柱稳式半潜钻井平台稳性分析

高 嵩

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264000）

柱稳式半潜钻井平台稳性分析

高 嵩

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264000）

对一艘双钻塔半潜式钻井平台进行稳性分析，建立三维计算模型，根据平台布置进行风载计算和选取进水点，分别对平台的各作业吃水进行完整及破损稳性分析获取平台的极限重心高度曲线，对比设计作业工况证实平台的稳性满足要求。

柱稳式半潜式平台；风倾力矩；极限重心高度曲线

0 引言

由于半潜式平台能适应恶劣的海洋环境且具有良好的运动性能等特性，用于海洋石油钻探开发用的半潜钻井平台项目与日俱增，半潜式平台在构造特征及性能方面与普通船舶相比有相当大的差别，稳性的具体计算过程也有较大不同。本文以在建的超深水双钻塔半潜式平台为实例，根据该平台的主尺度和布置对该平台的各作业吃水进行完整及破损稳性分析，获取该平台的极限重心高度曲线，对比该平台设计作业工况证实该平台的稳性满足要求。

1 计算模型及工况介绍

该平台为柱稳式半潜平台，整个平台左右前后对称，原点位于平台中心，表1为平台主尺度参数，图1为GHS软件中建立的计算模型。

表1 平台主尺度参数

图1 GHS 计算模型

半潜式平台的作业模式通常分为以下四种：

1）正常作业工况。指平台在作业点上作业或进行其他操作时承受与作业相适应的设计限度内的组合环境载荷和作业载荷的状态。

2）自存工况。指平台曾受最严重的设计环境载荷时停止作业或其他操作，从而把抗环境能力提高到最大的状态。

3）迁移工况。指平台从一个地区迁移到另一个地区时的状态。

4）临时工况。指平台在以上三个工况之间转移的中间状态。

本文对正常作业工况和迁移工况分别进行了完整和破损稳性分析，对于自存及临时工况仅进行完整稳性分析。

2 风倾力矩计算

平台的风倾力矩的计算远比普通船舶复杂，由于半潜平台的外形通常呈方形，所以在进行稳性校核的时候不能像常规船舶一样只考虑横向的稳性，而是需要考虑任意方向的，故对来自任何方向作用于平台的风力均应分别计算。在计算前需要计算出各吃水下不同轴向及各不同横倾状态下的各计算风速时的风倾力矩，另外由于平台的甲板较宽，甲板下方又有空气间隙，故在平台倾斜后必须计及甲板的受风面积，同时应考虑甲板受风时的升力效应以及一定的结构物的遮蔽效应等。平台的风倾力矩随倾角而变，因此需要计算各倾角下的风倾力矩，以便得到风倾力矩曲线，在分析过程中选取最小计算风速为：

拖航及正常作业工况：36m/s（70kn）；

自存工况：51.5m/s（100kn）；

破损稳性时考虑的风速：25.8m/s（50kn）。

作用于构件上的风力应式（1）计算：

式中，V为设计风速，m/s；P为空气密度（1.222kg/m3）；A为平台在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积，m2；Ch为受风构件的高度系数；Cs为受风构件的形状系数。

作用在平台上的风倾力矩由式（2）确定：

式中，Z为计算风力作用力臂，应取受风面积压力中心至平台水下部分侧向阻力中心间的垂直距离。本平台为动力定位平台，力臂需取至平台水下推进器中心垂直距离。由于篇幅限制，此处表2仅列出根据上述方法计算得出的该平台在正常操作工况时平台在各方向下正浮及横倾状态下的 70kn和50kn时的风倾力矩。

表2 正常操作工况下风倾力矩

3 进水点选取

平台上开口有很多种，为了保证不因开口进水从而引起平台倾覆，通常开口都需要布置到一定的高度，对稳性计算结果有影响的有两类：风雨密的开口和无保护的开口，通常为空气管、通风的进出口、舷窗、门等等。由于平台上开口众多，通常仅选取最危险位置的开口来校核，本计算中按布置选取了位于甲板盒右舷和尾部外板上的通风孔作为无保护的开口，选取舷侧位置的舱室透气管作为风雨密的开口来校核。

4 完整稳性分析

完整稳性分析即计算平台各工况在完整的情况下满足所有稳性衡准的极限重心高度，计算过程为分别计算各吃水对应各轴向下的完整稳性，取得各轴向满足所有稳性衡准的极限重心高度，取其最小值为该工况下完整稳性极限重心高度。

对于半潜平台的稳性衡准目前各船级社对于平台的完整稳性衡准大致统一，而船旗国则可能有高于船级社要求的规定。本平台计算按船级社要求来分析，具体要求为复原力臂及倾覆力臂曲线至进水角处的面积比应大于1.3；其次，复原力矩从正浮到第二交点的角度范围内均应为正值，在所有漂浮作业工况的整个吃水范围内，经自由液面修正后的初稳性高需为正值，本平台按最低0.3m计算。进行平台的稳性校核时，不同于常规船型，需要校核所有轴向的稳性。表3为该平台经计算获得的各工况下的完整稳性极限重心高度及与之对应的稳性衡准和计算时的最危险轴向。

表3 各工况下的极限重心高度及对应衡准

5 破损稳性分析

破损稳性分析，即计算平台在各工况下遭遇进水时的稳性，在进行平台的破损稳性分析的时候，针对平台的不同工况，分别有不同的破损及进水要求，并分别有不同的稳性衡准，计算时需要针对不同工况选取相应的破损及进水情况，校核各种情况是否满足相应的稳性要求。不同的检验组织对半潜平台破损稳性的要求也不完全相同。本平台分为两种情况来分别考虑其正常作业及迁移工况时破损稳性，不考虑临时工况及自存工况的破损稳性。

1）因碰撞引起的船体进水。

（1）进水后平台最终平衡角度不超过17°；

（2）任何位于最终水线以下的开口必须水密，任何位于最终水线4m范围内的开口必须风雨密；

（3）在以上进水情况下，回复力臂曲线从第1交角至风雨密范围角或第2交角的范围至少为7度，并且在此范围内，在某同一角度，回复力矩至少达到风倾力矩的1倍。

2）因泄漏及操作原因引起的舱室进水。

此种情况下仅考虑单一舱室进水，并且该舱室为整体或部分位于水线以下，通常为泵舱，含有海水冷却系统或其他海水管路的舱，或与海水相邻的舱，在此类进水情况下平台需满足以下稳性要求：

（1）进水后平台最终倾斜角度不超过25°；

（2）任何位于最终水线以下的开口必须为水密；

（3）倾斜角度以后至少有7°的稳性正值范围。

平台在每个工况下对应的破损情况多达几十种，需要计算每种工况针对每种破损情况的极限重心高度，取其最低值为该工况下满足破损稳性的极限重心高度。对于半潜式平台，在迁移工况时，由于其水线在下浮体位置，水线面较大，此工况的稳性通常较好，计算极限重心高度较高；在计算破损稳性时，通常可直接用完整稳性的极限重心高度来校核。本平台在进行迁移工况校核时即直接使用上一节中迁移工况对应的极限重心高度，校核发现在该重心高度下平台的破损均能满足稳性要求。

表4为本平台在各作业工况下对应的破损极限重心高度及相应破损情况和稳性衡准。

表4 各吃水破损稳性极限重心高度

6 极限重心高度曲线

平台的稳性分析最终需要得出的是极限重心高度曲线，即不同的吃水分别对应不同的许用重心高度，这个曲线将用作平台操作人员的指导。当平台在某一吃水状态下，只要其整船重心低于该吃水的许用重心高度，其稳性就能满足要求，从而保证平台的安全。

对于半潜式平台，其最终极限重心高度曲线需要综合考虑完整稳性极限重心高度、破损稳性极限重心高度和压载及排载曲线。压载曲线指平台仅通过增加压载将平台吃水由迁移工况增加至自存工况；排载曲线指平台仅通过排出压载水将平台从正常作业工况调整至自存工况。最终取各吃水的最低点为平台的极限重心高度曲线。图2为综合本平台完整及破损稳性和压载及排载曲线的极限重心高度曲线。由该图可以看出，对于迁移吃水，其压载曲线远低于完整和破损稳性极限重心高度曲线，迁移工况的极限重心最终取决于对应吃水时的压载曲线。

图2 极限重心高度曲线

7 典型装载工况校核

在已知平台各吃水的极限重心高度曲线后，仅需对比该吃水下平台的实际装载重心高度，如实际装载重心高度低于对应吃水的极限重心高度，则证明该状态平台的稳性是满足要求。表6为本平台各典型工况下的装载重心高度与极限重心高度对比结果，各工况下的装载重心均低于对应的极限重心高度，证明该平台在该表所列装载情况下的稳性是满足规范要求的。

表6 各典型装载工况校核

8 结论

半潜式平台的稳性分析流程与普通船舶类似，但在具体的每项分析上又与普通船舶有一定的区别，本文以一座在建的半潜式平台为对象，对其进行分析，力求全面概括对此类平台的稳性分析流程，以供大家在进行同类型平台分析时作为参考。

［1］ DNV. Offshore Standard C301 Stability and Watertight Integrity［S］. 2012.

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

［3］ ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］. 2012.

［4］ CCS. 海上移动平台入级与建造规范［S］. 2005.

Stability Analysis of Column Stabilized Semi-Submersible Unit

Gao Song
（Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd.， Shandong Yantai 264000， China）

The paper analyzes the stability of a column stabilized semi-submersible unit. The 3D computing model is established. According to the unit arrangement， the wind load computation is done and the inlet point is selected. The intact and damage stability analysis for different operation drafts of the unit is done to gain the AVCG curves of the unit， which is compared with the design operation condition. The result verifies that the stability of the unit meets the requirements of class regulations.

column stabilized semi-submersible unit； wind heeling moment； AVCG curves

P751

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.015

高嵩（1976—）男，工程师，研究方向：船舶与海洋工程技术管理。