张力腿平台就位安装压载方案研究及稳性分析

冯加果， 刘小燕， 谢文会， 樊娟娟， 李晓慧， 黄　佳

(1.中海油研究总院， 北京 100027； 2.北京高泰深海技术有限公司， 北京 100011)



张力腿平台就位安装压载方案研究及稳性分析

冯加果1， 刘小燕2， 谢文会1， 樊娟娟2， 李晓慧2， 黄佳2

(1.中海油研究总院， 北京 100027； 2.北京高泰深海技术有限公司， 北京 100011)

摘要：建立了张力腿平台(TLP)安装过程中确定压载方案的流程，然后应用该流程制定了某在研TLP的安装压载方案，并应用MOSES软件研究了该压载方案下TLP安装各阶段的正浮浮态和临时倾斜浮态时的稳性。研究表明，TLP倾斜会导致稳性降低，但该TLP在这些浮态时的稳性均满足规范要求，初步说明了制定的压载方案是可行的，同时也验证了此TLP的设计满足安装稳性的要求。

关键词：张力腿平台；压载方案；稳性分析；安装

0引言

随着全球海洋石油开发不断向深海发展，我国南海深水油气开发日益受到关注，而张力腿平台(Tension Leg Platform，TLP)作为一种典型的深水浮式平台，由于其升沉运动非常小，平台稳定性好，可采用干式采油树，制造、安装和维修费用相对较低等特点[1]，在深海油田开发中的应用越来越多，也是我国南海深水油气开发所倚重的重要平台型式之一[2]。因此，开展张力腿平台的开发研究有着重要的意义和广阔的市场前景。

TLP安装过程的稳性是评估能否将TLP应用于油气开发的关键指标之一。同时，TLP的安装离不开舱室压载，但目前尚无指导如何制定TLP压载方案的方法和流程。因此，该文首先根据TLP平衡要求，综合考虑TLP舱容布置、舱容数据和TLP布置情况，建立TLP就位安装压载方案确定流程；其次针对在研的TLP制定具体的压载方案，包括安装各阶段的压载舱压载情况和压载速度，进行安装各阶段对应的正浮状态和压载临时倾斜状态时TLP的稳性分析，从稳性的角度判断压载方案是否可行，同时也验证了设计的TLP是否满足安装稳性的要求。

1TLP概况及MOSES模型建立

此次研究开发的是张力腿钻井平台，目标油气田是南海某油气田，水深约为1 500 m。该TLP平台主体为常规TLP形式，由4根立柱支撑，立柱之间有Pontoon连接，每根立柱通过2根张紧的筋腱连接到海底，钻井架位于平台中央位置。

张力腿压载平衡调整和稳性分析均采用MOSES软件计算，该软件是美国休斯顿Ultramarine公司研发的，用于海洋工程的专业水静力和水动力分析。

采用该软件建立TLP稳性分析模型时有以下建议：由于TLP模型较为复杂，如果用MOSES语言建模工作量较大，建议先采用有限元软件建立TLP有限元模型，然后导出包含有限元节点坐标和面元信息的文本文件，通过编写接口程序或者EXCEL将文本文件转成MOSES能识别的程序语言，再通过读入经过转换后的文本文件建立TLP模型，建立的TLP模型如图1所示。

图1　TLP的MOSES模型图

2TLP就位安装压载方案及稳性分析

TLP就位安装是指TLP拖航到待安装现场后，通过对压载舱实施压载，使TLP吃水增加，达到设计吃水，然后安装筋腱的过程。在安装压载过程中，需要保证TLP的平稳过渡，使得TLP在安装过程中尽可能处于正浮平衡状态，这就需要合理安排压载舱压载的顺序、压载速度和压载量，也就是需要制定合适的压载方案。

由于很难保证TLP在安装过程中的任何时候都是平衡的，所以一般情况下是将压载方案划分为4个阶段：吃水量25%、50%、75%和100%，通过压载调节使得这四个阶段时TLP处于正浮平衡状态。而TLP在到达这四个阶段的平衡浮态之前，会由于某些原因(比如压载过程中临时压载不均)导致TLP临时倾斜，出现临时倾斜浮态。将安装各阶段调整压载水平衡后的浮态称为正浮浮态，将安装各阶段的正浮状态之前由于各种原因引起的TLP临时倾斜的浮态称为TLP临时倾斜浮态。进行TLP安装稳性校核时，一般都是校核各安装阶段正浮状态下TLP的稳性，很少有人关注临时倾斜状态的稳性，而临时倾斜状态是安装过程中难以避免的一种浮态。因此，需研究这两种浮态下TLP的稳性，保证制定的压载方案使得设计的TLP在这两种浮态下的稳性都满足规范要求。

2.1稳性衡准

根据IMO标准，安装工况下，为保证TLP在36 m/s的风速引起的倾覆力作用下有足够的干舷和浮力，需满足以下几项指标[3]：

(1)对于立柱支撑的浮式平台，风倾覆力矩施加后，静稳性曲线下复原力臂从平衡位置到船体横倾进水角的面积，必须大于风倾覆力臂在该角度范围内面积的30%。

(2)复原力臂曲线在船体从平衡到复原力臂与风倾覆力臂的第二个交点之间，必须都是正值。

2.2确定TLP就位安装压载方案的流程

TLP就位安装过程中很重要的工作是确定该过程的压载方案，制定压载方案的主要原则是保证安装过程中TLP是平衡的，同时保证TLP的稳性满足规范要求，通过研究得到确定压载方案的流程图，如图2所示。

图2　确定TLP就位安装压载方案的流程图

2.3TLP就位安装的压载方案

TLP压载舱的布置如图3所示，命名原则是以方位的首字代表舱室所处的位置，数字代表所处的层数。应用上面建立的压载方案确定流程初步制定TLP安装时的压载方案如下：

(1) 在湿拖压载(EPN1-100%、EPS1-100%、WPS1-70%和WPN1-48%)的基础上，向WPS1和WPN1中压载30%，同时向NPE1和SPE1舱中加水93%。其中，后两个舱注水的速度是前两个舱的3倍，此时TLP吃水量大约为25%。

图3　TLP下层压载舱布置图

(2) 以相同的速度向NPE1、SPE1、NPW1和SPW1中各压载7%，然后向WPN1压载22%、SESE1压载33%、NENE1压载25%、NPW1和SPW1各压载43%，其中向NPW1和SPW1舱中注水速度是其他三个舱的2倍，此时TLP吃水量大约为50%。

(3) 以相同的速度向NWNW1、SWSW1、SESE1和NENE1中各压载33%，再继续同时同速向SWSW1和NENE1中再各压载8%，接下来向NPW1压载50%、SPW1压载50%、SESE1压载19%、NENE1压载19%，其中向NPW1和SPW1舱中注水的速度是向SESE1和NENE1中加压载水速度的3倍，此时TLP吃水量大约75%。

(4) 以相同速度向NESW2和SWNE2中压载100%，使TLP达到设计吃水27.29 m，吃水量达到100%。

此压载方案下，安装各阶段的舱室压载情况见表1，各阶段相对压载速度和压载滞后量的计算结果见表2。表1、表2中：“相对压载速度”是指某一压载阶段时，其他压载舱相对于该压载阶段所需压载的最小压载量的压载速度；“剩余待压载量”是指由于相对压载速度取整造成的某些压载舱部分压载量滞后但还需继续压载的剩余压载量。

表1　安装过程中TLP压载舱压载情况统计

表2　各阶段相对压载速度及剩余待压载量计算表

2.4安装各阶段正浮时完整稳性分析

确定压载方案后，计算四个安装阶段的稳性。选择湿拖完整稳性分析中最危险的135°倾覆轴，分别计算TLP安装过程吃水量25%、50%、75%和100%时TLP的完整稳性，计算中的风速依据IMO规范取36 m/s (约70 kn)[3]，计算得到安装过程中TLP的船体特征和完整稳性数据见表3，静稳性曲线如图4所示。其中：“面积比”是指静稳性曲线图中复原力臂曲线从平衡位置到船体横倾进水角处围成的面积与风倾力臂曲线从平衡位置到船体横倾进水角处围成的面积的比值；“复原力臂是否均为正”是指复原力臂曲线从船体平衡位置到其与风倾力臂第二个交点之间是否都是正值。

表3　TLP安装各阶段暂时倾斜和正浮时船体特征和稳性数据

图4　安装过程中不同吃水量时TLP完整稳性的静稳性曲线

从上述计算结果可以看出：安装过程中，TLP在不同吃水量时各静稳性曲线下，复原力臂从平衡位置到船体横倾进水角的面积与风载荷倾覆力臂在该角度范围内面积的比值均大于1.3，满足规范要求的前者比后者大30%，并且复原力臂从船体平衡位置到复原力臂与风载荷倾覆力臂的第二个交点之间的值都是正值，满足规范要求，说明此压载方案能满足TLP安装时的稳性要求，从稳性角度考虑，该压载方案是可行的。

2.5安装各阶段临时倾斜稳性研究

从安装压载方案的分析可以看出，在安装至吃水量25%前、吃水量50%前和吃水量75%前会由于部分舱室有剩余压载量而引起TLP临时倾斜，出现三个临时倾斜浮态。这三个浮态下TLP稳性是否满足要求也是TLP能否顺利安装的关键。综合分析表1、表2可得，选择最危险的135°倾覆轴，风速取为36 m/s (约70 kn)，计算得到TLP船体特征和稳性分析结果见表3，静稳性曲线如图5所示。

图5　不同安装阶段前的倾斜浮态时TLP完整稳性的静稳性曲线

比较表3中安装各阶段正浮状态和临时倾斜状态的稳性数据可以看出，临时倾斜浮态的横稳性高、纵稳性高、面积比均比对应的正浮状态时相应数据小。说明安装各阶段临时倾斜浮态的稳性比相应吃水附近正浮状态差。因此，在安装过程中有必要计算压载过程中临时倾斜的稳性，建议用临时倾斜状态代替正浮状态作为TLP安装过程的稳性校核工况。将表3中的稳性数据与规范要求对比发现，虽然压载倾斜导致TLP稳性降低，但是这三个倾斜状态时的面积比均大于1.3，复原力臂均为正值，说明安装各阶段TLP倾斜后的稳性仍然满足规范要求。

综合以上分析可以看出，TLP在安装各阶段正浮浮态和临时倾斜浮态时的稳性均满足规范要求，说明了制定的压载方案是可行的，也验证了该TLP的设计能满足安装稳性的要求。

3结论

该文首先根据TLP重量分布、舱容大小及压载舱布置等因素制定了TLP就位安装的压载方案确定流程，给出了具体的压载方案，然后研究了该压载方案下TLP安装过程的完整稳性以及压载不均导致的TLP倾斜对稳性的影响，通过研究得到如下结论：

(1) 安装各阶段TLP临时倾斜的稳性比该吃水附近正浮时的稳性要小，因此建议用安装各阶段临时倾斜状态代替正浮状态作为TLP安装过程的稳性校核工况。

(2) 此次TLP在安装过程中，不同安装阶段正浮时和临时倾斜时的稳性均满足规范要求，验证了此次研究的TLP的设计能满足安装稳性要求。

(3) 应用建立的压载方案确定流程为此次研究的TLP制定的安装压载方案能够满足TLP在安装过程中的稳性要求，初步验证该方案是可行的，可提供给项目组作参考。

(4) 文中建立的确定TLP安装压载方案的流程可为其他平台(比如半潜平台、Spar等)的压载方案制定提供参考。

参考文献

[1]“典型深水平台概念设计研究”课题组．张力腿平台安装分析[J]．中国造船，2005，46(A1)：457-463.

[2]谢彬，张爱霞，段梦兰．中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型[J]．石油学报，2007，28(1)：115-118.

[3]IMO A649(16)．Code For The Construction And Equipment Of Mobile Offshore Drilling Units[S].1989.

收稿日期：2015-10-23

基金项目：“深水平台工程技术(2011ZX05026-002)”,国家973计划-2015CB251203。

作者简介：冯加果(1985-)，男，工程师。

文章编号：1001-4500(2016)03-0074-07

中图分类号:P75

文献标识码：A

Research on Ballast Project and Stability Analysis of Installation of Tension Leg Platform

FENG Jia-guo1， LIU Xiao-yan2， XIE Wen-hui1， FAN Juan2,LI Xiao-hui2, HUANG Jia-juan2

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100027， China;2.COTEC Offshore Engineering Solutions, Beijing 100011, China)

Abstract：By applying the program which had been established to find a ballast project for the Tension Leg Platform(TLP) installation process, a preliminary ballast project was determined for the TLP. And then the stabilities of this TLP using the above ballast project were analyzed in the upright and temporary slope floating state based on the MOSES software. It con be concluded showed that slope to the TLP would lead to decrease the stability of the TLP, but the stability of the TLP in these floating states all meet the criterion. The preliminary ballast project for this TLP was proved to be feasible and the design of this TLP was verified to meet the requirements of the stability in the installation by the research.

Keywords：TLP; ballast project; stability analysis; installation