方形自升式平台稳性计算

薛江山，苏立强，向小斌

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

0 引言

自升式平台是一种重要的移动式海上油气开发装备。平台作业时桩腿下伸到海底，站立在海床上，使船体底部离开海面一定的距离（气隙），拖航时桩腿收回，船体处于漂浮状态，广泛应用于各海域水深200 m以下的近岸区域。自升式平台船体平面形状主要为三角形、矩形、五边形，船体形状为正方形的平台数量很少，桩腿数量分为 3条、4条及5条，桩腿结构型式多为柱型或桁架型。

自升式平台在拖航过程中桩腿升得很高，因而重心高、稳性差，抗风浪能力不强，因而对其进行拖航稳性分析是十分必要的[1]。本文将以上海中远船务工程有限公司（以下简称：公司）设计的一型正方形自升式平台作为实例，依照美国船级社MODU规范的要求，利用稳性分析软件GHS对该类型平台的稳性进行分析。

1 计算模型

该自升式平台为移动式近岸生产试验平台，工作海域为马来西亚沿海，入级美国船级社（ABS）。本文的稳性分析主要针对该自升式平台浮态下的各种装载工况。

该平台船体平面形状为正方形，共有4条三角形桁架式桩腿，桩腿底部为桩靴式，每根桩腿长度约128 m。平台的主尺度如表1所示。

稳性分析采用著名的稳性软件 GHS（General Hydro Statics）进行建模模拟计算。船体模型（图1）从基线到主甲板，并扣除桩腿围井和海底阀箱的体积，坐标原点位于船体首部Fr0的基线处。由于桩腿和桩靴的体积比船体小的多，模型中则假定所有工况中桩靴是进水的，并忽略水下部分的桩腿。因此，桩靴和桩腿不包含在浮体的模型中。

表1 平台主尺度

图1 平台浮体模型

图2 主船体舱室分隔

根据稳性衡量标准计算得出许用重心高度曲线，将各装载工况下平衡配载后得到的实际重心高度与之进行比较，若实际重心高度不超过许用重心高度则认为：各装载工况下，平台的稳性满足船级社规范的要求。主船体舱室分隔见图2。

本平台主结构完工后需拖航到总装厂安装上部模块，结合整个平台的建造安装程序，本案选取的装载工况为：1）平台主结构完工工况；2）平台拖航到总装厂工况；3）平台总装完工工况；4）平台拖航到作业地点，100%油水工况；4）平台拖航到作业地点，50%油水工况；5）平台拖航到作业地点，10%油水工况；6）平台满载6 m吃水工况。

经过自由液面修正后，各工况平台统计的重心高度如表2所示。

表2 统计重心高度

2 风载荷计算

风载荷是稳性计算中的主要外载荷，在分析计算中，将作用在平台上的风载荷转换为风倾力矩，并施加到模型中。风压值按照美国船级社《海上移动平台入级规范》（MODU）公式计算[3]，见式（1）。

式中：f为系数，取值 0.611；Vk为风速，m/s；Ch为高度系数，根据不同高度按规范选取；Cs为形状系数，根据不同形状按规范选取。

由于该平台主体为正方形（图3），各方向的水线面惯性矩较接近，因此任何方向的横倾轴都可能是对应的危险工况。因此，每隔 30°作为横倾轴，并计算1次作用于平台上的风载荷。

图3 横倾轴

根据美国船级社 MODU规范对稳性的要求，风速取50 kn、70 kn和100 kn，考虑吃水应覆盖所有的装载工况，吃水分别为3 m、4 m、5 m、6 m，并结合不同横倾角度，按上述每个方向的横倾轴计算风倾力矩（图4）。风倾力矩的计算结果是影响稳性计算的主要因素[2]。

漂浮状态下，平台主要受风面积包括水线以上主船体、桩腿、模块、火炬塔、生活楼、吊车等，最大受风面积超过8 000 m2，拖航时，考虑桩腿全部收起的状态。计算桩腿风载荷时，为简化计算，将桁架式结构等效为圆柱形结构，并使圆柱所得的风载荷与桁架桩风载荷相等，此计算中满实系数取0.32。

图4 典型工况风倾力矩曲线

3 稳性分析

3.1 稳性衡准

其稳性衡准需满足美国船级社 MODU规范对自升式平台的要求。MODU规范对自升式平台稳性要求，即稳性分析应考虑拖航过程中，各吃水情况下最危险工况的复原力矩和风倾力矩曲线，并考虑自由液面的影响。

1）完整稳性：平台应能承受等效于水平方向的风力产生的横倾力矩。在无限航区，拖航状态下风速选取70 kn，此外还应考虑生存工况下的风速（选取100 kn）。至复原力矩与风倾力矩的第2交点或进水角处（取小者）复原力矩曲线下的面积应≥至同一限定角处风倾力矩曲线下面积的40%。

2）破损稳性：破损后平台应能承受来自各个方向、风速50 kn的风力产生的风倾力矩，并有足够的浮力和稳性。其中，破损假定包括这些情况。（1）碰撞破损情况下，水平方向破损穿透深度 1.5 m，垂直方向从平台底部往上没有限制，有效水密舱壁之间的距离在破损穿透范围内不小于3 m；如果水密舱壁之间的距离小于3 m，应考虑多个水密舱壁同时破损的情况。（2）临近海水的任一水密分舱进水。（3）任一水密分舱进水。

破舱后，不同舱室的推荐渗透率为：储藏室0.95、机械处所0.85、起居处所0.95、舱室及空舱0.95。进水角≥复原力矩曲线与风倾力矩曲线的第一交点。

3）剩余稳性：按照规范要求，自升式平台应有足够的剩余稳性，平台任一水密分舱进水后，不考虑风载荷的影响，剩余稳性应满足稳性消失角与平衡角的差值≥7°与 1.5倍平衡角的和，并且稳性消失角与平衡角的差值不小于10°。

3.2 完整稳性

完整稳性分析计算中，只考虑了100 kn风速下每隔 30°横倾轴对应风向下的风倾力矩（覆盖了70 kn风速），并分别计算了平台左倾和右倾的情况，满足完整稳性衡准。计算结果见表3。

表3 完整稳性计算结果

3.3 破损稳性

破损稳性分析计算中，考虑了50 kn风速下每隔 30°横倾轴对应风向下的风倾力矩。结合破损假定结果，考虑了任一水密分舱进水的情况，满足破损稳性衡准。计算结果见表4。

表4 破损稳性计算结果

3.4 剩余稳性

剩余稳性分析计算中，按照规范要求，考虑任一水密分舱进水和不考虑风力的影响，以满足剩余稳性衡准。计算结果见表5。

表5 剩余稳性计算结果

3.5 最大许用重心高度曲线

把完整稳性、破损稳性及剩余稳性的数据以吃水和最大许用重心高度为横纵坐标轴作出相应曲线，并将各装载工况下实际重心高度标注在上述坐标系中，如图5所示。

图5 最大许用重心高度曲线

由图5可知，标注点均位于各稳性最大许用重心高度曲线以下，说明各装载工况下的稳性满足规范要求。平台的许用重心高度随吃水的增加而明显减小，由此可知，吃水较大时，对相应工况重心高度的要求更高。

4 结论

本文按照美国船级社 MODU规范的稳性衡准要求计算分析了一型正方形船体自升式平台的稳性。正方形平台不同于常规的三角形和矩形，其各个方向的性能均比较接近，因此各个方向作为横倾轴的稳性都有可能是危险工况。稳性计算结果采用最大许用重心高度作为衡准，各工况的重心高度均应满足要求。本文的稳性分析为今后正方形自升式平台浮态稳性计算提供了参照。