重力压载在半潜式钻井平台中的应用分析

赵 翠，解祥龙，周程顺

(1.沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129；2.烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)

随着海上油气开发的不断深入，半潜式钻井平台作为一种可重复使用的移动式钻井装置，具有投资小、抗风浪能力强、运动性能优良、甲板空间和甲板可变载荷大、工作水深范围适应性强等优点，已成为深水海洋石油钻探的主流装置之一。目前半潜式钻井平台已经发展到了第六代，作业水深达到3 000 m。其中平台的沉浮作业与压载调平要通过压载系统来完成，它关系到平台功能实现和平台安全。压载系统通过注水/排水来调整船舶吃水，适应各种装载工况，保持适当的排水量、吃水、纵倾和横倾，保持一定的航行性能，是半潜式钻井平台最基本且最重要的系统之一。

压载系统的配置通常由压载泵、各压载舱隔离阀、压载主管以及压载支管路组成。压载工况下，压载泵从平台浮体海水箱吸入海水，经海水滤器、压载泵后，将海水输送到压载主管和支管，注入压载舱；排载工况下，压载水从压载舱到压载支管和主管路，经过压载泵后排出舷外，这是目前广泛应用在平台上的压载系统。而除了上面介绍的传统压载方式，重力压载[1]是一种节省电力损耗，降低船东运行成本的压载方式。文章将着重分析重力压载的特点，并以某平台为例提供一种重力压载注水时间的计算方法[2]。

1 重力压载的原理

重力注水最早是在潜艇上应用的，潜艇利用内外水压的高度差进行注水。由于注水时间快，能够迅速下潜，浮船坞采用这种注水方式，可大大缩短修船作业时间。

重力压载的原理是根据压载舱内外水位的高度差，打开海底阀，使海水在重力的作用下通过压载管系直接流进压载舱内，以实现压载目的。压载速度依赖于水压，而水压与平台吃水有关，压载舱内外水位差越大，水压越大，注入速度越快，注水时间越短。图1为重力压载原理示意图，在初始进水时，由于压载舱外部水位高于舱内的水位，打开相关阀门后，海水依靠重力从压载舱外流入压载舱内。随着压载舱内水位的不断升高以及钻井平台的不断下潜，压载舱内外的水位差越来越小，最终达到内外的平衡而结束重力压载的过程。

图1 重力压载原理示意图

2 重力压载的特点

与常规选用大流量的压载泵进行注水相比，重力压载有以下特点。

1)在满足各船级社规范的前提下，重力压载不需要运行大功率的压载泵，可节省电力负荷。

2)压载舱靠压载泵注水时，透气管尺寸取注入管的1.25倍。而根据DNVGL-OS-D101-2015规范要求，压载舱仅靠重力注水时，透气管尺寸可取注入管的0.25倍。因此，重力压载可以大大减小透气管的尺寸，不仅减少了平台固定载荷，而且节约了材料，节省了建造成本，减轻了全船重量。

3)利用重力注水，压载舱不需要承受全部泵压，减少了承载压力。

4)当达到外面的水位或压满时，压载自然停止，不需要连续监控压载过程，更不用担心会损坏压载舱的结构强度。

5)重力压载技术日趋成熟，在短时间内能够注入大量的压载水，在大容量压载水系统中的应用越来越多。

3 重力压载时间的计算

3.1 计算方法

压载水系统采用重力注水，根据动量定律，注水时间与压载舱内外水压高度、管径和流速密切相关，管道流量的计算公式为：

式中：qv为管道流量，m3/s；Δh为管道两端的作用水头差，Δh=平台吃水(h1)-压载舱水位(h2)，m；S为比阻，为无量纲数，指单位流量通过单位长度管道所需水头，利用舍维列夫公式S=0.001 736/D5.3求解，D为压载舱管内径；L为当量长度，m，指管路及其附件的当量长度，管路附件主要考虑通海阀、海水滤器、蝶阀、弯头及三通。

在压载过程中，由于船体吃水不断变化，压载水舱内外水压大小不断变化，流速也在不断变化，注水时间实际上是变量的累加过程，因此假定每10 s时间内的流速不变，重力注水时间的计算步骤如下。

1)输入初始吃水高度，此时压载舱水位为0 m。

2)根据上式计算得到初始状态的管道流量。

3)假设稳定状态时间为10 s，得到10 s内的压载水量。

4)根据每个压载舱的压载水量和舱容表，利用插值法计算得到10 s后压载舱新的水位。

5)每个压载舱10 s内的压载水量之和为平台总的注入水量，根据平台静水力表，利用插值法计算得到10 s后平台新的吃水高度。

6)再根据公式计算管道流量。

7)返回到步骤3，循环计算。

3.2 计算实例

某平台为第六代深水半潜式钻井平台，可在1 500 m深海水域内从事海上石油、天然气的勘探开发作业。平台主体为双浮箱、四立柱、箱型结构，浮箱高度为10.05 m，左右舷浮箱各布置13个压载舱，呈对称排列布置。该平台除了满足入级的船级社规范和国际海事组织(IMO)的规范要求外，同时需要满足挪威海事局(NMD)的要求。NMD在对海洋设施的完整稳性和破舱稳性规定中，对半潜式钻井平台压载系统的设计提出要求，通过改变吃水，使平台实现从任何给定的工作吃水或拖航吃水状态改变至风暴自存吃水状态，压载系统应有足够的能力在3h内完成相应的压载水调整。

对于该半潜式钻井平台，根据平台的稳性分析报告，各工况吃水高度及相应排水量如表1所示。

表1 各工况吃水高度及相应排水量对照表

根据该半潜式钻井平台的操作手册，从拖航工况吃水高度到自存工况吃水高度，压载舱的压载顺序如下(ST为右舷，PT为左舷，数字为浮箱内舱室编号)。第一阶段：ST-6，PT-6，ST-13，PT-13；第二阶段：ST-8，PT-8，ST-12，PT-12；第三阶段：ST-3，PT-3，ST-16，PT-16；第四阶段：ST-2，PT-2，ST-17，PT-17。

图2为第一阶段右舷压载舱的重力压载示意图，左舷对称布置。在压载过程中，每个阶段的4个压载舱同时注水，每个压载舱对应一个海水箱，海水以重力方式注入压载舱。

该平台初始吃水高度为拖航工况下的吃水高度9.75 m，按照计算步骤循环计算直到压载舱水位到10.05 m(舱满)或者平台吃水高度为15.50 m(风暴自存工况吃水)。

第一阶段重力压载时间计算的主要参数见表2，根据表2计算得到第一阶段压载舱重力注水2 min后的压载情况，见表3。由于压载舱PT-6和ST-6压载水量相同，而且对称布置，所以注水时间视为相同。同理计算其它阶段所需的注水时间。

图2 第一阶段右舷压载舱重力压载示意图

表2 第一阶段压载舱主要参数

表3 第一阶段压载舱压载情况

3.3 结果分析

表4为该平台各阶段压载的注水时间表，每一阶的各压载舱同时注水，注水时间合计为这一阶段各压载舱最长的注水时间。压载舱完成4个注水阶段总共需要131 min，即2.2 h。也就是说，该平台从拖航工况吃水到自存工况吃水需要2.2 h，满足NMD的要求，所以压载系统依靠重力注水能够在3 h内实现平台从拖航吃水至风暴自存吃水状态。

如果采用压载泵注水，根据NMD要求，该平台则需要配备总排量大于2 865 m3/h的压载泵。在压载过程中，大容量的压载水泵将占用全船较多的电力负荷。而重力注水不需要运行压载泵，是一种比较经济的方法。

表4 平台压载舱注水时间表

4 结束语

重力压载在实际应用中，除了注水时间这一个重要指标外，还需不断优化管路设计，尽可能减少管路的局部阻力，使其更合理。对于压载水量较大，压载舱内外水位高度相差较多，且对压载水系统注水又有时间要求的半潜式钻井平台来说，重力压载有着很好的应用前景，不仅节省了电力负荷，减小了透气管尺寸，减轻了全船重量，而且有效降低了建造成本和运行成本，对船东和船厂都有积极的意义。