半潜式起重拆解平台吊载过程中配载及稳性优化

陈伶翔，莫 刚，朱见华

(招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226116)

0 引 言

在近几十年的时间中，世界上有五十多个国家和地区共计建设约7 000座海洋平台[1]，越来越多的海洋平台达到设计寿命，为保证海洋石油生产安全、保护海洋环境，需要对达到设计寿命的平台进行拆解。海洋平台的拆除模块质量往往较大，在吊运过程中对拆解平台的稳性影响较大，为保持平台作业的安全性，尤其在脱钩状态下，目标平台必须具备快速调载的能力，以保证平台的稳性平衡。

起重作业过程中的配载方案需要同时考虑起重作业流程和压载系统配置，以保证目标平台核心功能的顺利实现。主要根据起重作业的要求和目标平台的船型特点，确定主要舱室和调载系统的布置，针对典型起重拆解作业工况，给出合理配载方案，并进行平台稳性校核。

1 半潜式起重拆解平台

半潜式起重拆解平台作为海上导管架平台退役拆解的主要作业平台，集起重、居住、运输等功能于一体，并可通过搭载第三方设备实现水下清淤、遥控无人潜水器检测等辅助功能。拆解平台采用半潜式船型，左右舷下浮体和立柱采用非对称和无横撑设计(见图1)，配置DP3级动力定位系统，起重功能通过2台2 200 t起重机实现，并配置快速压载系统和安全监测系统。

图1 半潜式起重拆解平台模型

半潜式起重拆解平台的具体参数如下：

主浮筒(Main Pontoon, MP)：长137.8 m、宽19.5 m、高12.0 m；

小浮筒(Outrigger Pontoon, OP)：长122.0 m、宽13.5 m、高12.0 m；

主浮筒立柱：长22.5 m、宽19.5 m、高18.0 m；

小浮筒立柱：长16.5 m、宽13.5 m、高18.0 m；

主甲板：长81.0 m、宽81.0 m、高42.8 m；

吃水：居住吃水20.0 m，最大工作吃水26.4 m，风暴自存吃水17.0 m，航行吃水11.3 m。

2 横纵倾调平方法

半潜式起重拆解平台主要进行起重机吊载作业，在作业过程中容易使平台发生较大的倾斜，因此需进行横纵倾调平，常用的横纵倾调平方法主要是在吊物另一侧加平衡浮箱或者调节压载水量。

2.1 压载系统目的

在吊载作业过程中，采用调节压载水的方法使平台保持平衡。平台设置压载系统的主要目的[2]如下：

(1) 适应各种装载工况，保持适当的排水量、吃水、横纵倾，保持一定的航行性能；

(2) 保持适当的初稳心高，获得适当的复原力臂；

(3) 减小过大的弯矩和剪切力。

2.2 压载系统布置

平台的压载系统主要由普通压载舱(Common Ballast Tank, CBT)、快速压载舱(Quick Ballast Tank, QBT)和立柱压载舱(Column Side Ballast Tank, CSBT)等3部分组成，压载舱(Ballast Tank, BT)均配备单独的进水管和排水管。

CBT布置在MP和OP中，在MP中配备4台压载泵，在OP中配备2台压载泵，通过压载泵对CBT进行进水和排水工作。图2为浮筒CBT布置图。

图2 CBT布置

QBT位于MP和OP内部，主要通过重力快速注水，调节平台的平衡。在排水时只能通过与CBT相连的压载泵进行排水，这是因为外部水压太高，无法使用空气压缩系统进行排水。图3为浮筒QBT布置图。

图3 QBT布置

CSBT位于4个立柱内，可采用重力快速进水，当进水高于海平面时，不可再利用重力进水，此时需用压载泵进行注水。排水时通过压载泵或空气压缩机进行排载，当舱内水面与海平面相差26.0 m以上时，不再使用空气压缩机进行排水(空气压缩机最大工作气压为2.6 bar，1 bar=0.1 MPa)。当起重机进行吊载作业时，采用CSBT进行平台调平能够实现快速调载。图4为CSBT布置图。

图4 CSBT布置

3 平台吊载

平台在起吊与回转作业过程中会发生横倾和纵倾，严重降低平台在作业时的稳性，需要通过快速调载的方法使得平台达到平衡状态，保持足够的稳性。

3.1 艏部起重机作业

基于半潜式起重拆解平台的主尺度，运用GHS软件进行建模，根据舱容图在软件里进行分舱建模，并将平台的空船重量和重心输入软件。按照规范要求，在平台起重机进行吊载作业之前，调节BT将平台进行吊载前调平，并使吃水保持在22.0 m，随后进行艏部起重机吊载工况的稳性研究。

平台在右舷配备2台起重机，在本小节中起重机位于平台的右舷靠近艏部位置，为了让平台在吊载作业时出现较大横倾，将起重机吊臂向右舷侧旋转至与右舷垂直处，吊臂与水平面的夹角为75°，运用GHS软件进行2 200 t吊载作业的模拟分析。

当起重机进行2 200 t吊载时，若一次性将吊物直接吊起，平台会发生较为严重的倾斜，此时平台向艏部倾斜4.4°，向右舷倾斜12.3°，吃水变为16.3 m，严重影响平台安全性能，因此在起吊过程中不能一次性将吊物直接吊起，而需在吊物吊载过程中不断调节压载舱，使平台保持相应平衡。

在吊载过程中，根据BT布置及舱室进、排水方式，通过CSBT进行压载调平。由于平台发生右倾和艏倾，因此首先选择左舷艉部CSBT OP2进行注水，当舱室注满水后，平台仍旧出现艏倾1.9°，右倾6.3°；再对左舷艏部CSBT OP1进行注水，当舱室注满水后，平台发生左倾，同时艏倾更加严重；当调节右舷艉部CSBT MP2时，平台达到纵向平衡，但又发生严重右倾。因此在吊载过程中，需同时调节4个CSBT进行平台调平。

表1为CSBT在吊载前后平衡时压载水量的变化。由表1可知：左舷艏部CSBT OP1压载水增加236.5 t，左舷艉部CSBT OP2压载水增加934.5 t，右舷艏部CSBT MP1压载水减少1 905.2 t，右舷艉部CSBT MP2压载水减少607.0 t。通过压载水的变化可看出：对左舷艉部CSBT OP2进行注水，对右舷艏部CSBT MP1进行排水，能更快地将平台进行调平。

表1 艏部起重机吊载2 200 t前后压载水量变化 t

图5为平台起重机吊载2 200 t调平后的复原力臂与初稳心高曲线。当横倾角小于10°时，复原力臂较小；当横倾角达32.5°时，复原力臂达到最大值，约16.0 m。在本工况中平台的初稳心高约4.9 m，平台具有良好的抵抗倾斜力矩的能力。

图5 艏部起重机吊载2 200 t时稳性曲线

3.2 艉部起重机作业

在本小节中，起重机位于平台的艉部右舷侧，运用GHS软件对起重机2 200 t吊载作业进行模拟分析，此时起重机吊臂旋转至右舷外侧并与右舷垂直，吊臂仰角为75°，通过压载水将吊载前的平台调平，此时平台吃水保持在22.0 m。当2 200 t吊物全部被平台艉部的起重机吊起时，由于重量及重心有较大变化，因此平台发生较为严重的倾斜，此时平台向艉部倾斜5.0°，向右舷倾斜12.5°，吃水变为26.0 m，严重影响平台的稳性，因此需分阶段进行吊载，同时不断调节压载水，使平台处于持续平衡状态。

根据艏部起重机作业时压载水的压载方案，对艉部起重机作业也采用CSBT进行调载，通过GHS软件对4个CSBT进行调平后的压载水量变化如表2所示。艏部左舷CSBT OP1压载水增加848.2 t，艉部左舷CSBT OP2压载水增加351.8 t，艏部右舷CSBT MP1压载水减少460.7 t，艉部右舷CSBT MP2压载水减少1 988.8 t。通过压载水的调节可以看出：当平台向艉部右舷倾斜时，对艉部右舷的压载舱进行排水，并同时对艏部左舷的压载舱进行注水，能够更快地将平台进行调平。

表2 艉部起重机吊载2 200 t前后压载水量变化 t

通过压载舱进行调平后，得出平台的复原力臂和初稳心高(见图6)。在横倾角为32°时，复原力臂达到最大值16.0 m，初稳心高为4.5 m。与艏部起重机在相同吊重作业时相比，初稳心高减小0.3 m，而复原力臂并未出现较为明显的变化，因此在艉部起重机进行吊载作业时平台同样具有良好的抵抗倾斜力矩的能力。

图6 艉部起重机吊载2 200 t时稳性曲线

3.3 双起重机联合作业

在吊载超过2 200 t时，双起重机进行4 200 t联合作业。在吊载前，将起重机吊臂向右舷侧旋转至与右舷垂直处，吊臂仰角为75°，运用GHS软件通过压载水将平台调平，此时平台吃水约22.0 m。

在艏部与艉部2台起重机进行联吊的过程中，由计算可知平台纵向倾斜较小，只向艉部倾斜约0.4°，可通过向艏部CSBT加注压载水进行调节。在联吊过程中，平台向右舷倾斜严重，右倾角约18.4°，在联吊过程中，需同时调节CSBT的压载水量使平台在作业过程中保持平衡。

在整个吊载过程中，仍旧对CSBT中的压载水进行调节。表3为起重机联吊4 200 t前后压载水量的变化。由表3可知：在整个吊载过程中，左舷艏部CSBT OP1与左舷艉部CSBT OP2中的压载水均有所增加，将平台向左舷压载，降低平台右倾角，2个舱室压载水增加2 678.7 t；右舷艏部CSBT MP1与右舷艉部CSBT MP2中的压载水减少，排出压载水4 243.2 t。通过对4个CSBT的调载，平台趋于平衡，保持良好的稳性。

表3 双起重机联吊4 200 t前后压载水量变化 t

在联吊过程中，平台复原力臂及初稳心高如图7所示。在吃水为22.0 m的工况下，双起重机吊载调平后，平台复原力臂为13.8 m，与单起重机作业时相比变化明显。平台初稳心高为1.4 m，与单起重机作业时的初稳心高相比减少3.2～3.5 m。

图7 联吊4 200 t在吃水22.0 m时稳性曲线

双起重机联合作业时的稳性较单起重机作业时变差，而且由于初稳心高降低，平台的复原力臂也有所降低，因此在4 200 t吊载工况下，平台抵抗倾斜力矩的能力较单起重机作业时变差。

在本工况中，由于吊物重4 200 t，且吊物垂向重心高度较高，因此初稳心高降低，使得平台稳性降低。为提高平台的稳性，向平台浮筒内的压载舱加注压载水，降低平台在联吊时的垂向重心高度以增大平台初稳心高，此时平台吃水增大至24.0 m。平台在吃水为24.0 m时吊载4 200 t 的复原力臂及初稳心高如图8所示。当降低平台垂向重心后，平台初稳心高增大至3.7 m，复原力臂增大至14.8 m。因此，在联吊时降低平台重心垂向位置能够增大平台复原力臂和初稳心高，让平台有更好的抵抗倾斜力矩的能力。

图8 联吊4 200 t在吃水24.0 m时稳性曲线

4 结 论

对半潜式起重拆解平台起重机吊载作业过程进行研究，得出如下结论：

(1) 当吊物较重时需分阶段进行吊载，防止平台在吊载过程中发生严重的倾斜。

(2) 在平台舱室布置中，CSBT通过重力进水方式和空气压缩方式实现快速进水与排水，因此在吊载作业中，同时采用4个CSBT进行调节，能够降低平台调平时的操作难度、提高吊载作业的工作效率、保证平台的稳性平衡。

(3) 在3种吊载过程中，平台均具有一定的抵抗倾斜力矩的能力，但是当吊载为4 200 t时，平台的初稳心高较低，抵抗倾斜力矩的能力变差，因此当吊物较重时，尽可能降低平台的垂向重心可有效增大平台的初稳心高，保证平台的稳性平衡。