為樁腿及鎖緊塊強度校核。[5]計算結果表明：在作業(yè)水深122 m，風向90°入射時，背風側樁腿的弦桿及鎖緊裝的應力比最大，至極限值1.02(見圖8)。[15]

圖8 站立狀態(tài)舷管強度極限

4.4 站樁穩(wěn)性分析結果

簡而言之，平臺在風暴的環(huán)境中可升起的極限高度為121.9 m，超過該高度可能發(fā)生樁腿折損導致平臺坍塌。初步設計的作業(yè)水深126.9 m需折減5 m(或170 m長樁腿縮減5～165 m)。

5 平臺漂浮搖擺時可承受樁腿的極限高

在海上拖航時，風力和搖擺運動的慣性力致使樁腿在上導軌板與鎖緊裝置間形成巨大彎矩，需首先對平臺在漂浮搖擺狀態(tài)下的樁腿、鎖緊塊的承載力進行校核。

5.1 樁腿與鎖緊塊的強度校核

計算選取SACS軟件，樁腿彎矩按照平臺單邊橫搖擺幅15°或單邊縱搖擺幅15°時重力彎矩的1.2倍計算，計算發(fā)現：當樁靴距基線0 m時，上導軌板附近斜撐管嚴重失效(見表6和圖9)。

由表6可知，樁腿若全部收回，165 m長的樁腿產生的搖擺慣性力會導致其位于上導軌板上第一行的斜撐管折損。對此，需降低樁腿搖擺的慣性力，再次縮減樁腿長度。本文采用遞減法對152 m和139.1 m不同樁腿長度進行試算后發(fā)現，滿足平臺慣性導致慣性力的樁腿最大長度為139.1 m，即樁腿需要鋸掉近26.5 m左右。

表5 樁腿及鎖緊塊強度校核

表6 樁腿及鎖緊塊抗漂浮搖擺的強度校核

圖9 漂浮搖擺時斜撐管極限

若鋸掉樁腿，平臺在站立狀態(tài)下的極限作業(yè)水深會受到折損浪費。對此采用拖航過程中樁腿下放26.5 m的間接辦法彌補“慣性力過大”的影響，挽救保留住站立狀態(tài)下121.9 m的作業(yè)水深性能，但需對樁腿下放后的平臺漂浮穩(wěn)性進行再次衡準。

5.2 完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性衡準

漂浮穩(wěn)性的計算選用Rhinoceros軟件完成，并按照規(guī)范要求的環(huán)境條件給出邊界條件。[9]為研究樁腿下放后與下放前的不同樁腿高度對漂浮溫性影響的差異，對樁腿全部收回的漂浮穩(wěn)性進行計算，并繪制出AVCG曲線(見圖10和圖11)，其中破艙穩(wěn)性按單艙進水不沉制逐個艙室進水驗算。

圖10 平臺完整穩(wěn)性AVCG曲線

圖11 平臺破艙穩(wěn)性AVCG曲線

對計算出的曲線數據進行對比發(fā)現：樁腿降落前和降落后，平臺在同一吃水下的VCG曲線均在AVCG之下，均滿足規(guī)范漂浮穩(wěn)性要求；而降落樁腿后平臺VCG與AVCG的差值更小，更有利于保證平臺的穩(wěn)性安全；隨著吃水的增加，各工況下的AVCG向著VCG值無限趨近。

6 結束語

研究發(fā)現：初步設計的作業(yè)水深126.9 m(樁腿長170 m)，超出站樁穩(wěn)性衡準的121.9 m極限，170 m的樁腿初始設計長度需要修正為165 m；雖然通過采用拖航過程中落放樁腿26.5 m的辦法彌補了漂浮穩(wěn)性的限制，使作業(yè)水深提升至站樁穩(wěn)性的122 m極限，但落放樁腿會產生拖航過程中樁靴觸礁的潛在航行危險，需船級社和海事主管機關在平臺適拖檢驗時提醒平臺業(yè)主。

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MaximumOperationDepthofJack-UpBasedonStabilityCriterion

ZHONGChongming1,HAOZhaoxiang1,LIZhiqiang1,WANGZuoqiao2

(1. Dalian Branch, China Classification Society, Dalian 116013, China;2. DSIC-Offshore Co., Ltd., Dalian 116018， China)

To derive the maximum operation water depth of a jack-up rig based on a jack-up rig with leg length of 170 meters, the decisive criteria concerning the floating stability and anti-overturning stability are defined and used for determining the depth limit. Lowering the legs allows the rig works in deeper water while keeping enough anti- overturning stability.

intact stability; flooding stability; anti-overturning stability; operation depth; VCG; AVCG

2017-09-24

仲崇明(1979—), 男, 遼寧本溪人，工程師，碩士，研究方向為船舶與海洋結構物設計制造。E-mail: cmzhong@ccs.org.cn

1000-4653(2018)01-0103-06

U661.2+2

A