摘要：移动式平台是开发海洋石油的基础装备，尤其以自升式平台为主。文章以典型的自升式平台胜利作业平台为例，运用水动力有限元分析软件建立了平台模型进行分析，计算平台拖航的完整稳性和破舱稳性数据，得到不同状态下的初稳性高和稳性衡准数。通过计算分析，探讨该类型平台拖航稳性的最不利工况，判定该平台稳性是否满足要求。
关键词：自升式平台；完整稳性；破舱稳性；MOSES
平台拖航时桩腿升起，高耸的桩腿导致风倾力矩增加，同时桩腿与桩靴自重较大，升桩致使平台重心显著升高，对平台拖航稳性造成极其不利的影响，因此该状态下海上移动式平台比较危险。据文献统计，在平台完全损失事故中，因稳性缺陷引起的事故接近35％[1]。本文胜利作业平台为例，对平台拖航完整稳性和破舱稳性进行分析，以便为自升式平台拖航稳性的校核提供算例。
1 平台稳性规范要求
1.1 完整稳性
与船舶类似，平台稳性主要指在外力作用下平台偏离平衡位置而发生倾斜，当外力消失后，其能自行回复到原来平衡位置的能力[2]。平台稳性随装载量的变化而变化，为保证平台在各个工况下的稳性都能够满足规范要求，需要对远洋拖航、油田拖航等多种进行稳性计算校核。平台稳性校核的关键在于确定风倾力矩（表示在恶劣海况下风对平台作用的动倾力矩）和复原力矩（表示在最危险的情况下平台抵抗外力矩的极限能力）[2]，二者之比称为稳性衡准数，其值大于等于1时可满足稳性要求
对于船舶和浮式平台，至第2交点或进水角处的复原力矩曲线下面积中的较小者至少应比至同一限定角处风倾力矩曲线下的面积大40%，也就是说，复原力矩与风倾力矩曲线面积之比大于等于 1.4（面积比即稳性衡准数），即（A + B）≥ 1.4（B + C）（图1），对应的倾角是第2交点或者入水点（两者取较小者）。
1.2 破舱稳性
规定的外加风压作用下平台破舱后依靠自身倾斜后的复原力矩，仍能保持不再继续进水的能力即平台的破舱稳性[3]。计算破舱稳性应假定平台处于无系泊的漂浮状态，但假如系泊系统的约束对破舱稳性有不利影响时应加以考虑。计算时应选取最坏的稳性状态。平台应具有足够的稳性、干舷值及储备浮力，以便在任何拖航或作业状况下任一舱室受到规范规定的破损后，并在来自任何方向、风速25.8 m/s 的风倾力矩作用下，考虑下沉、纵倾和横倾的联合影响后，最终水线应低于可能发生继续浸水的任何开口的下缘[4]。
2 平台稳性计算工况
2.1 平台概况
计算分析采用的平台是一艘三桩腿的悬臂梁海洋自升式作业平台，钢质非自航，设计最大作业水深45 m（含天文潮和风暴潮），修井机最大钩载1800 kN。平台主体为箱形结构，平面形状接近三角形，平台桩腿采用圆柱形结构，艉二艏一，桩腿下端设有桩靴（拖航时桩靴完全收回至平台体内）。每个桩腿设有一套电动齿轮齿条升降系统，桩腿通过升降系统与船体连接和固定，并可将船体支撑于一定高度。
平台配备标准的修井设备，通过悬臂梁和横移轨道可在同一地点进行多口井的修井作业。井间距1.8 m时可修井30口，井间距2 m时可修井24口。生活楼位于船体艏部，为平台人员提供交通条件的直升机甲板设置在生活楼上层的前方。
平台相关参数：总长度72.58 m；总宽度46.6 m；型长52 m；型宽46 m；型深5.2 m；轻载拖航吃水3.04 m；重载拖航吃水3.18 m；桩腿数量3根；桩腿尺寸（直径×长度）φ3.1 m×75 m；桩腿纵向间距41 m；桩腿横向间距34.5 m；桩靴（正八边形）对边长7.6 m；转盘中心移动范围，纵向（距离船艉端最大）12 m，横向±3.8 m；修井机最大钩载1800 kN；吊机（2台），1台25 t@30 m，1台25 t@28 m；生活楼（共4层）层高3.2 m。
2.2 计算坐标
计算坐标系取随船坐标系。坐标原点为船中基线处；X轴方向沿船长方向，往船艏为正；Y轴方向沿船宽方向，左舷为正；Z轴方向沿型深方向，基线以上为正。稳性计算通过有限元软件（MOSES）三维实体建模，真实模拟自升式平台的主要结构并输入平台重量及重心位置。
2.3 风力计算
无论是完整稳性还是破舱稳性，都需要计算各工况下的风力。根据CCS《海上移动平台入级造规范》（2012）[3]，则有P＝0.613×10-3V2（2）作用在构件上的风力F＝ChCsSP（3）
式中：P为风压，kPa；V为设计风速，（m/s）；F为构件风荷载，kPa；Ch为受风构件的高度系数，根据构件高度选取；Cs为受风构件的形状系数；S为平台在正浮或倾斜状态时受风构件的正投影面积，m2。
2.4 工况设置
由于平台装载情况变化很多，实际计算中需要根据规范要求进行不同工况的计算，本文根据实际情况设计几种较为典型的装载情况并对其进行分析计算。其中，完整稳性分析包括远洋拖航、油田拖航的满载和轻载工况。
进水点设置主要考虑机舱、锅炉舱、空压机舱、配电间等舱室的进排气风筒和进入这些舱室的梯道门。通过比较主甲板上通风头、透气管和下舱梯道门的进水点，选定各破损状态进水口坐标。
3 平台稳性计算分析
3.1 完整稳性
以油田拖航为例，考虑不同的倾斜方向，平台稳性衡准数计算，平台初稳性高，进水角满足规范要求；在重载和轻载拖航状态下，平台稳性衡准数曲线具有相似性，曲线变化趋势一致，由于油田重载拖航和油田轻载拖航的质量及重心位置较为接近，其稳性衡准数也较为接近。
利用有限元软件（MOSES）进行分析，需要设定海水密度。对比发现，海水密度对平台稳性也有一定影响：当海水密度增大时，平台吃水降低，浮心位置下移、向船艏移动，平台产生首倾；相反，海水密度减小，平台吃水增大，浮心位置上移、向船艉移动，平台产生尾倾；当平台的浮心与水线面漂心在同一垂直线上时，海水密度对平台的倾斜没有影响[4]。
重心相对位置对稳性的影响：重心提高，复原力臂、初稳性高相应降低；降低重心则作用相反；重心沿纵轴方向移动对稳性影响较大，在荷载增减时，应考虑尽量减小重心沿纵轴方向的移动[5]。
3.2 破舱稳性
选取稳性状态中最危险的工况计算破舱稳性，并按照《海上移动平台入级规范》要求对各舱室或处所选取规定的容积渗透率。根据规范要求，假定水平贯入为1.5 m，位于假定的水平贯入范围内的有效水密舱壁之间或其最近台阶部分之间的距离大于3.0 m，垂向范围自底板向上无限制，计算风速25.8 m/s，轻载拖航吃水3.04 m 、重载拖航吃水3.18 m。
分6种工况计算平台破舱稳性，每种工况分别代表不同的舱室破损组合，各工况下的破舱稳性计算结果可以看出，在6种破损工况下，所有进水点的初稳心高均大于风倾力矩作用下的最大吃水高度，说明在整个拖航过程中平台可以保持水密，平台破损稳性满足规范要求。
4 结论
（1）移动式平台拖航时的作业工况比较危险，对其拖航稳性进行计算和分析可以避免因稳性缺陷引起的事故。
（2）以三桩腿的悬臂梁海洋自升式作业平台为例，利用MOSES软件建立平台模型，分析了不同工况下平台拖航的完整稳性和破舱稳性。
（3）计算结果表明，平台初稳性高，完整稳性与破舱稳性均满足规范要求。
参考文献：
[1]张勇，马网扣，刘晓明.中油海62 自升式平台的拖航稳性计算分析[J].石油工程建设，2011（37）.
[2]盛振邦，刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，2009.
[3]中国船级社.海上移动平台入级规范（2012）[S].
[4]孙东昌，潘斌.海洋自升式移动平台设计与研究[M].上海：上海交通大学出版社，2008.
[5]贾慧荣，何炎平，谭家华，等.南海2号半潜式平台深水改造方案破舱稳性研究[J].船舶，2004（10）.
论文作者:王磊
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/22
标签：平台论文; 工况论文; 作业论文; 吃水论文; 舱室论文; 重心论文; 方向论文; 《基层建设》2017年5期论文;