某半潜船叠船系统下潜作业过程中的稳性研究

王 辉，吕成飞，王秀娟，张玉明，李志勇

（1.中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川成都610095；2.中远海运工程物流有限公司，辽宁大连116001）

0 引 言

随着陆地已探明石油和近海石油储量的逐步下降，深海油气资源勘探开发得到了越来越多的关注，与之相关的海上石油钻井平台、浮式生产储油船等油气开采设施相继投入运营，这些设施大部分需长距离运输到目的地，相应地带动了半潜船，特别是大型半潜船的发展［1-2］。

半潜船作为一种用来运输海上大型结构物的特种工程船，其载货下潜作业的稳性问题一直备受关注。半潜船下潜作业时具有很高的风险，对完整稳性有很高的要求。半潜船的完整稳性分析工况主要有2 种，即：航行时的稳性；下潜作业时的初稳心高。针对半潜船半潜作业时的浮态和初稳性，挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）和中国船级社（China Classification Society，CCS）等都给出了明确的规定［3-4］。半潜船的作业稳性特点是当主甲板刚完全浸没时，船体水线面突然减小，初稳心高骤减，已有文献［5-8］研究了半潜船半潜作业过程中纵倾对其初稳性的影响，但未考虑半潜船装载货物入水时产生的浮力对稳性的影响。张泉［9］分析了箱型货物对半潜船主甲板入水之后稳性的改善，但仅对形状规则且重量较小的货物进行了研究；刘旭等［10］分别对半潜船空载下潜和载货下潜2 种状态进行了研究，并分别针对纵倾状态和平吃水状态绘制了横稳心高度hKM和初稳心高度hGM等一系列特征曲线，但研究的荷载仅为钻井平台；张玉喜等［11］采用层次分析法研究了不同因素对半潜船潜装作业的影响；陈伟等［12］针对半潜船的完整稳性提出了很多改善稳性的措施，并指出不能简单地将货物作为载荷加到半潜船上，而应考虑其对稳性的贡献，但未深入研究实际算例。

本文以某60 000 载重吨半潜船为例，基于Compass软件建立半潜船及叠船模型，研究叠船工况下双驳船的浮力对半潜船下潜作业时稳性的影响。

1 某半潜船运输大件海洋结构物系统布置图

以某60 000 载重吨半潜船为例，其主尺度见表1。该半潜船的作业工况为：在双拖驳船上搭载井口平台模块，放置于半潜船甲板上（见图1 和图2），进行远洋运输和在目的地下潜作业。

表1 某60 000 载重吨半潜船主尺度

图1 叠船系统浮托安装积载侧视图

图2 叠船系统浮托安装积载俯视图

2 半潜船下潜稳性衡准

CCS对半潜船半潜作业时的稳性［3］有详细的规定，主要内容如下：

1）半潜船满载甲板货物准备下潜时，经自由液面修正的初稳心高度不小于1.00 m。

2）半潜船满载甲板货物在举升甲板入水或出水过程中，其稳性应满足下列衡量标准之一。

（1）在基本无浪的平静水域，当蒲氏风级不超过3 级时，经自由液面修正的hGM不小于0.05 m；或当蒲氏风级不超过5 级时，经自由液面修正的hGM不小于0.10 m。

（2）在蒲氏风级不超过6 级、有义波高不超过0.5 m，或蒲氏风级不超过4 级、有义波高不超过1.0 m的水域，经自由液面修正的hGM不小于0.15 m。

3）当半潜船下潜至最大沉深时，经自由液面修正的hGM不小于0.50 m。

4）半潜船甲板上无承载物，在下潜或上浮的任何阶段，经自由液面修正的初稳心高度均不应小于0.15 m。

5）当承载大型物件、船舶或海洋设施下潜作业时，可按承载物的实际位置和浮态计及其对稳性的影响。

除了CCS对半潜船的稳性有相关规定以外，DNV专门为半潜船和重吊船提供了重大件货运技术方案，并制定了一系列指导规范，要求船舶的hGM不能低于0.15 m［4］。

综上，经过对比CCS与DNV 关于半潜船下潜稳性的标准，hGM＞0.15 m 是下潜稳性衡准的一个重要指标［10］。

3 叠船系统下潜作业时的初稳性

本文的研究对象是半潜船搭载2 层模型，重量大、重心高，若仅将其作为施加在半潜船上的载荷，则其在下潜过程中的初稳性很小，会引发险情，因此本文主要研究2 种情况，即不考虑驳船浮力和考虑驳船浮力，分别研究半潜船下潜过程中稳性的变化规律。另外，若下潜过程中半潜船有一定的纵倾（艏倾），也可改善其初稳性，因此分别考虑半潜船在平吃水下潜及艏倾2 m和艏倾4 m状态下的稳性。

3.1 不计入双驳船浮力时的稳性规律

若不计入双驳船的浮力，可简单地将双驳船和井口平台看作均布载荷。此时的计算工况和稳性参数hKM、hGM的计算结果见表2，hGM和hKM曲线分别见图3 和图4。

表2 不计入双驳船浮力时的计算工况和hKM、hGM的计算结果

图3 不计入双驳船浮力时的hGM曲线

图4 不计入双驳船浮力时的hKM曲线

由表2、图3 和图4 可知，当半潜船平吃水下潜时，在承载甲板入水之前，hGM值会随hKM值的下降而大速率下降，但由于此时hKM值较大，hGM值在主甲板入水之前仍能保持较大的数值，例如该半潜船在吃水13.46 m处（主甲板高度为13.5 m，见表1）的hGM值能达到12.962 m。当主甲板瞬间入水时，hKM值因水线面的大量丢失而骤减，而浮心距基线高度hKB几乎没有变化，此时船舶的初稳性极差，hGM值在承载均布载荷情况下骤减至0.123 m。当承载甲板入水之后，hGM值随吃水的增加而缓慢增大。主甲板入水瞬间即为稳性最差的时刻，主甲板入水前后浮态和稳性参数见表3。

表3 不计入双驳船浮力时主甲板入水前后浮态和稳性参数（平吃水）

艏倾入水主要改善主甲板入水瞬间的hGM值，缓和平吃水时骤减的情况，且艏倾值越大，hGM值的改善情况越明显。在货物漂浮起来瞬间，由于此时的重量已完全由半潜船的压载水舱提供，因此hGM值会有一个骤然增大的变化。

3.2 计入双驳船浮力时的稳性规律

由3.1 节的分析可知，仅将叠船系统看作半潜船的外载荷，hGM的最小值在平吃水时将达到0.123 m，在主甲板入水之后会在货物漂浮之前维持0.500 m以下的水平，这是非常危险的。在实际下潜过程中，驳船提供的浮力和水线面面积惯性矩都会使半潜船的下潜稳性有所改善。因此，在建立双驳船模型时，将双驳船以附体的形式作为半潜船的一部分（视二者为一个整体）。同时，根据半潜船的静水力表、驳船和井口平台的重量数据，可反推出平台和驳船的漂浮吃水为17.500 m，因此仅将驳船模型建立到4 m的高度。

计入双驳船浮力时的计算工况和hKM、hGM计算结果见表4，此时的hKM、hGM变化曲线相比未计入双驳船浮力时平吃水情况下的hKM、hGM变化曲线见图5 和图6。

图5 计入双驳船浮力时的hKM曲线

图6 计入双驳船浮力时的hGM曲线

表4 计入双驳船浮力时的计算工况和hKM、hGM计算结果

在主甲板入水瞬间，计入双驳船浮力之后的hKM、hGM相比未计入双驳船浮力时的hKM、hGM有所减小，但减小幅度大大下降；同时，该驳船水线面面积随吃水的增加而逐渐增加，因此hKM值会有一个逐渐增大的过程，hGM值增大的趋势也非常明显，不再有低于0.15 m的危险值，直至叠船系统漂浮时，hGM值骤减至未计入双驳船浮力时的数值。

仍以半潜船主甲板入水前后为主要观察点，计入双驳船浮力前后浮态和初稳性参数见表5。

对比表4 与表5 可知，在平吃水状态下，当主甲板入水之后，驳船开始入水，提供了较大的水线面面积，此时hKB基本不变，排水体积略有增加，hGM仍在主甲板刚入水时骤减，但双驳船对稳性的贡献效果明显，hGM值由仅计载荷时的0.123 m增大到11.474 m。

表5 计入双驳船浮力时主甲板入水前后浮态和初稳性参数（平吃水）

计入双驳船浮力时艏倾下潜状态下的hKM和hGM变化曲线分别见图7 和图8。

图7 计入双驳船浮力时艏倾状态下的hKM变化曲线

图8 计入双驳船浮力时艏倾状态下的hGM变化曲线

从图8 中可看出：在主甲板入水之前，艏倾使得半潜船的hGM值有所减小；在主甲板入水之后，双驳船对稳性的贡献非常明显，主甲板入水瞬间的骤减趋势大大缓和，随着驳船2 主甲板入水，hGM值逐渐增大，驳船1的入水又使得半潜船的hGM值进一步增大，这种增大趋势一直持续到主甲板完全入水；在主甲板完全入水之后，hGM值的增大趋势逐渐减缓；在货物漂浮瞬间，hGM值骤减至仅计载荷时的水平。

4 结 语

半潜船载货下潜作业时，在主甲板入水瞬间，其水线面瞬间大幅度损失，且其承载的驳船加井口平台这样的叠船模型的重心高度hKG非常高，在仅把所载海洋结构物当作载荷的情况下，hGM值极易低于规范要求值，甚至出现负值，从而引发险情。本文主要研究了叠船模型下潜过程中稳性的变化，主要得到以下结论：

1）当不计入双驳船浮力时，平吃水状态下主甲板入水瞬间的hGM出现极小值0.123 m；在主甲板入水瞬间，艏倾状态下hGM值改善至6.857 m，但主甲板完全入水之后，艏倾对hGM值的改善效果不明显，即便保持很大的艏倾，hGM也易出现极小值，且实际作业中艏倾不利于保证结构强度满足要求和作业的安全性。

2）当计入双驳船浮力时，平吃水状态下的hGM值增大，计入双驳船的浮力可有效改善半潜船下潜过程中的稳性，将hGM值由0.123 m增大至11.474 m。在纵倾状态下，hGM继续增大，当驳船1 和驳船2 分别入水时，hGM值增大的趋势非常明显，表现出双驳船分别对半潜船的整体稳性做出贡献。在实际作业时，保持平吃水下潜即可使半潜船有足够的稳性。